武汉体育中心体育场结构设计
郭必武 李 治
（武汉建筑设计院 430014）
提 要 武汉体育中心六万人体育场结构设计采用钢筋混凝土框架——筒——索膜整体结构体系。结构受力分析采用空间非线性计算程序。通过风洞试验确定风载取值。通过局部模型试验检查关键部位的受力特点和设计计算结果。根据索膜蓬盖特点的特殊结点设计保证了安装、使用的安全可靠。框——筒——索膜结构在大型体育场的设计中是一种先进的效果良好的结构型式。
关键词 框——筒——索膜结构 风洞试验 节点设计
一、概 述
武汉市体育中心是武汉市规模最大的体育建筑群，包括六万人体育场、游泳馆、水上娱乐中心等一组现代化的体育建筑。体育中心位于武汉沌口经济开发区腹地，318国道从其西侧经过，与占地1600亩的新江汉大学遥遥相对，形成武汉市又一现代特色的大型文化中心。开发区是武汉市改革开放的硕果之一，轿车产业发达，近廿年的新型建筑规划合理、布局有致、交通四通八达，这座现代化的体育中心座落在该区是十分相宜的。
体育场是体育中心的主体工程，建筑面积8万平方米，投资约3.7亿元，设有总高45米的二层看台，可容纳六万观众，一流的场地设施，可以承担国内国际的一流大型比赛。
体育场由四个花瓣形看台组成椭圆形平台，长轴277米，短轴245米，（周长约800米）竞技场设于其中，从任意位置均可清楚的观看场内项目比赛。看台采用框架结构体系，设置四个角筒，框—筒为蓬盖支座，蓬盖采用目前国际上流行的索膜张拉结构，施加予应力后与框—筒共同受力，形成框—筒—索膜结构体系。（图1）
二、结构体系
(一) 框架结构体系部分：
蓬盖以下部分为体育场看台及办公辅助用房，采用框架结构体系。径向框架为主要受力方向。承受看台及楼盖荷重，并承受蓬盖荷载。框架共56榀，东西区悬挑过大，为减小端点位移，采用Y型框架立柱（图2）
径向框架悬臂端为蓬盖Y形大悬挑桁架钢伸臂支座。设计为钢筋混凝土L型刚臂。顶点根据蓬盖反力和计算简图设计为铰支座，L型角部为蓬盖下拉杆支座，形成蓬盖伸臂的平衡系统。
横向框架由径向框架柱、连梁、楼盖梁组成。看台座采用现浇予应力┏型梁，整体性较好。
花瓣形平面四角交汇处设计高约40米直径10米的钢筋混凝土筒体，承受拱形外环梁巨大的水平推力，保证蓬盖索膜系统形成空间稳定结构。
(二) 蓬盖索膜体系：
蓬盖由伞状膜结构单元组成。东西侧看台每侧18个膜单元，南北侧看台每侧14个膜单元，总共64个膜单元。每个膜单元承担结构自重、屋面荷重、检修荷重和音响、灯光、马道等悬挂荷重。风载是蓬盖结构的主要荷载，通过风洞试验取值。抗震设防烈度为七度。
伞状膜单元由钢臂、索、膜组成。钢臂为Y形平面。钢管空间桁架。臂伸最大长度52米，后部通过钢管下拉杆平衡。钢管下拉杆组成空间三角形，锚固节点为钢筋混凝土刚臂。钢臂与刚臂采用铰结支座。内环索施加予应力后起弹性支点作用。铰结支座处设立柱，立柱与上拉索形成蓬盖膜需要张拉成形的高度和予张力，满足蓬盖的铺设要求。
索膜部分包括谷索、脊索、边索、内环索、各索施加予应力才能参加蓬盖受力，予应力值根据膜找形和使用条件计算确定，内环、索各点垂直位移控制在20cm以内。
各膜单元通过上下环梁，内环索相互联结并与四角筒撑杆平面上形成非线性的整体受力体系。上下环梁是一个空间拱，拱脚支座为四个角筒，内环索相当于拱拉杆。大部分水平力分力由空间拱承受，垂直力主要由钢臂通过挑台框架传给基础，同时空间拱也承受部分竖向力。（图3）
三、内力分析
由于体系的非线性特点，采用非线性专用程序进行内力分析。
根据体系建立三维空间有限元模型整体分析求解，从而得到杆件单元的设计内力。
设计考虑了包括地震作用组合的17个工况，进行荷载不利组合。起控制的工况为上拔风工况及XY风荷载与活载组合的工况。属于由可变荷载效应控制的组合。东西看台铰支座内力最大值其竖向力为7000kN，水平力为5000kN。
控制工况内力计算结果 表1
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工况 |
组 合 |
杆件最大内力（kN） |
杆件最小内力（kN） |
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1 |
上拨风工况 |
4492 |
-3806 |
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2 |
X方向风载 |
2791 |
-3844 |
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3 |
Y方向风载 |
2640 |
-3453 |
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4 |
XY方向风载和活载组合 |
3635 |
-4853 |
|
注 |
+表示拉力；－表示压力 |
||
四、节点设计
索与钢臂、立杆、拉杆采用销接。钢臂与框架支座采用空间铰。空间铰的设计是保证索桁受力和框架支座安全的关键。
在进行整体力学分析时在索桁平面内设计为铰。目的是不传递弯矩，避免框架支座产生很大的柱端弯矩，使钢筋混凝土L形刚臂立柱截面、配筋很大而难以满足设计和施工要求。索膜安装时予应力张拉的不平衡力形成水平弯矩及安装偏差的次弯矩，造成刚臂立柱的扭矩，也是必须避免的。在使用阶段风载会产生水平不平衡力，其力由内外环索和水平支撑承受，在该节点处不产生扭矩。
空间铰接触面为一球冠，球面半径按接触面承受水平力和垂直力的最不利内力数值设计，Nmax=7000kN，Vmax=5000kN，不同工况水平力与垂直力的夹角不同，该球面半径形成的球冠能在所有工况的夹角下保证相适应的合力点位于球面之内并使接触面的抗压满足要求。
球冠的矢高不宜太高，虽然大矢高对钢铰设计有利，但对立柱和铰底面的设计不利，水平力作用点或合力点形成附加弯矩较大，矢高和半径必须经过各种组合后优化确定，最终取用东西区为r=375mm，f=171.5mm；南北区r=375mm，f=158mm。
五、风洞试验
由于大型体育场索膜结构风载取值无规范可循，因此通过风洞试验确定。风洞试验由北京大学、清华大学共同完成。根据风洞试验结果设计取值：风压最大值1.15kpa（压力），最小值-1.65kpa（体型系数最大值1.4（压力）最小值-2.7（吸力），风振系数根据设计部位不同分别取值1.25～2.5。
风洞试验为刚性模型，模型比例1∶150，压力由模型每转动15°角测量内、外表面一次，当模型旋转360°即24次后，即获取内、外表面各自的全蓬盖压力分布。
主要测点数据列表如下：（风压值为经过换算后设计可直接采用值）
表2
|
部 位 |
50年重现期风压（Kpa） |
|
|
压力最大值 |
吸力最大值 |
|
|
东区 |
0.9 |
-1.4 |
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南区 |
1.0 |
-0.8 |
|
西区 |
0.9 |
-1.3 |
|
北区 |
1.0 |
-0.9 |
六、节点试验
为了确保支座节点的安全，根据设计图作了补充试验，由华中科技大学结构试验室完成。试验采用1∶4比例，模拟静动力对节点加载，试验结果表明，试验数据均满足设计要求，节点设计是安全可靠的。
七、材 料
钢材采用Q345C级钢，膜材采用法拉利120ZT型PVC，辅材选用不锈钢紧固件，铝合金压条等标准件。膜面投影面积29844m2，展开面积39400m2，索用量约120吨，杆件桁架由焊接钢管和无缝钢管组成。
节点均采用对接焊缝，不同部位采用熔透焊和角焊缝。角焊缝用于次要受力部位和超声探伤不便进行处，并通过检测保证焊接质量，达到设计要求。
结 语
通过武汉体育中心六万人体育场设计和施工，可以认为：
1、大型体育场容纳观众越来越多，场地越来越大，成为其建设趋势。索膜结构具有自重轻，覆盖灵活，覆盖面积大，造型美观的优势，是当代大型体育场的合理先进的首选型式。
2、风载是索膜结构的主要荷载，应通过风洞试验确定并应考虑风振作用。
3、索膜蓬盖应与下部支承形成整体受力体系，设计的重点要选择好整体受力模式，整体受力应该是稳定的、简捷的、可靠的从而是最经济和合理的。
4、特殊的节点设计必须加强，要考虑多种可能的受力状况，即需要考虑不利组合的同时要考虑施工过程及可能发生的非常规复杂内力，确保安全。