大連梭魚灣專業足球場結構設計綜述

水金鋒, 劉 楠, 王金來, 孫明川, 張 琳, 王 健, 王金鑫, 時 言

(1 大連市建筑科學研究設計院股份有限公司，大連 116021；2 北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

大連梭魚灣專業足球場是用于2023年亞洲杯賽事的專業足球場,設有坐席6.3萬個,總建筑面積13.6萬m2,用地面積18.5萬m2。足球場下部為混凝土框架結構,看臺頂標高45.3m。屋頂罩棚為索桁架結構,平面投影為四心圓,長軸長268.5m,短軸長250m,支承于鋼壓環上;鋼壓環長軸長253.5m,短軸長235m,支承于56根直鋼柱上;鋼柱柱底、柱頂均鉸接,局部設置柱間人字支撐。罩棚上弦采用斜交索網,下弦采用徑向拉索,上下弦索在平面交點處設置豎向鋼撐桿。足球場立面設置兩組上人的環形坡道,從10.800m標高上至44.600m標高,采用鋼桁架結構進行支承,環形坡道之間設置鋼索加ETFE膜的幕墻。

2 建筑方案

大連梭魚灣專業足球場建筑設計靈感來自“海浪與海螺”,方案造型新穎,契合大連海濱城市的特點,屋面造型如白色浪花,泛起層層漣漪,海洋藍立面由三層索膜結構呈螺旋形圍繞在足球場外周,狀如海螺螺旋向上,藍色漸變的建筑立面美輪美奐,仿佛波光粼粼的海面。大連梭魚灣專業足球場建筑效果圖見圖1,施工現場照片見圖2。1層(圖3)為賽事用房、設備用房、車庫等。2層(圖4)為運營用房、VIP用房、集散平臺、博物館等。3層(圖5)為VVIP用房、集散平臺、贊助商休息用房等。4層(圖6)為服務中心、集散平臺等。5層(圖7)為包廂、設備用房、集散平臺等。6層(圖8)為媒體中心、集散平臺、足球文化廳等。44.7m標高層為安保觀察室、附屬用房等,典型剖面圖見圖9。

圖1 大連梭魚灣專業足球場建筑效果圖

圖2 大連梭魚灣專業足球場施工現場照片

圖3 1層平面圖

圖4 2層平面圖

圖5 3層平面圖

圖6 4層平面圖

圖7 5層平面圖

圖8 6層平面圖

圖9 典型剖面圖

3 結構設計方案

大連梭魚灣專業足球場的結構體系主要由混凝土框架結構、屋頂罩棚索桁架結構、屋蓋膜結構,外幕墻鋼結構、索結構和膜結構組成。根據建筑師的方案設計要求,經過多次討論、協商和初步計算,確定最終結構方案如下:1)足球場的下部為混凝土框架結構;2)足球場的上部屋頂罩棚為索桁架結構、屋蓋膜結構,屋蓋膜材采用PTFE,內挑棚采用ETFE氣枕結構;3)足球場的主體外側為外幕墻結構,外墻膜采用ETFE。

3.1 結構設計難點

由于建筑設計新穎,建筑效果對結構設計要求很高,在結構設計中遇到的難點主要如下:

(1)為實現屋面浪花、層層漣漪的靈動效果,罩棚結構進行多方案優選,初始方案采用輪輻式上斜交下斜交雙層索網體系,外環為受壓桁架,內環為受拉桁架,由于其用鋼量較大,上斜下斜索網交叉索角度較大,施工及索夾加工難度大,經設計比選優化為輪輻式上斜交下徑向雙層索網體系,外環為鋼壓環,內側設置索拉環,結構受力更加合理,既降低了施工難度,又減小了用鋼量,還保證了罩棚漣漪的外觀效果,內部空間效果更加輕盈美觀。

(2)在設計計算膜結構時發現外環膜拱矢高偏小,跨度較大,膜索索力很大,比其他位置膜索索力大4倍多,拱桿和索徑也相應很大,結構受力不合理且截面較大,也不利于建筑效果表達,后與建筑協商溝通,增加外環膜拱高度,結構受力更加合理,減小了拱桿和膜索索徑截面。

(3)外幕墻為直紋曲面,初始方案采用斜交索網作為受力結構,將外幕墻固定在索網上,采用懸挑梁+直紋曲面索網體系。斜交索網需施加預應力,且僅能單向進行張拉,對懸挑梁體系有較大的作用力,會使整個外幕墻的懸挑體系產生較大的扭矩,懸挑體系需要很大的剛度才能滿足要求。結構優化為在框架柱等距設置懸挑桁架,增加水平支撐并設置鋼拉桿,減少索長降低預拉力,并減小預應力對懸挑桁架的作用力,外墻膜作為次結構外掛在雙向斜交索網上,結構受力合理,建筑直紋曲面完成效果好。

3.2 混凝土框架結構

本項目設置一道混凝土永久環縫將整個結構分為專業足球場和室外疏散平臺兩部分,其中專業足球場不設置結構縫,結構總高度44.6m,足球場下部采用鋼筋混凝土框架結構,上部屋蓋罩棚采用索桁架結構,混凝土結構為屋蓋主要支撐結構,主要柱網尺寸約8～13.5m;室外集散平臺地上1～2層,混凝土樓面最大高度10.9m,設置六道結構永久縫將其分為七個獨立單元。

3.3 罩棚結構

大連梭魚灣專業足球場罩棚由索桁架結構和支承鋼結構構成,周邊支承鋼結構由壓環、搖擺柱、柱間支撐組成。索桁架頂標高66.7m,索桁架內側設置索拉環,拉環長軸長133.2m,短軸長123.4m,上下拉環高度約19.5m。拉環內側設置鋼挑棚,挑棚懸挑9.3～13.6m,整個體育場中心開口尺寸長軸長114.4m,短軸長96.2m。索桁架的懸挑長度(從壓環到拉環),長軸長60.2m,短軸長55.8m,如圖10所示。

圖10 結構平面圖

罩棚上弦采用斜交索網,索長79～86m不等,共計56根斜索。下弦采用徑向拉索,索長56～62m不等,共計56根拉索。上下弦索在平面交點處設置豎向鋼撐桿。

3.4 支承鋼結構

罩棚支承鋼結構由壓環、搖擺柱、柱間支撐組成,搖擺柱共56根,間距約14.5m,高度12m,搖擺柱通過預埋鋼骨與下部框架柱相連。壓環截面為□1 600×2 200×80×80,材質為Q345GJC;搖擺柱截面為□800×600×30×30,柱間支撐截面為□800×600×30×30,材質均為Q355C。

3.5 屋蓋膜結構

大連梭魚灣專業足球場罩棚屋蓋膜結構采用張拉膜結構體系,主膜內環、外環間共336個三角形膜單元,膜結構沿屋蓋兩個對稱軸1/4對稱。各膜以上斜索為谷索,屋蓋設五圈環向膜拱。屋蓋膜中,與上環索及環梁相接的56個三角形膜單元為平面膜,其余280個膜單元為上斜索與膜拱圍成的雙曲面膜。各膜單元垂直于上環索徑向設置。為提高面積較大的膜單元的剛度及承載力,靠外側四圈膜單元設置膜面索。罩棚膜面及膜拱布置圖見圖11。在外側兩圈膜單元中,為減小膜承載面積,在主拱間,各設一圈環向次拱。在壓環上,采用拱形桁架作為膜邊界。罩棚屋蓋膜材質采用G類膜材,膜結構性能指標依據《膜結構技術規程》(CECS 158—2015)[1]。

圖11 罩棚膜面及膜拱布置圖

3.6 外幕墻結構

大連梭魚灣專業足球場外幕墻鋼結構,足球場立面設置兩組上人的環形坡道,從10.800m標高上至44.600m標高,坡道正常寬度約6m,采用鋼桁架結構進行支承,坡道之間設置鋼索加ETFE膜的幕墻,鋼索采用1670級鋅-5%鋁-稀土合金鍍層高釩索,幕墻交叉索網截面為φ30,最小破斷力823kN;幕墻豎索截面為φ55,最小破斷力2 630kN。足球場外幕墻軸測圖見圖12,現場照片見圖13、14。

圖12 足球場外幕墻軸測圖

圖13 足球場外幕墻北立面照片

圖14 足球場外幕墻東立面照片

足球場外幕墻系統由索網及鋼桁架組成。桁架立柱通過鋼梁與足球場混凝土結構部分相連。索網由截面φ30的斜交索系與截面φ55的豎向邊索構成。邊索處通過截面φ40的鋼桿將鋼桁架和索結構連接在一起。

4 結構設計、計算分析的總體要求

4.1 結構設計原則

大連梭魚灣專業足球場結構體系較為新穎,根據國內外設計經驗,該工程應制定安全合理的準則和目標,也就是結構性能化設計思想和要求,這些性能化設計包括抗震、抗風、抗溫度作用、抗火、抗腐蝕及抗連續倒塌等內容[2-5]。本工程性能化設計的目標和做法已得到國家有關專家機構和管理部門的批準和認可。

4.1.1 結構抗震性能化要求

(1)本工程抗震設防烈度為7度,設計地震分組為第二組,設計基本地震加速度為0.15g,依據安全評價報告[6],水平地震影響系數最大值αmax=0.123(多遇地震)。建筑抗震設防類別為重點設防類(乙類),結構重要性系數為1.1,結構安全等級為一級。本工程抗震設計在滿足國家、地方規范的同時,根據抗震性能化設計的要求,針對結構超限情況,綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等因素,根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)(2016年版)[3]和《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)[4]規定的抗震設防目標,在充分認識結構與構件的受力及變形特征的基礎上,依據結構部位與構件重要性采用了不同的抗震性能目標,如表1、表2所示[7]。

表1 混凝土結構抗震性能化目標

表2 鋼結構和索結構抗震性能化目標

(2)結構設計控制目標:罩棚支承鋼結構、索結構以及屋蓋膜結構的設計控制目標如表3～5所示。外幕墻結構構件的變形控制目標:整體結構撓度≤L/400,結構懸挑撓度≤L/250(L為短向跨度或者懸挑跨度);外幕墻鋼結構構件的應力比控制目標:非抗震組合和多遇地震組合的桿件應力比≤0.85,中震彈性組合下≤0.90。索力設計值要求:索抗力分項系數2.0[8]。

表3 罩棚支承鋼結構設計控制目標

表4 索結構設計控制目標

4.1.2 風荷載取值

本工程結構體系復雜,混凝土框架結構、屋頂罩棚索桁架結構、屋蓋膜結構,外幕墻索網、外墻膜結構均按100年一遇風荷載標準和風洞試驗報告[9]進行計算和設計。

4.1.3 結構抗溫度作用的設計要求

大連梭魚灣專業足球場結構由多個子結構組成,各子項結構聯系緊密,相互影響,結構體量龐大,溫度作用影響明顯[5]。結構在溫度作用下吸收的能量在建造過程中需要適當釋放,需對支座進行合理設計,結構服役期內在容許溫差下可通過支座位移和轉角來消耗溫度作用的不利影響,其性能化要求主要體現在:1)建造過程中采取分段建造,在合理溫度下合攏,釋放部分溫度應力;2)下部混凝土框架結構進行溫度應力計算,根據溫度應力在外環框架梁設置預應力來抵抗溫度應力影響;3)搖擺柱與支撐節點,柱間支撐上下均采用向心關節軸承,適應屋蓋變形、應力狀態,搖擺柱與支撐節點照片見圖15;4)對于外側周圍環繞的外幕墻鋼結構,外墻鋼結構立柱與下部平臺連接處柱腳采用萬向鉸節點,適應混凝土結構與鋼結構因材料不同、線膨脹系數差異引起的變形,可釋放不均勻溫度應力,使混凝土結構,外幕墻鋼結構能保持正常使用狀態;5)適當加強曲面外幕墻鋼結構抗溫度作用的能力,增加水平支撐,減小變形,保護曲面外幕墻的安全使用,外幕墻水平支撐照片見圖16。

圖15 搖擺柱與支撐節點

圖16 外幕墻水平支撐

4.1.4 結構構件抗火設計要求

大連梭魚灣專業足球場是承辦亞洲杯等重要國際賽事的專業足球場,定性為重要公共建筑,為一類高層公共建筑,耐火等級一級,設有坐席6.3萬,為大型體育場館,比賽時人員眾多,防火設計非常重要。在設計中根據消防性能化評估報告,綜合考慮被動防火設計、主動防火技術和措施、建筑消防安全管理等進行全面系統的消防安全設計[10]。區分重點防火部位,加強結構構件防護,加強幕墻膜結構安全性措施,集散平臺火災隱患控制措施,延長耐火極限時間,對結構關鍵部分桿件適當降低構件應力,提高耐火能力;對個別易發生火災部位,如夾層部位,增加滅火設備,延長滅火噴淋時間,保證整體結構在一般火災下,主要控制構件不屈服,在特大火災下,在設防時間內結構不倒塌。防火涂料選取必須經過國家檢測機關檢測合格及消防部門認可,其性能、涂層厚度及質量要求應符合《鋼結構防火涂料》(GB 14907—2018)[11]和《建筑鋼結構防火技術規范》(GB 51249—2017)[12]等現行國家規范、標準的相關要求。

4.1.5 結構抗腐蝕要求

大連梭魚灣專業足球場項目位于近海環境,三面環海,腐蝕性等級較高,海洋大氣環境中的氯離子對鋼結構腐蝕嚴重,為保證工程結構耐久性使用要求,采用長效型防護涂裝方案,提高防腐蝕保護層設計使用年限為15年,增加底漆和中間漆的漆膜厚度,并使總漆膜厚度不低于320μm,除制定鋼材防腐涂裝要求外,對現場焊接部位處理和防腐噴涂均制定嚴格措施。

4.1.6 結構防連續倒塌的要求

考慮到工程的重要性以及結構的特殊性,應滿足防連續倒塌概念設計要求,可采用拆除構件法進行防連續倒塌設計[4,13-14]。

對于罩棚鋼結構,應保證在重要結構豎向受力柱出現失效時整體結構不產生倒塌或連續倒塌,根據本工程結構特點,采取抽柱方法進行防連續倒塌驗算,針對罩棚鋼結構中某一構件失效進行模擬,考察對其周邊乃至整個結構體系的影響,分析能否引起鋼結構破壞進而引起結構連續倒塌。

對罩棚索桁架結構采用動力方法進行斷索分析計算,以得到與真實情況更為接近的計算結果。采用ANSYS瞬態動力分析方法(完全法)模擬斷索的整個動力過程,應用生死單元技術模擬拉索失效。結果表明:偶然斷索對局部影響較大,對整個結構體系影響不大。斷索后其余拉索均處于彈性狀態,不會引起連續斷索導致結構倒塌。

4.2 結構計算分析原則

大連梭魚灣專業足球場結構屬于高層結構,屋頂罩棚為索桁架結構,屋蓋膜結構采用張拉膜結構體系,內側鋼挑棚上部設置ETFE氣枕結構,罩棚下部為鋼筋混凝土框架結構,鋼筋混凝土框架結構外側周圍環繞的外幕墻涉及結構類型有鋼結構、索結構、膜結構,涉及到的結構類型較多,需采用多種計算分析軟件對結構進行靜力及動力分析并包絡設計。

本工程罩棚造型設計海浪漣漪波紋效果,外幕墻為直線螺紋曲面,以建筑模型為基礎,建立精確的三維結構模型,計算分析程序采用YJK、MIDAS Gen 2021、MIDAS FEA、ANSYS、3D3S。

4.3 結構計算分析內容

大連梭魚灣專業足球場屬于復雜多結構體系,結構計算分析內容主要有:結構抗震計算時,采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法。在進行彈性時程分析時,采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算,并與振型分解反應譜法分析結果進行對比;大震下進行動力彈塑性時程分析。由于整體結構不設縫導致結構超長,進行考慮溫度作用的溫度應力分析。罩棚結構的非線性穩定計算、索網結構的非線性找形分析[15-18]、索網結構的荷載分析時應考慮大變形的幾何非線性,膜結構的強度、變形計算時應考慮結構的幾何非線性[1,19-20],鋼結構整體計算時應考慮結構的二階效應和初始缺陷的極限承載力[21],鋼結構關鍵節點采用有限元計算分析[22],罩棚結構應進行防連續倒塌計算分析等。

5 結語

大連梭魚灣專業足球場屬于復雜多結構體系,結構體系較為新穎,闡述了結構設計難點和計算分析內容,結構設計采取的性能化設計方法,制定了安全合理的設計原則、控制目標和計算分析要求,通過性能化設計,結構能滿足既定結構性能化目標要求,實現建筑效果并保證結構受力合理。