建筑结构丨大沙河文体中心复杂大跨度空间钢结构设计及重难点解读

Original 汤凯峰建筑结构

2024-09-08

大沙河文体中心复杂大跨度空间钢结构设计

文/汤凯峰

大沙河文体中心为深圳市政府在文化体育基建方面的大型投资，由筑博设计股份有限公司原创设计；项目位于深圳市南山区塘朗山片区，项目落成后将成为深圳多功能综合运动及休憩场所，符合举办国际体育赛事的场地要求，将会吸引大型国际体育盛事来深举行，有助深圳举办更多亚洲及国际体育赛事，实践全民运动，对推动体育普及化、精英化和盛事化有着重大作用。

▲ 大沙河文体中心主入口效果图

项目概况

大沙河文体中心项目功能包括剧场、电影院、图书馆、城市客厅、游泳馆、综合馆、羽毛球馆、篮球馆等；主体结构为带大跨度转换钢桁架的框架-剪力墙结构。项目整体投影呈矩形，长方向约195m，短方向约120m，结构最大高度为51.9m，建筑面积约13万m²。由于建筑立面及使用功能的要求，整体结构没有设置结构缝。总平面图如图1所示；整体效果图如图2所示。

▲ 图1 大沙河文体中心总平面图

▲ 图2 大沙河文体中心整体效果图

工程设计使用年限为50年，安全等级为一级，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类，场地特征周期Tg=0.35s；50年重现期基本风压0.75kN/m²，地面粗糙度类别为C类。

结构体系

为控制塔楼第一振型不扭转、避免楼层出现抗侧刚度突变、同时增加薄弱区域的刚度；在楼电梯区域布置剪力墙，使整体结构形成框架-剪力墙结构；整体结构模型如图3所示，剪力墙布置如图4所示。

▲ 图3 整体计算模型

▲ 图4 楼电梯区域剪力墙布置图

结构设计重难点

根据对建筑方案的分析，项目功能为跨度较大及高度较高的文化及体育场馆，综合馆效果图如图5所示，剧场效果图如图6所示；且项目用地局促，致使各场馆上下叠放，从而形成大跨度悬挂及转换结构，剖面功能分布图见图7、图8。

▲ 图5 综合馆效果图

▲ 图6 剧场效果图

▲ 图7 大沙河文体中心功能分布图

▲ 图8 南侧体育场馆关系图

3.1 大跨羽毛球馆楼盖振动舒适度控制

羽毛球馆正下方为58.8m×88.8×28.0m的综合馆，在标高39.2m设置4榀跨度为58.8m的钢桁架悬挂羽毛球馆主梁；在大跨度悬挂羽毛球馆进行室内体育活动，如何控制羽毛球馆的楼盖振动舒适度是结构设计的难点，羽毛球馆吊杆与楼板关系见图9。

▲ 图9 羽毛球馆吊杆与楼板关系图

大跨度悬挂结构动力特性复杂，采用SAP2000软件对整体结构进行有限元时程分析，计算模型如图10所示，羽毛球馆楼盖第1阶竖向振动模态见图11。

▲ 图10 计算模型三维视图

▲ 图11 羽毛球馆楼盖第1阶竖向振动模态（f₁=2.174Hz）

羽毛球馆楼盖在有节奏运动荷载激励下，楼盖竖向振动产生的有效最大加速度为0.911m/s²，大于《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》（JGJ/T 441—2019）规定的限值0.5m/s²；通过增加135t调频质量阻尼器（TMD）进行减振控制后，楼盖竖向振动产生的有效最大加速度为0.467m/s²，减振效果明显，能够满足规范对楼盖舒适度的要求，TMD平面布置图见图12。

▲ 图12 羽毛球馆TMD平面布置图

在通过改变结构布置形式提高楼板竖向刚度方法造价过高或者无法满足建筑使用功能要求的情况下，采用TMD进行减振控制，具有易于实现、构造简单、经济可靠等优点，且减振性能优良。

3.2 复杂条件下弦支穹顶结构的分析研究

羽毛球馆上方为顶层城市客厅，屋盖投影为类椭圆形，长轴跨度为50.4m，短轴跨度为42m，如图13所示；沿城市客厅周边布置8颗钢柱支承上部类椭圆形异形壳面屋盖。

▲ 图13 城市客厅屋盖轴测图

3.2.1弦支穹顶设计重难点

（1）八点弹性不均匀支承：常规的弦支穹顶直接由下部混凝土结构支承，可简化为刚性支承。而本项目弦支穹顶结构由下部8根钢柱作为支承，钢柱又由下方58.8m的大跨度桁架支承，如图14所示，长短轴方向钢柱落点不同，导致桁架对8根钢柱的支承刚度不一致，此外存在两根钢柱同时落在同一榀桁架的情况，结构支承条件较为复杂。

轴测图

平面图

▲ 图14 弦支穹顶的支承情况

（2）荷载不均匀分布：除常规的均布恒活荷载外，屋盖正交方向上布置有220kN的水箱荷载，此外还需考虑主体结构屋面与弦支穹顶之间的荷载传递即屋面构件搭接荷载，如图15所示，这对局部结构的变形及受力有较大的影响。

▲ 图15 屋面构件搭接

（3）异形壳面：屋盖为异形壳面，其投影为类椭圆形。若按常规弦支穹顶的节点分布特点，将同一圈环向节点处于同一标高，如图16所示，受异形曲面的影响，同一圈径向杆的长度相差较大，长短轴方向最外圈径向杆最大相差3.5m，造成最外圈径向索的索长以及与水平面的夹角相差较大，大大影响了索杆体系对上部网壳的支承刚度。

▲ 图16 按同一圈环向节点处于同一标高生成的网壳

3.2.2 弦支穹顶结构设计概况

整个弦支穹顶结构主要包括环桁架及竖向支承、悬挑桁架、单层网壳、索杆体系，如图17所示。

▲ 图17 弦支穹顶布置图

钢构件等级为Q355B；环向拉索采用强度等级为1670MPa的密封索，内外圈环向索截面分别为D50和D85；径向钢拉杆采用强度等级为650级的等强钢拉杆，内外圈径向钢拉杆截面分别为D40和D70；稳定索采用强度等级为1670MPa的钢丝束，截面为D22。

3.2.3 弦支穹顶结构构件验算结果如图18、19所示。

▲ 图18 非地震组合下结构应力比云图

▲ 图19 地震组合下结构应力比云图

3.3 悬挂羽毛球馆的钢桁架下弦与框架柱连接的节点形式

标高39.2m处设置4榀跨度为58.8m的钢桁架，转换支承城市客厅类椭圆形异形曲面屋盖的8颗钢柱，同时通过16根吊杆悬挂羽毛球馆主梁；钢桁架上弦杆与钢管混凝土框架柱刚接，下弦杆与钢管混凝土框架柱铰接，铰接采用2个并联销轴，销轴直径为220mm，销轴材料采用40CrNiMO钢，中间耳板厚度为100mm+2×20mm贴板，端部耳板厚度为75mm；耳板材料采用Q390GJ；框架柱截面为□1200×1200×60×60钢管混凝土柱，钢桁架下弦杆截面为□1100×800×50×50,材料均采用Q390GJ，节点大样如图20所示，计算模型如图21所示，计算结果如图22、23所示。

▲ 图20 销轴大样图

▲ 图21 销轴节点实体有限元分析模型

▲ 图22 销轴节点应力云图

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受拉

受压

▲ 图23 销轴节点混凝土损伤云图

3.4 南侧体育场馆施工加载分析

项目南侧体育馆上下叠放，从而形成大跨度钢桁架悬挂羽毛球馆，同时该钢桁架转换支承顶层城市客厅的8颗钢柱，类椭圆形弦支穹顶屋盖支承在8颗钢柱上；此区域结构受力复杂，进行了专项施工加载分析，分析结果见图24。

▲ 图24 施工加载分析各步步骤的组合变形

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▲ 施工进展照片

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项目信息

业主：深圳市南山区建筑工务署；华润（深圳）有限公司（代建）

建设地点：广东省深圳市南山区

设计单位：筑博设计股份有限公司

建筑设计：冯果川、杨晋、麦文棋、马海鑫、邓华、王瑞琪、余福军、李冠青、彭莉军、谢春、钱美琪

结构设计：汤凯峰、蔡锦晨、周鹏、陈威、李延欢

暖通设计：丁瑞星、贺志明

电气设计：汪清、吕少峰

给排水设计：朱旭、汪蕾

总建筑面积：13万m²

项目状态：在建，预计2023年12月竣工

设计时间：2019年01月-2020年9月

作者简介：

汤凯峰，1995年毕业于南昌大学工民建专业，现任筑博设计股份有限公司集团执行首席结构工程师，教授级高工，一级注册结构工程师，深圳市土木建筑学会副理事长。主要从事大跨度空间钢结构、超高层建筑结构的设计研究，近年来主要主持完成了大沙河文体中心、保利创智中心、三亚亚龙湾瑞吉酒店、深圳南方科技大学、中国医学科学院肿瘤医院深圳医院、保利华南总部大厦、万致天地商业中心等项目的结构设计，多次获得国家及广东省优秀工程勘察设计行业奖。

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由汤凯峰撰写的文章《大沙河文体中心大跨度悬挂羽毛球馆楼盖竖向振动舒适度分析及减振设计》已在《建筑结构》第52卷第3期刊登，点击此处即可查看；由汤凯峰等撰写的文章《八点弹性不均匀支承的类椭圆形弦支穹顶结构设计研究》已被《建筑结构》录用，待发表。

责任编辑：李会珍

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