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【摘要】成都凤凰山专业足球场屋盖采用大开口索穹顶结构，覆盖材料为ETFE膜材，主体结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，对重要竖向构件采用型钢混凝土进行加强。
针对整体结构和构件的重要性，制定了合理的抗震性能目标，通过细致的抗震性能化设计使结构达到预期的抗震性能目标。
对大开口索穹顶结构的构成、主要构件截面尺寸及其强度和刚度做了介绍，采用有限元法分析设计了典型、复杂的大开口索穹顶节点，确保了节点安全合理。
对大开口索穹顶结构进行了抗连续倒塌分析，确保在偶然工况下结构具备抗连续倒塌的能力。
通过合理设计，大开口索穹顶结构具有轻盈高效跨越大空间的性能优势，同时具备良好的抗震性能和抗连续倒塌能力。
成都体育公园
体育公园夜景
足球场内景
1 工程概况
成都凤凰山体育中心位于金牛区北部新城杜家碾片区，项目总建筑面积约45.6万m2，由可容纳5.8万人的大型甲级专业足球场、1.8万座特大型甲级体育馆和连接足球场与体育馆的天府俱乐部共三个结构单体组成，建筑效果如图1所示。本文主要介绍专业足球场的结构设计。
图1 成都凤凰山体育中心项目整体建筑效果图
专业足球场的平面投影形状为椭圆形，南北向长轴直径279m，东西向短轴直径234m，屋盖的建筑造型是一个单轴对称曲面，北高南低，最高点建筑标高64.000m，最大高差约10m。
主体结构地上6层，地下1层。混凝土看台最高点标高31.2m，7m大平台以上平面尺寸242m(长轴)×202m(短轴)。
屋盖罩棚最大悬挑长度64m，最小悬挑长度55m，是集大跨和高层为一体的民用建筑。
足球场共设3层看台。下层为约2.6万座的低区看台；中间层为贵宾包厢看台，约2000座；上层为约2.1万座的高区看台；活动看台布置于上层固定看台后部，座席数约9000座，如图2～4所示。
图2 足球场东西向剖面图
图3 足球场南北向剖面图
图4 足球场平面图
足球场结构安全等级为一级，设计使用年限50年，抗震设防类别为重点设防类(乙类)，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g(考虑近场系数1.5)，设计地震分组为第三组，建筑场地类别Ⅱ类。
根据岩土工程勘察报告，本工程位于蒲江-新津-成都-新都隐伏断裂带附近约300～400m。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(2016年版)，地震动参数应计入近场影响，设计中考虑近场系数，即地震作用乘以增大系数1.5。
本工程基础以稍密卵石层作为持力层，基础形式为柱下独立基础加抗水底板，剪力墙筒体下设局部筏板，采用抗浮锚杆作为地下室结构的抗浮措施。
2 足球场结构体系
足球场主体结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，利用周边环向布置的12个楼电梯间和设备管井构成剪力墙筒体，与主体框架形成多道抗震防线。
典型柱网尺寸：7.2m×9m，9m×10m，13m×16.3m等；
典型柱截面：SRC1300×1800，SRC1200×1200，SRC1000×1300，SRC900×900，RC900×1200，RC900×900；剪力墙厚度600～800mm；
典型梁截面：400×800～600×1500。
一层楼板厚180mm，二层楼板(7.000m标高平台)厚150mm，二层以上各楼层板厚120mm；看台板厚80mm。
足球场屋盖平面近似为椭圆形，南北向约为279m，东西向约为234m，屋盖罩棚最大悬挑长度64m，最小悬挑长度55m。
足球场屋盖覆盖材料内圈区域为ETFE膜材，外圈区域为金属材料。结构选型根据建筑要求，在内圈膜材区域采用大开口索穹顶结构体系来表现通透轻盈的建筑效果，在外圈金属材料区域采用双层网架结构，该网架结构同时作为大开口索穹顶的边缘构件，网架平均宽度27m，大开口索穹顶宽度46m，如图5所示。
图5 足球场屋盖结构平面图
内圈膜材区域的大开口索穹顶结构设2圈环索，每圈设40道撑杆，撑杆最大高度约14m。大开口索穹顶结构外圈与作为压环的钢网架连接，内圈设有三角形立体拉环桁架。支承屋盖的钢柱下端铰接于混凝土看台结构上，外圈立面钢柱下端铰接于7.000m标高混凝土结构上。大开口索穹顶拉索全部采用1670级密闭索，撑杆和内环桁架采用圆形钢管，材质为Q420B或Q355B。
屋盖大开口索穹顶结构体系由三部分组成：
第一部分外环网架(图6)，
图6 外环网架
第二部分葵花形索穹顶(图7)；
图7 葵花形索穹顶
第三部分内环桁架(图8)。
图8 内环桁架
屋盖结构构成如图9所示，屋盖索穹顶结构施工照片见图10。
图9 足球场屋盖结构构成图
图10 屋盖大开口索穹顶结构施工实景
屋盖大开口索穹顶结构在1.0恒载+1.0活载作用下最大竖向位移为－388mm(挠跨比1/165)，在1.0恒载+1.0风吸荷载作用下最大竖向位移为323mm(挠跨比1/198)，两种工况最大位移均发生在东西侧内环受拉钢桁架边缘处，计算结果表明结构具有较好的刚度。
屋盖钢结构典型构件截面尺寸及应力比详见表1，索最大应力小于0.5倍破断力，主要钢杆件应力比小于0.75，显示屋盖索穹顶结构具有足够的安全度。
3 结构超限与抗震性能目标
足球场结构局部楼层考虑偶然偏心的扭转位移比超过1.4，屋盖罩棚采用大开口索穹顶结构形式，悬挑长度64m(大于40m)，属于结构不规则的大跨超限结构。
综合结构不规则的情况以及建筑功能与规模，足球场结构的抗震性能目标确定为C级。
各类构件的抗震承载力性能设计要求详见表2。
表2中关键构件为底部加强区框架柱、混凝土斜看台短柱、直接支承屋盖的钢柱、索穹顶环索和内环桁架弦杆、网架中与索穹顶结构相连弦杆。
4 结构抗震计算分析
4.1 结构整体计算
采用SAP2000，MIDASGen软件建立主体混凝土结构和屋盖钢结构总装整体模型进行静力及弹性地震反应谱分析，计算模型如图11所示。
图11 足球场整体结构三维计算模型
结构整体模型阻尼按各种材料的阻尼比输入，混凝土、钢结构和拉索三种材料的阻尼比分别为0.05，0.02和0.01。
主要计算结果对比如表3所示。可见，各软件计算结果接近，模型计算结果可靠，整体结构具有良好的抗侧刚度与抗扭刚度。
4.2 多遇地震弹性分析
采用SAP2000软件对结构进行多遇地震作用下反应谱和弹性时程分析。选择5条天然波和2条人工波用于小震弹性时程分析，7组地震波主方向的地震响应系数曲线如图12所示。
图12 多遇地震响应系数曲线比较
由图12可知，7组地震波主方向的反应谱与规范设计反应谱在结构主要振型的周期点上，影响系数相差均小于20%，7组地震波频谱特性满足要求。
结构基底剪力与反应谱分析结果对比如表4所示。
图13 多遇地震作用下X向最大层间位移角(SAP2000)
图14 多遇地震作用下Y向最大层间位移角(SAP2000)
由图13和图14可知，在各条地震波作用下，多遇地震弹性时程分析所得的钢筋混凝土结构X，Y向最大层间位移角平均值分别为1/2359，1/2063，均远小于弹性位移角限值1/800，最大层间位移角分布规律一致，计算模型具有很好的一致性，满足多遇地震下结构性能目标。
4.3 罕遇地震弹塑性时程分析
采用SAP2000及ABAQUS软件进行罕遇地震弹塑性时程分析，考察在罕遇地震作用下结构弹塑性的发展历程和构件的损伤程度，并对构件能否达到预期性能目标进行校核。
图15 罕遇地震作用下X向最大层间位移角
图16 罕遇地震作用下Y向最大层间位移角
图15，16为结构在罕遇地震作用下的最大层间位移角。
SAP2000计算结果为：X向主激励时最大层间位移角平均值为1/421，Y向主激励时最大层间位移角平均值为1/423；ABAQUS计算结果为：X向主激励时最大层间位移角平均值为1/333，Y向主激励时最大层间位移角平均值为1/266。
两种软件计算结果均远小于限值1/100，表明在罕遇地震作用下，结构构件出现了不同程度的损坏，产生了一定的塑性变形，但是整体变形较小，能保证结构大震作用下不倒塌。
图17 墙肢混凝土受压损伤
图18 墙肢钢筋等效塑性应变
剪力墙最不利墙肢的受压损伤如图17，18所示，剪力墙混凝土最大压应力约为9MPa，远小于其抗压强度标准值fck=38.5MPa，剪力墙底部拉应变已经大于混凝土开裂应变1.15×10－4，但墙体钢筋的拉应力均较小，钢筋最大拉应力为130MPa，小于屈服强度标准值fyk=400MPa。
ABAQUS分析结果显示，底部剪力墙的受压损伤因子约0.5，墙体钢筋个别位置的塑性应变值达到0.02左右，其余部分均未发生塑性变形。综上，在基底剪力最大时刻，剪力墙钢筋基本处于未屈服状态，剪力墙整体损坏较轻。
框架柱、梁的混凝土受压损伤以及钢筋的等效塑性应变如图19～22所示。
图19 框架柱混凝土受压损伤
图20 框架柱钢筋等效塑性应变
由图19，20可知，罕遇地震作用下部分斜看台框架柱进入屈服状态，低区柱底出铰。ABAQUS分析得出框架柱损伤因子约0.1，属轻微损伤。支撑屋盖的框架柱未出现屈服，能够保证屋盖的安全。
图21 框架梁混凝土受压损伤
图22 框架梁钢筋等效塑性应变
由图21，22可知，罕遇地震作用下大量框架梁已受弯屈服，最大损伤因子在0.7左右，框架梁起到了耗能作用。
5 关键节点计算分析
采用通用有限元软件ANSYS对屋盖索穹顶结构关键节点进行实体有限元弹塑性分析。
5.1 径向索与外环网架弦杆的连接节点
径向索与外环网架弦杆连接节点荷载-位移曲线如图23所示。
图23 径向索与外环网架弦杆连接节点荷载-位移曲线
1倍控制工况下，径向索与外环网架弦杆连接节点应力及应变图分别见图24，25。
图24 径向索与外环网架弦杆连接节点应力图/MPa
图25 径向索与外环网架弦杆连接节点应变图
从图23中可以看出，该节点的极限承载力约为2.2倍的控制工况荷载，表明该节点具有足够的安全储备。从图24，25中可以看出，在1倍控制工况下，节点处于弹性状态，最大应力178MPa，出现在外环网架弦杆外侧。
5.2 径向索与内环桁架弦杆的连接节点
径向索与内环桁架弦杆连接节点荷载-位移曲线如图26所示。
图26 径向索与内环桁架弦杆连接节点荷载-位移曲线
1倍控制工况下，径向索与内环桁架弦杆连接节点应力及应变图分别见图27，28。
图27 径向索与内环桁架弦杆连接节点应力图/MPa
图28径向索与内环桁架弦杆连接节点应变图
从图26中看出，该节点的极限承载力约为2.5倍的控制工况荷载，表明该节点具有较大的安全储备。
从图27，28中看出，在1倍控制工况下，节点处于弹性状态，大部分区域应力在200MPa以下，最大应力324MPa出现在内环桁架弦杆内侧。
5.3 撑杆上端与脊索的连接节点
撑杆上端与脊索的连接节点荷载-位移曲线如图29所示。
图29 撑杆上端与脊索的连接节点荷载-位移曲线
1倍控制工况下，撑杆上端与脊索的连接节点应力及应变图分别见图30，31。
图30 撑杆上端与脊索的连接节点应力图/MPa
图31 撑杆上端与脊索的连接节点应变图
从图29中看出，该节点的极限承载力约为2.6倍的控制工况荷载，表明该节点有较大的安全储备。
从图30，31中看出，在1倍控制工况下，节点处于弹性状态，大部分区域应力在200MPa以下，最大应力值296MPa出现在销轴孔侧壁位置。
6 屋盖抗连续倒塌分析
足球场屋盖采用大开口葵花形索穹顶结构，需通过拉索施加预应力来建立结构并抵抗外荷载，因此拉索在整个结构体系中起着重要作用，若任何一根拉索失效引起结构倒塌将带来严重的后果。因此通过ANSYS软件，采用拆除构件法，分析结构在断索情况下的抗连续倒塌性能。结构断索位置如图32所示。
图32 断索位置示意图
分别计算分析了断西南侧上脊索、南侧下斜索两种情况，计算结果如图33～38所示。
由图33，35，36可知，在西南侧断1根上脊索后，局部索穹顶在水平方向产生了较大的水平变形，振动停止后，结构的最大水平变形为1.3m，相邻上脊索径向索断索全过程最大应力为463MPa，小于索的最小破断应力1670MPa。断索过程撑杆内力减小、环索内力基本不变。
图33 断西南侧上脊索结构最大变形云图/m
图35 断西南侧上脊索相连撑杆轴力时程/kN
图36 断西南侧上脊索相邻脊索轴力时程/kN
由图34，37，38可知，南侧断1根下斜索时，除相邻索内力有波动外，其余构件内力基本无变化。断索全过程相邻下斜索最大应力1142MPa，振动停止后该斜索应力为952MPa，小于索的最小破断应力1670MPa。弦杆最大应力为238MPa，小于钢材的屈服强度，断索区域结构最大变形为0.234m。
图34 断南侧下斜索结构最大变形云图/m
图37 断南侧下斜索相邻环索轴力时程/kN
图38 断南侧下斜索相邻下斜索轴力时程/kN
以上计算分析表明，结构整体性较好，偶然事件导致的局部构件失效不会引起结构连续倒塌。
7 结论
(1)成都凤凰山专业足球场屋盖采用大开口索穹顶结构，覆盖材料采用ETFE膜材。大开口索穹顶结构是由连续拉索和不连续压杆组成的空间整体张拉结构，可以充分发挥拉索的高强特性，轻盈高效地跨越大空间。
(2)主体结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，重要竖向构件采用型钢混凝土结构，具备多道抗震防线。通过性能化设计，结构能达到在不同地震水准作用下的抗震性能目标。
(3)对索穹顶结构中典型和复杂的节点采用实体有限元分析，并以此为依据优化各类节点构造，确保所有节点在最不利工况下均安全、合理。
(4)对屋盖索穹顶结构进行了抗连续倒塌分析，分别针对不同位置的斜索和脊索发生突然断索的工况进行了动力时程分析。分析结果表明，结构的整体性较好，偶然事件导致的局部构件失效不会引起结构连续性倒塌。
本文转自《建筑结构》——成都凤凰山专业足球场结构设计，作者冯远，王立维；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！