广州体育馆结构设计

1、体育馆概况
指标 长轴长度（m）
短轴长度（m） 投影面积（m2 ） 上弦圆锥角 屋顶离地面高度(m) 用钢量
主场馆
160
训练馆
151.5
大众馆
140
110
12700 24.5 33.87 1766.97t 2 139kg/m2
70
7748 26 20.27 929.6t 2 120kg/m2
30
• 采用时程分析法或振型分解反应谱法计算所得的地震作用下杆件内 力均小于风荷载作用下的杆件内力。
5、屈曲分析
• 非线性屈曲分析是一种比较精确的分析方法,通过渐增荷载来寻求结构失稳 时的临界荷载。它可考虑结构的初始缺陷,几何非线性和材料非线性及间隙 等,是一种较为接近实际情况的分析方法。
•
保证下弦杆的稳定,是屋盖设计中的重点与难点。受压的辐射桁架下弦采用 交叉拉索提供下弦稳定支点，需对结构进行非线性屈曲分析，达到了解对 结构的整体性和下弦的稳定性。
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5、计算结果
主场馆辐射桁架杆件控制内力与截面 辐射桁架 上 弦 RT2~RT12 轴力 截面 -1100kN □
250X250X14
表 一 斜腹杆 竖腹杆 主檩条
下 弦 RT3~RT39 -800kN ○-○ 2ф 89X19 RT2、 RT40 -1450kN ○-○
2ф 102X19
RT30~RT40
• 4.我们根据试验提供的风压体型系数,把屋面分成几个区域,各区 • 域分别取平均值作为该区域的体型系数。 • 5.根据外表面风压体型系数的正负情况,取±0.2内风压值。 • 6.根据风洞试验的建议,在设计时考虑了风振系数1.8。
•
5、风荷载平面
5、静力分析
• 屋盖采用SAP5和ANSYS5.6两种有限元分析软件进行静力 分析。分析时共采用三种单元,杆件采用梁单元,索采用索 单元,弹性支座采用弹簧单元。计算时索先全部预加预应力, 主场馆、训练馆和大众馆分别为30kN、25kN、20kN,再分 别施加恒载、活载、风荷载,得到该种工况下的内力,而温 度则作为一种单独的活载工况施加于屋盖上,供设计时参考。 • 在恒载和满布活载作用下,辐射桁架上弦杆以受压为主,屋 盖两端部辐射桁架RT2、3、4和RT38、39、40下弦杆全部 受压,其它辐射桁架下弦杆则在靠近屋脊和环梁部分受压, 中间部分受拉。但在风荷载和半边活载共同作用下,各榀辐 射桁架下弦杆则全部受压。
主场馆钢屋盖平面
训练馆
大众馆
辐射桁架和垂直交叉索
主桁架
下 弦 节 点
4、设计特点
一、屋盖杆件布置的韵律形成很有特色的空间结构美 • 各馆中央屋脊为纵向空间桁架。 • 辐射桁架按等距沿放射放置。 • 桁架的上弦为方钢管，腹杆采用圆管，下弦由 2根 φ89（ 76）圆管组合而成， 杆件尺寸外形大小一致。 • 首次在大跨度的空间结构中使用了 800根高强度低松驰的预应力拉索作为受 压弦杆支点，拉索之间为弦杆计算长度。 • 空间结构体系整齐划一，很有特色。 二、辐射桁架上弦采用方钢管与圆钢管的直接焊接相贯节点，通过节点试验及 有限元计算比较，判明节点支管的承载力以及相贯节点是否需要加强等情况， 选用计算公式进行结构设计。下弦为两根圆钢管，在节点处与竖腹杆端的实 心圆钢棒和两根斜腹杆焊接，节点新颖，具有特点，下弦节点亦通过试验保 证设计安全。
1. 2. 3. 4. 5. 结构自重 恒载（0.3KN/m2+设备重量） 满布活载（0.3KN/m 2) 活载不利组合 2 演出灯光音响荷载 除固定灯光、中心音响外， 每节点6KN，总重750KN的不利组合 。 6. 风荷载 (根据荷载规范和风洞试验取值） 7. +（-）25 0 c温度影响 8. 水平地震按基本烈度设计，考虑竖向地震作用 9. 稳定索预应力： 主场馆：30KN; 训练馆：25KN; 大众馆：20KN. 10. 采用弹性支座：环向与径向弹性约束，竖向固定。
对体育馆主场馆屋盖进行屈曲分析时考虑了三种工况:(1)恒载+满跨活 载;(2) 恒载+上半边活载;(3)恒载+右半边活载。分析时采用线性屈曲分 析和几何非线性屈曲分析相结合的方法。 在上述三种屈曲工况下,整体屈曲模态的出现一般是在上弦先出现屈曲,继 而下弦发生失稳,屋盖有整体扭曲的趋势,且靠近屋盖端部辐射角约为45° 的辐射桁架最先出现屈曲。 从屈曲分析中可知,结构的屈曲承载力对支撑系统的依赖程度较大。若屋架 下弦没有索柔性支撑体系,结构将不足以承受使用荷载和自重而发生平面外 失稳。因此在设计时,为保证索始终处于受拉,对于主场馆、训练馆和大众 馆分别施加了30kN、25kN、20kN的预拉应力。
□ 300X300X20
5、主场馆屋盖的内力特点
• １）辐射桁架下弦以压杆控制。 • ２）主桁架上下弦杆拉压互相交错，截面以压杆控制。
• ３)环梁变形：垂直荷载下两端向内收，中部向外移；温度作用下 沿径向外移。
• ４)支座最大压力1200KN，最大水平推力350KN，支座允许径向 位移±80mm, 切向位移±55mm。 • ５)最大竖向位移：计算120mm，施工完成实测90mm.
5、辐射桁架试验目的
桁架试验要求达到以下目的: 1)验证桁架下弦用垂直交叉索约束下弦平面外稳定的可行性和安全 性; 2) 桁架支座端板在荷载作用下的稳定性，局部开孔范围及与环梁 连接处的应力情况。 3)桁架上下弦节点在结构整体中的性能。
5、辐射桁架试验方案
试验方案
1)按38轴辐射桁架做足尺试验。
-1650kN □
250X250X20
-250kN
-50kN
-1160kN
BH320X250
ф 108X12
ф 168X8
X9X14
主场馆环梁及纵向空间桁架杆件控制内力与截面 环 RT2 间、RT40 间 内力
N=4806kN T=1933kN Mx=1509kN.m My=1424kN.m Vx=347kN Vy=342kN
5、支座假定
48个弹性支座，Z向约束，X、Y向支座弹性系数5000kN/m; 6个支座仅Z向约束。
5 、 支 座
5、风洞试验情况
• 1.在各风向角下,迎风面的正风压均不会很大,但负压值较大,尤
• 其是屋脊处,负压尤为显著,最大风压系数 为-1.52。
• 2.最不利的风向角对不同屋盖不同时出现,对同一屋盖的不同部 • 位也不同时出现。对于主场馆,最不利的风向角大约90°至 • 112.5°之间。 3.设计时取风向角90°时的风压值及112.5°时的风压值作为两 种风荷载工况与其它荷载组合进行屋盖主体结构设计。
5、动力分析
• 采用ANSYS5.6程序，计算方法为时程分析法和振型分解反应谱法。 • 时程分析：选用了EL-Centro波和一条场地实测波,另外还考虑了场 地实测水平波加30%场地实测竖向波的组合。取七度基本烈度加速 度峰值,水平波地面加速度峰值为102cm/s2,场地竖向波地面加速度峰 值为70cm/s2,地面脉动平均卓越周期0.27s 。设计时杆件内力取各条 波计算结果的大值。
2)试验采用上下水平拉杆加载方式。 3)垂直交叉索采用工程施工钢索，一端张拉锚具。
4)钢索的初始张力按设计要求控制在25～50kN，在加载试验过程中，调整使 钢索张力不小于15kN，保证索不退出工作。
5)正式试验加载分26级，最大加载值为2550kN。
5、辐射桁架试验结论
• 1、桁架端板在试验荷载作用下是稳定的，不会产生失稳状态。
• 振型分解反应谱法：对于大规模的空间结构,屋盖自由度很多,计算时 先采用Block Lanczos法求出前108阶振型,然后用CQC法耦合得到地 震反应。输入的反应谱为地震反应谱,地震影响系数α借鉴《高层民 用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)的α曲线确定,αmax取七度基本 烈度所对应的值。
6.主桁架改用圆钢管，采用相贯节点。
3、广州体育馆的屋盖设计安全度
• 1. 结构设计安全等级一级。 • 2. 按七度基本烈度抗震设防。 • 3. 荷载 • (1) 风荷载： • 基本风压0.45，重要性系数1.2， • 体型系数取考虑内压的风洞试验值，风振系数1.8。 • (2) 垂直荷载： • 恒载：0.3kN/m2 (包括屋面板、檩条、吸音器等)； • 活载：0.3kN/m2（按满跨均布和半跨均布分别考虑）； • 固定设备重量（包括广播音响、灯光、马道等）； • 演出灯光音响每节点6kN，总重约750kN； • (3) 温差：±250C
3、广州体育馆的屋盖设计安全度
• 4.索设计安全系数为2.5～3 。 • 5.钢结构屋盖防火等级为一级，采用薄型喷涂 金属防火涂料，根据消防设计审核意见书防火 耐火时间为0.5小时 。 • 结论： • 广州体育馆的屋盖设计经过建委的支持，专家 的指导 ，依据实事求是的科学态度，改进和完 善了原结构受力体系，结构构件的设计符合我 国设计规范，屋盖的设计是安全的。
表 二 主桁上弦 N=-2310kN 主桁上弦端部 N=-1340kN
梁 其余区段
N=-4679kN T=70kN Mx=904kN.m My=-193kN.m Vx=-56kN Vy=-192kN
主桁下弦 N=-1755kN
截面
□ 650X1200X32
□ 650X1200X20
ф 273X12
ф 273X14
2722 36 14.95 420.36t 154kg/m2
2
2、设计过程
1. 广州体育馆设计方案通过国际招标，由法国巴黎机场 公司(ADP)建筑师Paul.Andaeu中标，并负责完成方案 设计、初步设计。
2. 广州市设计院负责配合初步设计和施工图设计。 3. 1999年3月初步设计审查。 4. 1999 年 6 月组织空间结构专家对体育馆钢结构屋盖进 行技术审查。
• 五、钢索采用镀锌高强度低松驰预应力钢铰线，强度标准 值fptk=1670Mpa， 单根钢铰d=15(7φ5)，外挤包白色高密度聚乙烯。施工前对索的分批张拉相互 影响模拟计算出每根的张拉力，根据计算值采用对称张拉原则施工。对索施 加20~40kN预应力，使索保持30kN左右的拉力，不退出工作。
5、计算荷载、参数
2、屋盖设计问题
1. 辐射桁架平面外稳定及计算长度问题 ，采用 斜交拉索作为侧向稳定支点无规范依据 。 2. ADP 提供辐射桁架部分上弦，特别是下弦的 截面不满足平面内、外稳定计算。 3. 4点约束支座的反力相当大，下部设计相当困 难。
2、对初步设计改进内容
1. 主檩条位置增设环向桁架垂直交叉索。 2. 辐射桁架下弦由2-φ70 实心圆棒改为2-φ89×19 （2-φ102×19）圆管。 3.节间平面内长度由3300改为2500。 4.支座除四个端支座外其余采用弹簧刚度明确的球型减震支座。 5.根据计算结果，部分加大原设计的截面厚度。
4、设计特点
• 三、体育馆所有的辐射桁架，均支承在一道0.65X1.25m的箱形钢环梁上，而 钢环梁的支座为垂直、环向约束，径向具有弹簧刚度的球形减震支座，弹簧 刚度由弹簧钢板制成，并由其将屋盖的水平推力和垂直力传递到下部剪力墙。 该支座的设计及使用亦为国内第一例。 • 四、首次在大跨度的空间结构中将稳定索参与共同计算，与辐射桁架、主桁 架一起形成良好的空间受力体系。屋盖上弦面沿周边设环向水平交叉索和四 道径向水平交叉索，辐射桁架间每隔10米设一道环向垂直交叉索，上弦水平 拉索及下弦垂直交叉拉索组成屋盖的柔性支撑体系。通过对屋盖的非线性屈 曲分析，整体弹性计算，整榀桁架试验确定索的张拉力及控制张拉索力差。
1. 功能：广州体育馆是为“九运会”而兴建的大型体育设施， 以举办包括国际室内田径赛在内的各种体育比赛为主，同时 能兼顾大型演唱会、文艺演出、展览会等。
2.
主场馆建筑面积约40000m2 ，馆内设包厢24间，座位10018座；
3. 训练馆建筑面积约20000m2，馆内设练习场、游泳场、学术交 流厅等； 4. 大众活动中心建筑面积约9000m2，馆内设体育娱乐场。
广州体育馆结构介绍
广州市设计院
广州体育馆夜景
主场馆
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训练馆
大 众 馆
主场馆
训练馆
大众馆
剖面图
纵剖面图
室内
室内
室内
介绍内容
• • • • • • 1、体育馆概况 2、对初步设计的改进 3、屋盖设计的安全度 4、设计特点 5、设计计算及试验 6、屋架施工的基本情况
1、体育馆概况