扬州体育公园游泳跳水馆屋盖结构设计

李建伟，等：扬州体育公园游泳跳水馆屋盖结构设计

扬州体育公园游泳跳水馆屋盖结构设计

李建伟 张进军 赵 勇 余卫江

（中建国际（深圳）设计顾问有限公司，广东深圳５１８０４８）

摘 要：扬州体育公园游泳跳水馆是双向钢桁架、索桁架、单层网壳、膜结构等多种结构杂交的工程。主要介绍该

工程结构设计中的一些关键技术问题，包括结构构成、荷载取值、屈曲分析、索桁架设计、总装分析、施工模拟及结

构的关键节点设计等。

关键词：索桁架；单层网壳；施工模拟；总装分析

ＲＯｏＦ ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ ＤＥＳＩＧＮ ｏＦ ＮＡＴＡＴＯＲＩＵＭ ＩＮ ＹＡＮＧＺＨｏＵ ＳＰＯＲＴＳ ＰＡＲＫ

Ｌｉ Ｊｉａｎｗｅｉ Ｚｈａｎｇ ｄｉｎｊｕｎ Ｚｈａｏ Ｙｏｎｇ Ｙｕ Ｗｅｉｊｉａｎｇ

（Ｃｈｉｎａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ（Ｓｈｅｎｚｈｅｎ）Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０４８，Ｃｈｉｎａ）

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ ｎａｔａｔｏｒｉｕｍ ｉｎ Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｓｐｏｒｔｓ Ｐａｒｋ ｉｓ ａ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａ１ ｐｒｏｊｅｃｔ ｈａｖｉｎｇ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒａ１

ｐａｔｔｅｒｎｓ ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｔｗｏ—ｗａｙ ｓｔｅｅｌ ｔｒｕｓｓｅｓ，ｃａｂｌｅ ｔｒｕｓｓｅｓ，ｓｉｎｇｌｅ ｌａｙｅｒ ｎｅｔ ｓｈｅｌｌ，ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｔｃ．Ｔｈｉｓ

ａｒｔｉｃｌｅ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｏｍｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ

ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，ｖａｌｕｅ ｏｆ ｌｏａｄ，ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｕｃｋｌｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃａｂｌｅ ｔｒｕｓｓ，ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ

ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａ１ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｎｏｄｅｓ，ｅｔｃ．

ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｃａｂｌｅ ｔｒｕｓｓ；ｓｉｎｇｌｅ ｌａｙｅｒ ｎｅｔ ｓｈｅｌｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｓｓｅｍｂｌｙ

１概况

的平面外稳定。南北向桁架上弦采用方钢管，主要

扬州体育公园游泳跳水馆位于扬州市文昌西路

截面为口３５０Ｘ ３５０×１６Ｘ１６、口３００×３００×１２×１２、

北侧、北外环路东南侧，坐落在扬州体育公园内。建 口２００Ｘ ２００×８Ｘ ８；南北向桁架下弦、东西向桁架弦

筑面积约１５ ５００ ｍ ，游泳馆建成后可容纳１ ０００位 杆及所有腹杆采用圆钢管，主要截面为 ３５１ Ｘ ２Ｏ、

观众。整个项目地形狭长，处于与文昌西路高度差

，／，２０３×１０、 １Ｏ８×５。图２为屋盖结构三维示意。

为１５ ｍ的楔形坡地上，设计充分利用原有的地形

地貌特点，将整个建筑嵌入坡地之中。顶部采用透

光膜结构设计，建筑效果见图１。

图２屋盖结构三维不意

图１建筑效果

左侧“天窗”东西向长约５７．９ ｒｎ，南北向长约

２ 结构构成

３２．９ ＩＴＩ，结构体系为单层网壳支撑膜结构。网壳高

扬州体育公园游泳跳水馆钢结构屋盖东西向长

度８ ｍ，矢跨比０．２４，网格间距３～４．９ １２１；右侧“天

１３５．５ ｍ，南北向宽７１．７ ｍ，最大悬挑长度１５．４ ｍ，

窗”东西向长约５５．４ ｍ，南北向长约３０．４ ｍ，结构

结构高９～１９ ｉｎ。整个屋盖支承在下部混凝土柱或

体系为索桁架支撑膜结构。图３为左、右侧桁架剖

墙上，下部混凝土结构体系为框架结构，柱网间距

面。

９ ｍ。主屋盖采用双向正交平面桁架结构。主屋盖

中部设２个膜结构的“天窗”，主桁架按柱网布置，问

第一作者：李建伟，男，１９７３年出生，高级工程师。

Ｅｍａｉｌ：ｌｉ．ｊｉａｎｗｅｉ＠ｃｃｄｉ．ｃｏｉｎ．ｃｎ

距９ Ｉｎ。在主桁架之间布置次桁架，以保证主桁架

收稿日期：２０１１—０７—１２

Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１１（１２），Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．１５３ ３３

工程设计

的连接为三向固定铰支座。ＳＡＰ ２０００（Ｖｅｒｓｉｏｎ

１１．０）中的Ｃａｂｌｅ单元是悬链线单元，对结构进行

Ｐ一△大变形分析时，可以较为精确地模拟索的非线

性特性，故本文采用ＳＡＰ ２０００中的Ｃａｂｌｅ单元来模

拟索。

通过计算可知，索桁架的频率分布密集，前８阶

ｂ

振型均为索桁架竖向振动，第９阶为主体钢结构振

型，周期为０．３９ Ｓ，腹部反对称竖向振动。第１５阶

ａ一左侧．ｂ一右侧

ｌ一左侧单层网壳；２一抗震球形支座；

３一右侧索桁架；４一混凝土墙

图３左、右侧主桁架剖面示意

振型为主体钢结构第２阶振型，屋盖整体对称上下

振动，周期为０．３７ Ｓ。前１００阶振型中未出现主体

钢结构的局部振动模态，可见整个结构的质量和刚

度分布较均匀，没有出现明显的薄弱部位。图４为

主体钢结构第９、第１５阶振型。

３设计标准及荷载

建筑结构安全等级为二级；设计使用年限５Ｏ

年；结构重要性系数７。一１．０；建筑结构抗震设防类

别为丙类；基础设计等级为甲级；混凝土结构框架抗

震等级为二级。

钢结构桁架在永久和可变荷载标准值下挠度控

制值为Ｌ／４００（悬挑端Ｌ／２００）；屋盖主体钢结构竖

向自振频率控制为不小于２．５ Ｈｚ；杆件最大组合设

计应力比不大于０．９５；受压和压弯杆件长细比小于

等于１５０；受拉和拉弯杆件长细比不大于３００＿１］。

３．１重力荷载

根据建筑功能不同，屋面重力荷载分为３个区

域，一个区域为种植屋面，上覆４５０ ｍｍ厚营养土，

恒载９．０ ｋＮ／ｍ。，活载３．０ ｋＮ／ｍ ；一个区域为普通

上人屋面，恒载５．０ ｋＮ／ｍ ，活载３ ０ ｋＮ／ｍ。；另一

个区域为膜屋面，不上人，恒载０．２ ｋＮ／ｍ ，活载

０．５ ｋＮ／ｍ。。马道恒载按４ ｋＮ／ｍ 考虑，活载按

ａ一第９阶；ｂ一第１５阶

图４主体钢结构

２ ｋＮ／ｍ 考虑。膜材张拉力按２ ｋＮ／ｍ作为恒载水

平作用于周边钢桁架。

３．２地震作用

图５为屋面在最不利荷载工况标准组合（恒载＋

右半跨活载）下屋盖主体钢结构的竖向位移，其中位

移最大值为６６．７ ｍｍ，可满足控制要求。由计算可

知，所有构件在各种组合工况下的应力比均控制在

０．９以下。

扬州地区抗震设防烈度为７度，地震基本加速

度为０．１５ｇ，场地土类别为Ⅱ类，特征周期０．３５ Ｓ。

３．３ 雪荷载

钢结构屋面雪荷载取０．４ ｋＮ／ｍ。（１００年一

遇）。“天窗”周边考虑雪堆积，按２ ｋＮ／ｍ考虑。

３．４风荷载

风荷载按荷载规范取值。基本风压０．３５ ｋＮ／ｒＩ１２

（１００年一遇），地面粗糙度Ｂ类，风振系数取１．５。

－

８８ －６４ －４０ －１６ １６

４结构计算分析

钢结构屋盖采用ＳＡＰ ２０００（Ｖｅｒｓｉｏｎ １１．Ｏ）计

图５恒载＋右半跨活载下的竖向位移 ｍｍ

李建伟，等：扬州体育公园游泳跳水馆屋盖结构设计

４．１ 线性屈曲分析

限雪荷载系数为２２．３。

以索桁架在自平衡初始状态的刚度为起始刚

度，用ＳＡＰ ２０００软件进行Ｂｕｃｋｌｉｎｇ模块分析，得到

以下结果：前１２阶模态均为索桁架屈曲模态，第１３

圈

阶模态为主体钢结构失稳模态，线性屈曲系数为

糖

９．９７，模态为主桁架局部平面外振动。

４．２非线性屈曲分析

采用ＡＮＳＹＳ对结构进行非线性屈曲分析。刚

性构件方钢管、圆钢管用Ｂｅａｍ ４４单元模拟，桁架

图７第２种加载模式Ｆ最大位移点的

腹杆释放节点旋转自由度；索用Ｌｉｎｋ １０单元模拟，

荷载一位移关系曲线

索结构预设拉力用初应变法，通过找形荷载步，使结

构达到自平衡状态。混凝土墙体用Ｓｈｅｌｌ ６３单元模

５索桁架设计

拟。考虑材料为弹性，结构为几何非线性，用Ｎｅｗ—

索桁架东西向长约５５．４ ｍ，南北向宽３０．４ ｍ，

ｔｏｎ—Ｒａｐｈｓｏｎ方法对结构进行迭代求解 ］。

上覆ＰＴＦＥ薄膜。索桁架采用鱼腹形，顺钢桁架布

对主体钢结构和单层网壳按照以下两种模式加

置。根据受力特性，短向索桁架为主受力索，长向设

载，对结构进行非线性分析，求出单层网壳非线性因

置构造索，将各榀索桁架连接起来，确保每榀受力索

子。第１种加载模式即结构整体按照“１．０恒载＋

的平面外稳定，提高整体结构的纵向稳定性。索体

１．０活载”比例加载；第２种加载模式即在１．０恒载

采用预应力平行钢丝索，抗拉强度１ ６７０ ＭＰａ，弹性

加载完成后，按照雪荷载工况进行比例加载。

模量１．９０×１０ ＭＰａ。主受力索为５５根（｝５的钢丝

图６为第１种加载模式下最大位移点的荷载一

束，截面积１ ０８０ ｍｍ ，稳定索为７根 ５的钢丝束，

位移关系曲线。

截面积１３７ ｍｍ２［ 。

索桁架的刚度由预应力提供，在没有预应力的

情况下，索桁架不能成型。索桁架的外型和内力极

为相关。根据结构初始几何形状确定形成一定刚度

圈

踅

的初始预应力是首要解决的问题。本工程按照建筑

形态，经多次试算，形成如图８所示索桁架三维图，

图９为典型受力索立面。索拉力对结构的刚度、承

位移／ｒｎｍ

载力等起决定性的作用。索拉力同时与外荷载及边

一一阶模态缺陷；—一二阶模态缺陷；— 三阶模态缺陷

界刚度有关，具有非线性特性，所以索结构分析设计

图６第１种加载模式下最大位移点的

中对索力控制非常重要＿４］。

荷载一位移关系曲线

从计算结果来看，３种缺陷对结构极限承载力

影响很小，结构并没有出现网壳的整体失稳，而是在

主体钢结构悬挑较大端和单层网壳迹线较长的构件

处出现了最大位移。结构为主体钢结构受弯机制的

破坏形态而非一般单层网壳轴向力为主的破坏形

态，所以荷载～位移曲线呈现缺陷不敏感的特性。

图８索桁架三维示意

考虑初始缺陷后结构的非线性屈曲系数为９．６＞５，

满足规范要求。

图７为第２种加载模式下最大位移点的荷载一

位移关系曲线。单层网壳极限雪荷载的荷载一位移

曲线呈现极值型失稳形态。由于主体钢结构承受雪

荷载比较小，此时仍未达到极限承载力，结构极限状

图９典型受力索立面示意

态为单层网壳整体失稳。从图中可知，单层网壳极 采用ＳＡＰ ２０００（Ｖｅｒｓｉｏｎ １１．０）及ＡＮＳＹＳ两

工程设计

种软件进行计算。利用ＳＡＰ ２０００中的Ｃａｂｌｅ单元

来模拟索。ＡＮＳＹＳ模型中索采用非线性单元Ｌｉｎｋ

１０模拟。计算结果表明，两种软件结果相近。

对短向索桁架下弦预设７００ ｋＮ拉力，上弦预

设１０ ｋＮ拉力。由计算可知，由于结构整体变形及

索桁架边界刚度的有限性，受力索下弦发生了预应

力损失，并通过结构的自平衡将一部分预应力值传

到受力索上弦，在此荷载步结束时，受力索上下弦索

力变化均处在直线段，说明索未出现松弛。模态分

析时，采用附加恒载作用时的结构刚度；质量按

图１１整体结构三维计算模型（含面单兀）

上部钢结构设计按单独钢结构和总装双控，总

装后对上部钢结构进行校核，结果所有杆件均满足

规范要求。与单独取钢结构模型相比，总装模型钢

结构屋盖位移有所增大，但均满足位移控制要求。

混凝土收缩和徐变是混凝土的固有特性，会产

生结构非荷载变形，为考虑收缩和徐变的影响，在总

１．０恒＋０．５满跨均布活荷载换算。从索桁架前

１００阶振型周期可以看出：索桁架振型密集，钢屋盖

前８阶振型均为索桁架振动，第１振型自振周期

０．５１ Ｓ，为竖向振动（图１０），说明索桁架具有足够刚

度。在“恒载＋活载”标准荷载组合作用下，索桁架

最大位移２０ ｍｍ。在“１．３５恒载＋０．９８活载”组合作

用下最大索拉力４９３ ｋＮ，应力４５６ ＭＰａ。

装模型中采用将下部混凝土刚度退化５Ｏ 来近似

模拟。根据计算可知，混凝土刚度退化后，振型参与

质量略有增大，钢结构屋盖竖向最大位移有所增大。

７施工模拟分析

施工模拟计算分析是大跨结构设计中一个十分

重要的步骤。通过基本符合施工过程的模拟分析，

有助于把握施工全过程直至最后进入正常使用时结

构的应力水平、变形水平，有利于避免因施工措施不

图１０第１阶索桁架振型

当造成的结构损伤，也有利于施工全过程的结构质

量检测控制。

本工程共分为钢结构桁架、左侧“天窗”单层网

６总装分析

扬州体育公园游泳跳水馆为上部大跨空间钢结

构支承于下部钢筋混凝土柱的结构，上、下部结构

李建伟，等：扬州体育公园游泳跳水馆屋盖结构设计

制在６０ ｍｍ以内，保证拉索张紧的同时，避免钢桁 向地震＋０．５竖向地震－４－Ｏ．２８风载）作用下，计算得到的

架内产生过大应力。当所有恒荷载完成后，索桁架

反拱值控制在４５ ｍｍ以内。

２）控制索桁架竖杆水平位移，当所有恒荷载完

成后，竖杆水平位移不得大于Ｌ／３００。

Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力云图（最大应力为１０８．６ ＭＰａ）。图１３为

索桁架与主体钢结构相交处典型节点最不利荷载组合

（１．２恒载４－１．４活载）作用下，计算得到的Ｖｏｎ Ｍ￣ｓｅｓ应

力云图（最大应力１５３．１ ＭＰａ）。计算结果表明，上述节

３）施工过程中的关键在于结构形状控制，控制 点应力远未达到屈服应力，满足设计要求。

好结构变形，即可保证索桁架有足够的刚度，整体变

形较小。施工模拟计算按此目标，确定索的预拉力。

张拉索时，需严格按照张拉力进行控制，张拉的整个

施工过程中，尤其是拉索张拉过程中，需要监测拉索

中的应力和应变、各层结构控制点的竖向变形。研

究监测结果可对拉索设计张拉力进行适当调整＿５］。

８ 节点分析

注：图注同图１２。

扬州体育公园游泳跳水馆单层网壳、索桁架与

主体钢结构相交处受力复杂，杆件汇交多，设计采用

铸钢节点，共计１３４个。铸钢件材料牌号采用

６ｌ ９

图１３典型节点应力云图（１．２恒载＋１．４活载）ＭＰａ

“““ ５¨ ５２Ｏ６ｌ５ 冒研 ｎ阿盯目目口珂Ｉ 椰

９ 结 语

Ｇ２０Ｍｎ５Ｎ，屈服强度３００ ＭＰａ。采用ＡＢＡＱＵＳ

扬州体育公园游泳跳水馆是双向钢桁架、索桁

架、单层网壳、膜结构等多种结构杂交的工程，受力

６．５．１软件对铸钢节点进行弹塑性极限承载力分

析。图１２为单层网壳与主体钢结构相交处典型节

点在最不利荷载组合（１．２恒载＋０．６活载＋１．３Ｙ

＋１０８

复杂。本工程对结构构成、荷载取值、屈曲分析、索

桁架设计、总装分析、施工模拟及结构关键节点的设

一．６

注：图中１，２，３代表节点局部坐标。

图１２典型节点应力云图（１＿２恒载＋０．６活载＋

１．３Ｙ向地震＋０．５竖向地震＋０．２８风载） ＭＰａ

计所做的研究，可供其他同类工程参考。工程已于

２０１１年３月通过竣工验收。

参考文献

［１］ＧＢ ５００１７—２００３钢结构设计规范［ｓ］．

［２］董石麟，罗尧治，赵阳，等．新型空间结构分析、设计与施工

［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００６．

［３］ ＤＧ／ＴＪ ０８—０１９—２００５ 建筑结构用索应用技术规程［ｓ］．

［４］张其林．索和膜结构［Ｍ］．上海：同济大学出版社，２００２．

［５］郭佳民，董石麟．袁行飞，等．索穹顶结构施工模拟分析［Ｊ］．浙

江大学学报：工学版，２００９，４３（１０）：１８９２—１８９６．

Ｓｔｅｅ１ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０ｌｌ（１２），Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．１５３ ３７