黄龙体育中心主体育场改造设计
文/卢云军、焦健、杨雪琳、陈伟伟等
项目背景
黄龙体育中心主体育场位于浙江省杭州市曙光路，为省重点项目，总占地面积15公顷，总建筑面积近10万平方米。
1997年6月，由浙江省建筑设计院设计的黄龙体育中心主体育场开工，2000年10月竣工，主体育场建成后可容纳近6万名观众。
2019年底，黄龙体育中心主体育场被确定为2023年杭州亚运会足球比赛场馆。浙江省建筑设计院根据功能评估报告及亚组委相关场馆建设要求，对主体育场及体育场配套用房进行场馆改造。2022年2月，改造工程完工，黄龙体育中心体育场华丽归来，尽显“杭州魅力”！
改造主要内容为：拆除、重建场馆外部与主体结构有缝分隔的环形配套用房；重新划分场馆内部部分功能空间，在部分区域增设楼梯、电梯、设备井道；更换钢结构屋面板，改造立面。
▲改造设计效果图
▲改造设计效果图
▲改造设计效果图
项目概况
体育场主体结构呈圆形，框架剪力墙结构，直径245.5m，南北两座吊塔均为核心筒结构，高均为88.5m。钢屋盖外环平面为圆形，周长781m；内环平面为椭圆形，周长572m。屋盖东西中轴线最高标高39.000m，最低标高31.800m。基础采用钻孔灌注桩。原设计抗震设防烈度为6度，设防类别为乙级，基本风压、雪压均为0.40kN/m2。
▲亚运会改造前的黄龙体育中心主体育场照片
▲改造过程中的照片
▲展台结构典型平面图及剖面图
▲堆叠电缆数量
斜拉索由平行钢绞线、QMS锚杆、HDPE防护体系、减震器及密封装置等组成，斜拉索外径分别为225、180、140、110mm。钢绞线为φj15.20钢绞线体系，其标准抗拉强度为1860N/mm2。斜拉索一端锚固在塔内，另一端锚固在内环钢箱梁内。南北塔由东西两肢组成，每肢塔布置9束钢索，四肢塔共计36束斜拉索。格栅为方四棱锥型焊接球节点格栅，格栅杆件及焊接球采用Q235B型钢材。 钢屋盖受力体系由斜拉索、外环混凝土箱梁、内环钢箱梁及两侧塔架组成。
▲亚运会改造后的黄龙体育中心主体育场照片
结构改造主要任务包括：根据现状索力进行索力测试及结构安全性验证、对索进行维护及耐久性提升、根据改造后使用功能进行混凝土结构加固、环形支撑室重新设计、屋盖钢结构检查维护等。
原结构抗震性能分析
杭州主城区抗震设防烈度已由1989版抗震规范规定的6度变为现在的7度，主体育场局部改造是否需要对整体结构进行抗震加固还有待商榷。经计算对比可知，改造前后主体结构前三期、质量、位移比的变化均在5%以内，说明主体结构的承载力和抗震性能没有发生明显变化。
▲图3 整体结构模型及一阶振型
按设计烈度7度（0.1g）、后续使用年限30年的性能要求，进一步校核结构抗震性能。小震计算位移角与位移比：
▲小震作用下的层间位移角
▲规定水平力下的最大位移比
结构最大层间位移角为1/2701，小于规范限值1/800；最大位移比为1.61。由于最大层间位移角远小于规范限值的40%，因此确定位移比1.6基本满足要求。对结构进行大地震弹塑性分析，塔架结构最大弹塑性层间位移角约为1/106，下部立柱层最大弹塑性层间位移角约为1/300，均小于规范限值1/100。各构件损伤结果如图所示：
▲强震下混凝土框架柱弹塑性损伤云图
▲强震下混凝土剪力墙及外环梁弹塑性损伤云图
大震分析结果表明，严重损坏的柱占全部柱的7%以内，其余均为中度或轻微损坏；严重损坏的剪力墙约占全部剪力墙的3%，90%以上的剪力墙为轻微损坏或以下，结构能够满足大震下不倒塌的要求。
根据小震、大震分析结果，主体育场满足设计烈度7度、使用年限30年的抗震承载力要求，不需要整体抗震加固，可简单按照局部整治的思路进行局部承载力加固。
▲ 加强梁底承载力
▲ 加强梁顶承载力
▲走廊牛腿加固
斜索索力测试及斜索、锚头耐久性改进
3.1 索力试验
本项目采用频振法测量索力，委托第三方对屋盖结构36根索进行索力测试，测试在晴朗无风的日子进行。
实测索力略低于理论值，存在预应力损失，但未出现几何松弛现象，大部分索力偏差在理论值的17%以内，同一侧屋盖南北对称位置处索力偏差大多在5%以内，结构处于正常受力状态。
3.2 斜拉索锚头的检查与修复
拆除塔端电缆保护套观察后发现，锚头上原有的防腐油脂已满，且油脂部分变白，出现轻微乳化现象，如下图所示。
▲锚头原装防腐油脂
清理后发现，索股锚固牢固、平整，无滑脱、断裂、松动现象，索股无锈蚀现象，主缆锚内防腐脂更换为白蜡，提高耐久性。
▲锚头清洗油脂
▲锚蜡喷涂
3.3 斜拉索涂层更新
由于电缆长期暴露在自然环境中，极易受到环境腐蚀，特别是大气中的SO42-、CO2、Cl-等腐蚀性物质的影响。对于电缆护套上的划伤、孔洞等破损，先将破损处的PE去掉，用同样的PE基材填充电缆破损处，用加热套将PE原料热熔补填到破损电缆的破损处，冷却后用打磨机将修补处打磨平整。
▲PVF胶带绕包
基于索力的钢结构屋盖分析
4.1 基于实测索力的钢结构屋盖分析
采用有限元软件MIDAS Gen对主体育场屋盖钢结构进行索力实测分析，计算过程中根据体育场建设过程中的结构计算数据确定结构材料、荷载、工况等设计信息。
下面给出各种不利工况下的变形与应力图，工况1为恒载+活载+正风压载荷的标准组合；工况2为1.32恒载+1.31雪载+1.31风载+1.10温度载荷的组合。
▲条件1 网格垂直变形量/mm
▲条件2 网格应力/(N/mm2)
▲工况2内环梁应力/(N/mm2)
▲工况2电缆应力/(N/mm2)
从上图可以看出，标准荷载组合下结构最大竖向位移约243mm；基本组合工况下，大部分桁架构件应力均低于80N/mm2，桁架短向构件应力较大，最大应力约203.7N/mm2，小于Q235钢的设计强度；此工况下内环梁处于压缩状态，最大压应力约179.5N/mm2，斜拉索应力为667.8N/mm2，各项指标均满足要求。
4.2 单根电缆故障极端情况验证
假设本次试验索力损失绝对值较大的西北区域2#索发生故障，分析单根索故障对屋盖钢结构安全性的影响，分析结果如下图所示。
▲条件1 网格垂直变形量/mm
▲条件2 网格应力/(N/mm2)
▲工况2内环梁应力/(N/mm2)
▲工况2 电缆应力N/mm2
假定单索破坏后的计算结果为：索最大应力为713.7N/mm2，内环梁处于压缩状态，仅支座处最大应力（216.6N/mm2）略大于钢筋强度设计值215N/mm2，其余均满足要求。
网架最大竖向位移由中点位置转移到失效单索位置，最大竖向位移为359.6 mm，大于网架短跨度的1/250；网架最大应力由203.7 N/mm2变为258 N/mm2，大于钢材强度设计值。可见单索失效对屋盖钢结构安全影响较大，平时需加强观测，当索力损失达到一定程度时采取措施。
屋顶翻修及施工过程监测与分析
主场馆金属屋面系统约19700m2，天窗约5000m2，原屋面为0.53mm厚铝锌波纹钢板屋面，因长期使用已锈蚀，更换为0.9mm厚H65铝锰镁合金直立锁边扇形板系统，表面有PVDF涂层，施工过程照片如下。
施工过程监测与分析
考虑到钢网架+内外环梁+塔吊+斜拉索结构的复杂受力，对屋面改造更新整体过程进行了应力分析及施工监测，确定结构更换过程中屋面应力与变形是否始终处于安全状态。
工况3为原有顶板自重作用钢结构补强，工况4为拆除后顶板自重作用，工况5为合拢后顶板自重+正风压作用，不同工况下索力如下表所示。
从上表可以看出，与工况3相比，工况4中四根最短拉索的拉力可以忽略不计；两侧最长两根拉索的拉力减小约50kN，变化小于2%。与工况4的拉力相比，工况5两侧最长两根拉索的拉力分别约为632kN和680kN，平均变化为20%，不可忽略。下图为不同工况下屋盖的竖向位移。
（一）条件3
（b）条件 4
（c）条件 5
▲不同工况屋面垂直位移/mm
工况3跨中内圈梁最大竖向位移为+86.0mm，工况4竖向位移为+104.5mm，工况5位移约为-143.0mm。以上工况竖向位移均满足规范要求。第三方机构对屋盖施工全过程进行监测，索力监测结果与数值模拟结果偏差在15%以内。
改造后的照片
项目信息
委托方：浙江黄龙体育中心
建设地点：浙江省杭州市
设计单位：浙江省建筑设计院
总建筑面积：主场约10万平方米
项目状态：2022年1月竣工
设计时间：2019年6月-2021年3月
图片来源
浙江黄龙体育中心（业主）、浙江第一建筑（施工单位）。
贡献者
卢云军，浙江省建筑设计院第三建筑设计院副总结构工程师。
关于作者
焦建，国家一级注册结构工程师，教授级高级工程师，1985年毕业于浙江大学土木工程系建筑结构工程专业。同年进入浙江省建筑设计院，一直从事建筑结构工程设计、咨询工作，现任该院常务副总工程师。多年来主持和参与了多项国家、省、市重点工程的结构设计和科研项目，参与了多项行业规范、标准图的编制，多次获得国家、省、部级优秀勘察设计奖、优秀结构设计奖和省级科技进步奖。
杨学林，1995年毕业于浙江大学，获博士学位，浙江省首届勘察设计大师，国家一级注册结构工程师，国家注册土木工程师（岩土）。2005年至今任浙江省建筑设计院总工程师，2019年至今任副院长。主要从事建筑结构、岩土工程设计与科研工作。作为专业带头人主持设计了浙江智慧之门、杭州望朝中心、杭州萧山国际机场T4航站楼及陆侧交通中心、中国京杭大运河博物馆等设计项目，获浙江省优秀设计奖、国家行业设计奖50余项。出版著作4部，发表论文130余篇，获得国家授权专利50余项钢结构补强，参与编制标准25项。 先后荣获国务院特殊津贴、浙江省有突出贡献中青年专家、浙江省建设科学技术奖—重大贡献奖。
卢云军，哈尔滨工业大学硕士研究生毕业，高级工程师，国家一级注册结构工程师，现任浙江省建筑设计院第三建筑设计院副总结构工程师，主要从事超高层建筑、加固改造、结构减震等结构设计及研究工作。主持完成了多项大型建设项目的结构设计，包括亚运会改建浙江黄龙体育中心、镇海科技文创中心、商旅义乌心城生活广场、云栖小镇会展中心二期、萧山杭州湾信息港七期西区、萧山北竿科技创新园二期、瑞安图书馆、山东省沂水县人民医院二期、湄洲湾职业技术学院二期、台州市国际科学家创业基地等。曾获国家省部级优秀勘察设计奖、钱江杯结构特等奖等奖项。
