大沙河文体中心复杂大跨空间钢结构设计
文/唐凯峰
大沙河文化体育中心是深圳市政府大规模投资的文化体育基础设施。最初由筑博设计有限公司设计；该项目位于深圳市南山区塘朗山区。项目建成后将成为深圳市多功能综合体育休闲中心。该场馆满足举办国际体育赛事的场地要求，将吸引大型国际体育赛事在深圳举办。有助于深圳举办更多亚洲及国际体育赛事，落实全民体育，发挥推动体育大众化、精英化、盛会的作用。的重要作用。
▲ 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院、电影院、图书馆、城市客厅、游泳池、综合馆、羽毛球馆、篮球馆等；主体结构为大跨转换钢桁架框架剪力墙结构。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51.9m，建筑面积约13万平方米。由于建筑立面和使用功能的要求，整体结构不存在结构缝。总体平面图如图1所示；整体效果图如图2所示。
▲ 图1 大沙河文体中心总体规划
▲ 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Ⅰ类，站点类别为II类，站点特征周期Tg=0.35s； 50年重现期基本风压为0.75kN/m2，地面粗糙度类别为C类。
结构体系
为了控制塔楼一阶振型扭转，避免楼层侧向刚度突变，增加薄弱区域刚度，在建筑电梯区域设置剪力墙，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 电梯区剪力墙布置
结构设计的重点和难点
根据建筑规划分析，项目功能为跨度大、高度高的文化体育场馆。综合场馆效果图如图5，剧场效果图如图6；而且项目用地局促，导致各个场馆上下堆叠，形成大跨度的悬吊转换结构。横截面功能分布图如图7和图8所示。
▲ 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 大跨度羽毛球馆地板振动舒适度控制
羽毛球馆正下方是58.8m×88.8×28.0m的综合馆。 39.2m高处安装4根跨度58.8m的钢桁架，悬挂羽毛球馆主梁。大跨度悬浮羽毛球馆的室内体育活动，如何控制羽毛球？体育馆地板的振动舒适性是结构设计的难点。羽毛球馆吊杆与地板的关系如图9所示。
▲ 图9 羽毛球馆吊杆与地板关系
大跨度悬挂结构的动力特性较为复杂。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。羽毛球馆地板一阶竖向振型如图11所示。
▲ 图10 计算模型三维视图
▲ 图11 羽毛球馆地板一阶垂向振型（f1=2.174Hz）
羽毛球馆地板受到韵律运动荷载激励时，地板垂直振动产生的有效最大加速度为0.911m/s2，大于《建筑地板结构振动舒适性技术标准》（JGJ/T 441-2019）限值为0.5m/s2；添加135t调频质量阻尼器（TMD）进行减振控制后，地板垂直振动产生的有效最大加速度为0.467m/s2。减振效果明显，能够满足地板的规范要求。对于舒适度要求，TMD平面图如图12所示。
▲ 图12 羽毛球馆TMD平面图
当通过改变结构布置来提高楼板竖向刚度的成本过高或不能满足建筑物的功能要求时，采用TMD进行减振控制，具有实施容易、结构简单、经济适用等优点。可靠，并具有优良的减振性能。
3.2 复杂条件下弦支穹顶结构解析研究
羽毛球馆上方是顶层的城市客厅。屋顶投影呈椭圆形，长轴跨度50.4m，短轴跨度42m，如图13所示。沿城市客厅外围布置8根钢柱，支撑上部椭圆形。贝壳屋顶。
▲ 图13 城市客厅屋顶等轴测图
3.2.1 弦支撑穹顶设计的重点和难点
(1)八点弹性非均匀支撑：常规弦拱顶直接由下部混凝土结构支撑钢结构平面图怎么看，可简化为刚性支撑。本工程弦支穹顶结构由下部8根钢柱支撑，下部由58.8m大跨度桁架支撑。如图14所示，钢柱在长短轴上的安放点不同，导致桁架对柱的支撑刚度不一致。此外，还存在两根钢柱同时落在同一桁架上的情况，使得结构支撑条件更加复杂。
轴测图
平面图
▲ 图14 弦支撑穹顶支撑情况
(2)荷载分布不均匀：除常规均匀恒活荷载外，在屋面正交方向布置220kN水箱荷载。此外，还需考虑主体结构屋盖与弦拱顶即屋盖构件之间的荷载传递。重叠荷载如图15所示，对局部结构的变形和应力影响较大。
▲ 图15 屋顶组件重叠
(3)异形壳面：屋顶为异形壳面，其投影呈椭圆形。根据常规弦穹顶的节点分布特点，同一圆内的周向节点处于同一标高，如图 16所示。受异形曲面影响，同一圆内径向杆件的长度为相差较大，且最外圈在长短轴方向上径向杆最大相差3.5m，导致最外圈径向拉索的拉索长度以及与水平面的夹角相差较大，这极大地影响了索杆系统对上部网壳的支撑刚度。
▲ 图16 节点同圆同高程生成的网壳
3.2.2 弦拱顶结构设计概述
整个弦支撑穹顶结构主要包括环桁架和竖向支撑、悬臂桁架、单层网壳和索杆系统，如图17所示。
▲ 图17 弦穹顶布局
钢材材质牌号为Q355B；抱箍电缆采用强度等级为1670MPa的密封电缆，内外环抱箍电缆截面分别为D50和D85。径向钢拉杆采用强度等级为650的等强度钢拉杆，内、外环直径分别为D40、D70。稳定索采用强度等级为1670MPa、截面为D22的钢丝束。
3.2.3 弦拱顶结构构件验证结果见图18、图19。
▲ 图18 非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 悬挂羽毛球馆钢桁架下弦与框架柱连接的节点形式
在39.2m高处设置4根跨度58.8m的钢桁架，支撑城市客厅椭圆形异形屋顶的8根钢柱。同时，羽毛球馆的主梁通过16根吊杆悬挂；钢桁架的上弦与钢管混凝土框架柱刚性连接钢结构平面图怎么看，下弦与钢管混凝土框架柱铰接。铰链使用两个平行销。销钉直径为220mm。销轴材质为40CrNiMO钢。中耳板的厚度为100mm+2×20mm。端板下耳板厚度为75mm；耳板材质为Q390GJ；框架柱截面为□1200×1200×60×60钢管混凝土柱，钢桁架下弦截面为□1100×800×50×50，材料均为Q390GJ，节点样本如图20所示，计算模型如图21所示，计算结果如图22和图23所示。
▲ 图20 引脚大样
▲ 图21 销接头实体有限元分析模型
▲ 图22 Pin节点应力云图
