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今晚20:00，杭州第19届亚运会将开幕了！
1.2 万余名运动员报名参赛，40 个大项得以分布，61 个分项也有分布，481 个小项同样分布其中。主办城市是杭州，还有宁波、温州、湖州、绍兴、金华 5 个协办城市参与办赛。杭州亚运会成为了亚运史上规模最大的一届，项目最多的一届，覆盖面最广的一届。
杭州为了迎接亚运会的来临，设计并建造了亚运主题的竞技场馆等建筑设施。浙江各地也进行了这样的设计和建造。今天《建筑结构》将带领大家领略本届亚运会最引人注目的“大莲花”是如何练成的……
杭州奥体中心主体育场被称为“大莲花”，它位于钱塘江畔。该体育场的用地面积约为 8.23 万平方米。它是目前国内第三座能够容纳 8 万人以上的体育场，前两座分别是北京的“鸟巢”和广东奥林匹克体育中心体育场。
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“大莲花”会承办杭州亚运会的开幕式、闭幕式以及田径项目比赛，同时也会承办杭州亚残运会的开幕式、闭幕式。该场馆是以被列入世界遗产名录的杭州西湖中的荷花形态作为概念灵感的，荷花的概念被演绎成了模块化瓣状结构，进而形成了外墙与屋顶，把整个主场馆优雅地包裹了起来。
项目概况
体育场的外轮廓平面近似椭圆形。其长轴的长度为 366m，短轴大约是 338m。看台结构的最大宽度约为 108m，看台的最高点标高为 42.46m。该建筑有地下一层和地上六层，首层层高是 7.8m，其余各层层高为 4.5m。2 层平台（其标高为 7.8m）的上方，看台结构朝着场外倾斜。因为体育场场内朝向钱塘江，具备良好的空间渗透和视觉景观效果，所以体育场北侧的 2 层平台以上有开口，该开口的宽度大约在 40 到 60m 之间。
混凝土结构模型平面视图
施工过程中的照片
典型剖面示意
看台区上有完整的环状花瓣造型钢罩棚。这个罩棚由 28 片大、小花瓣组成了 14 个花瓣组。这些花瓣组经过模数化处理后，共有两种。
钢罩棚花瓣组合示意
钢罩棚的罩棚展开面积为 96982 平方米。
下部混凝土结构体系与构成
建筑的楼、电梯间和设备管井沿环向基本对称均匀分布，利用这些布置刚度、延性较好的混凝土剪力墙，它与下部的混凝土框架一起形成框架 - 剪力墙体系。
下部混凝土结构三维模型
该体系有助于提升下部结构的刚度。它可以减小因下部结构过柔而引发的上部钢结构地震作用被过度放大的问题。同时，还能切实控制在重力荷载作用下竖向构件向外倾斜所导致的水平位移。并且能够提高整体结构的抗倾覆能力。
筒体及剪力墙平面布置（红色）
看台外圈柱从二层平台开始向场外倾斜，到了六层就分叉成了 V 形柱。这种 V 形柱与看台的 Y 型斜梁以及顶部环梁共同形成了空间结构，能够支承顶层看台结构和上部钢结构。为了减小东西看台 Y 型斜梁的跨度，就在 V 型柱和看台 Y 型斜梁的分叉点之间设置了径向斜撑。
一榀典型框架主要构件截面尺寸
支承钢结构上支座的型钢混凝土柱为 800x1200，该柱汇交至下层楼面的是 1200x1200 的型钢混凝土斜柱。
顶层看台结构布置
钢结构的下支座支承在直径为Φ1000 的型钢混凝土柱顶，在局部出入口轴柱的位置则支承在环向框架梁顶。另外，还有一些柱的截面分别为Φ800、Φ1000、800x1000 以及 800x2000。
上部钢结构体系与构成
钢结构罩棚依据建筑造型以及参数化设计。它由 28 片大花瓣和小花瓣构成。这些花瓣形成了 14 组花瓣单元。这些花瓣单元沿着环向进行三维阵列。罩棚采用的是空间管桁架与弦支单层网壳组合的结构体系。
每个花瓣组成一个结构单元。这些花瓣组沿着场心环向进行阵列，生成了 14 个花瓣组。之后，用单层网壳结构填充阵列所留下的空隙。单层网壳结构与悬臂端部的内环桁架共同形成了空间结构。通过 V 形组合钢管柱以及 V 形侧向支撑，将上部的钢结构罩棚和下部的混凝土结构连接成一个整体。
花瓣组单元平立面
（1）大花瓣
大花瓣由径向主桁架和弦支单层网壳构成。
径向主桁架的悬挑长度大约为 52.5m。它采用的是组合三角形空间圆管桁架。桁架的根部高度是 7m，悬臂端为 4.5m。两榀这样的径向主桁架能够组成一个花瓣。
径向主桁架之间有空间，此空间采用弦支单层网壳来支承于径向主桁架的上弦。该弦支单层网壳使用Φ30 棒钢，棒钢的两端铰接在径向主桁架的上弦处，中间设置了一道撑杆。当此弦支单层网壳延伸至墙面时，就演变成了单层网壳结构。
（2）小花瓣
在索中间设置了一道撑杆。
屋面小花瓣
钢梯增强了小花瓣的面外稳定。
墙面小花瓣
（3）V形组合钢管支撑
两个大小花瓣各自构成一个结构单元。下支座将其支撑在二层混凝土框架柱的顶部。上支座则通过 V 形组合钢管，把它支撑在看台顶部的 V 形柱顶。
钢结构上支座构成示意图
下端汇于一点并支承于下部混凝土结构 V 形柱顶。
每个结构单元的组成
在同一个结构单元内，每榀径向桁架在 5 层楼面处设置了 V 形侧向支撑。该支撑连接着径向桁架的下弦以及混凝土楼面，以此来提高其面外的刚度，进而增强结构的侧向稳定。
（4）内环桁架及整体钢结构
在悬挑的最前端设置了内环桁架。用单层网壳结构去填充各个结构单元之间的间隙，从而形成了结构整体。内环桁架是三角形空间圆管桁架，其桁架高度大约为 4 米。
三维轴测图
南北立面
东西立面
（5）北侧开口处钢结构成
开口处的罩棚结构单元构成与上述单元基本相同，不同之处在于墙面的小花瓣以及侧向的 V 形撑被取消了。开口处的径向主桁架前端是支承在内环桁架上的，其上端通过八字形布置的梭形柱支承在相邻混凝土看台的顶面，并且在梭形柱之间增加了横向联系杆件。下端则支承在 2 层平台的混凝土柱顶，侧面通过桁架上弦与两侧的基本单元相连接。自身结构单元两侧的基本单元的构件被予以加强处理。
看台开口处钢结构构成
上部钢结构罩棚的用钢量情况如下：罩棚钢结构的用钢量为 11134t，拉索的用量是 7.7t，棒钢的用量为 9t（这里不包含型钢、铸钢件以及钢梯）；若按照罩棚展开面积 96982m²来计算，每平方米的用钢量为 114.5kg。
关键技术
关键技术1 ：结构超长无缝设计
下部混凝土结构的周长接近 1000m 且未设置一道永久缝，它属于超长且超宽的大面积混凝土结构。结合工程的设计施工经验以及理论分析，要控制和减小整体结构的温差收缩效应，主要有以下几个关键要点：
施工设置后浇带钢结构补强加固，把整个工程的下部结构划分成双向 30 至 35 米的子结构；
2）体育场下部混凝土结构后浇带采用高一级混凝土低温入模；
上部钢结构施工设置了环向后合拢区，还设置了短管零应力区，合拢温度被选取为 15±20℃。
结合实际的施工进度计划，对带后浇带结构建造生成的全过程进行施工模拟，同时考虑对应的实际温差。
温度效应与其他非荷载效应，像徐变、收缩等，一直是相互辅助、相互促进的。并且它们都和时间有着紧密的联系。所以，在进行温差效应分析的时候，需要把混凝土实际的徐变收缩时效特性同时考虑进去。
非荷载效应作用主要源自变形约束。地基或桩基约束刚度无穷大的假定，对非荷载效应有着极大的影响，若采用此假定，会导致分析结果不合理且不准确。在进行非荷载效应分析时，应当摒弃基础固定端或不动铰假定，要考虑地基或桩基的有限约束刚度。
施工开始到装饰期这段时间内，混凝土以及钢结构构件会受到温差收缩的影响。在这个过程中，它们的内力、应力以及变形等效应通常是最为不利的情况。所以，应该对这些效应重点关注并且进行分析。
建筑在长期使用阶段，因为地下室填土以及覆盖，还有地上建筑的外装饰和屋面覆盖等多种因素起到了有利的作用。这样一来，其长期的温差变化幅度以及量级都比施工期要低。并且，分析结果是在前者的包络范围之内的。
设置后浇带把整个工程的下部结构划分成双向 30 至 35 米的子结构。
地下室外墙部位，其受力情况较为不利；边角区域的框架柱等竖向构件，受力也较为不利。在设计时，采取了加强局部构件含钢率的措施，以此来消除局部的不利影响。地下室外围墙身的水平分布筋，是贯通设置并置于外侧的。
洞口周边的梁板水平构件以及中部区域的梁板水平构件等，这些属于受力不利及应力集中的构件。在设计时，会采取适当加强配筋等措施，以此来消除局部的不利影响。截面的拉应力由钢筋来承担，并且钢筋的应力水平不会超过 200MPa。同时，还会控制混凝土裂缝宽度不超过 0.2mm。此外，采用通长板筋加局部短筋的双层双向式配筋方式，这样能够增强楼板的抗裂性能。
太阳辐射条件下，上部体育场钢结构罩棚的大部分杆件，其应力水平低于 35MPa。部分内环环杆、下部支座以及内支撑等杆件的应力水平较高，最大值约为 75MPa。在组合工况设计时，这些杆件仍处于设计可控范围之内。
- 钢结构的合拢温度取 15±20℃。用低水化热的普通硅酸盐水泥以及级配优良的碎石骨料来配制混凝土，同时适量添加粉煤灰。使用高效减水剂，减少水泥的使用量，对水灰比进行严格把控。强化混凝土的养护等工作。
查看《建筑结构》2014 年 17 期文章《杭州奥体中心主体育场超长混凝土结构环境温差效应分析》可获取更多详情，该文章作者为孙璨、傅学怡、朱勇军、张克、郑细，单位分别是东莞理工学院建筑工程系、哈尔滨工业大学深圳研究生院、悉地(北京)国际建筑设计顾问有限公司。
关键技术2：超长多点输入
本工程下部看台结构的最大长度为 366m，它与《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中对超长结构所规定的限制（400m）十分接近。由于该工程具有重要性，所以对这个项目进行了考虑行波效应的多点输入时程地震反应分析。所采用的具体方法是“大质量法”，分析结果显示：
地震波的输入方向为 X 向。多点输入具有非同步性，这使得结构的扭转角度比单点输入时有着明显的增大趋势。并且，随着视波速的减小，扭转效应也会增大。
地震波输入方向是 Y 向。多点输入的扭转角度与单点输入相比存在时滞效果。多点输入的扭转角度比单点输入略小。这主要是因为地震波输入方向与行波方向相同，且主体育场沿 Y 轴基本对称。所以，多点输入的非同步性没有导致结构扭转输入的增加。
各层扭转角度沿楼层的变化呈现出明显的规律性。随着楼层的不断增加，绝对扭转角度呈现出逐渐增大的趋势，而层间相对扭转角则逐渐减小。下部的混凝土构件内力主要由单点输入来控制。在地下一层和地上一层中，个别构件的内力是由多点输入来控制的，不过多点输入的调整系数都不是很大，其中最大的调整系数为 1.06，在设计时需要给予相应的补强措施。屋面钢结构的全部特征构件内力由单点输入来控制。多点地震输入对该结构的影响比较小，这主要是因为大底盘在多点输入的非同步性方面发挥了重要的协调作用。
关键技术 3：看台向外倾斜，在重力荷载作用下，针对混凝土构件受拉的解决办法
建筑方案看台向场外倾斜，在长期重力荷载的作用下，顶部看台斜梁、中部看台斜梁以及看台板承受较大轴向拉力，顶部最外圈环梁也承受较大轴向拉力，25.8m 标高楼板承受较大轴向拉力，21.3m 标高楼板承受较大轴向拉力，框架梁承受较大轴向拉力，结构受力较为不利。设计时针对整体结构进行了以下专项研究：一是考虑后浇带的施工模拟分析；二是进行混凝土刚度退化分析；三是确定最终实施方案。
恒+活工况下典型框架轴力图（kN）
（1）考虑后浇带的施工模拟分析
在重力荷载的作用之下，结构的环向构件所产生的“环箍”作用较为明显。在施工的过程当中，每隔 2 到 3 跨会沿着径向设置施工后浇带。在后浇带合拢之前，环向构件无法对径向框架起到约束作用，所以结构的变形以及内力与一次生成的计算结果存在差别。选取了三榀径向框架来进行对比，选取的位置可参见下图。
后浇带的设置位置示意图
对比分析框架选取部位示意
（2）混凝土刚度退化分析
在总装分析模型的基础之上。混凝土会在长期重力荷载的作用下出现刚度退化的情况。尤其顶部的两层（标高 21.3m 以上）看台结构，在长期重力荷载的作用下会承受较大的轴向拉力。为了能够评估混凝土刚度退化对上部钢结构以及 V 形支撑柱所产生的影响，所以对整体模型进行了刚度退化分析。
退化模型中，顶部两层结构的型钢混凝土梁只保留型钢的轴向刚度。普通混凝土梁的轴向刚度被折减到 20%。看台板混凝土的刚度被折减到 5%。
（3）最终实施方案
根据上述专项分析里的最不利计算结果，在重力荷载的作用下，对于顶部看台的受拉构件，采取以下这些解决方案：
看台的 V 形斜梁配置了型钢，它承担着全部的拉力，并且与 2000x800 柱内的型钢进行了可靠的锚固。
中层看台斜梁配置了型钢，型钢承担着全部的拉力。同时，纵筋以及腰筋都按照受拉的情况进行锚固。
3）四、五层受拉柱内设置型钢并向下锚固至结构三层；
顶部外环梁整圈配置的型钢用于承担全部拉力，并且它与顶部支座型钢实现了可靠锚固。
控制梁内型钢的应力水平，使其不超过 200MPa；同时控制混凝土的裂缝宽度，使其不超过 0.2mm。
6）顶部看台板及楼板配筋给予适当加强。
关键技术4：看台北侧开口部位构件加强
混凝土结构的北侧看台结构在环向是不连续的。北侧的结构刚度比较弱。并且这个区域上部的钢结构支座被抽空了。所以混凝土结构需要承担更多的上部钢结构荷载。在重力和地震作用的影响下，该区域的结构位移以及构件受力都比其他部位更不利。因此采用了措施来对这个区域进行加强。
（1）钢结构支座构件截面加大
加大边支座截面，使得边支座与中部支座应力分布均匀。
（2）钢结构环桁架截面积加大
北侧钢结构的上支座被抽空，其竖向刚度相对较弱。于是加大了内环桁架的弦杆及腹杆截面，以此来增强内环桁架的刚度。这样做对北侧主桁架的端部起到了竖向支承的作用，进而提高了该区域钢结构的竖向刚度。
（3）混凝土筒体
从而降低了北侧混凝土结构的扭转分量。
（4）看台斜梁、斜柱配筋加强
北侧开口附近看台斜梁在重力及地震作用下的轴拉力比其余部位要高。如图中圈示的部位，需加大这部分斜梁的含钢率，以提高其截面轴向刚度。该区域顶层看台斜梁的型钢含钢率为 4.0%，纵筋含钢率为 1.2%；中部看台斜梁的型钢含钢率为 5.0%，纵筋含钢率为 1.5%；东西及南侧顶层看台斜梁的型钢含钢率为 3.0%，纵筋含钢率为 1.0%；中部看台斜梁的型钢含钢率为 3.5%，纵筋含钢率为 1.2%。
北侧开口附近支承钢结构上支座的 1200x1200 型钢斜柱，其含钢率加大到了 6%。而其它部位的斜柱型钢，含钢率大约为 4%。
关键技术5：看台顶部埋入式铸钢支座节点设计
本工程钢结构的上支座是通过短柱来支承下部混凝土看台的 V 型柱、看台的 Y 型斜梁以及外圈环梁交汇的顶面的。并且下部的混凝土构件都设置了型钢。这个支座节点在受力方面是最为不利的。如果采用焊接节点，不但施工的难度很大，而且阴角区的焊缝质量也难以得到保证。为了能够确保上部钢结构的安全，在看台顶部的钢结构上支座节点处采用了埋入式铸钢节点。
看台型钢混凝土斜柱，7.6m 至 25.6m 这个范围是单斜柱，其截面尺寸为 1200mmx1200mm。25.6m 至上部看台顶部标高（最高达 42.488m）这段范围，斜柱向两个方向分叉成 V 型双斜柱，截面尺寸是 800mmx1200mm。
这样就能确保后续高空作业顺利进行。[id_1212751194]
为确保结构安全，项目参建各方都认同要通过一些方式来发现问题并及时完善。一是通过计算机模拟三维穿筋，二是进行地面 1:1 现场穿筋模型试验，这样能确保后续高空作业顺利实施。
计算机模拟三维穿筋
1：1节点模型现场实验照片
历经了长达数月的时间，经历了共 5 轮的设计深化调整。同时结合专家论证意见，不断对其进行完善。在各方齐心协力的共同努力之下，最终使得该埋入式铸钢节点得以成功实施。
关键技术6：先铰接后刚接的新型支座节点部分释放杆件弯矩
为满足北部开口建筑的效果需求，钢结构上的支座杆件支承于开口部位两侧的看台顶面。这些支座杆件要求支座根部进行缩径处理。缩径之后，支座节点无法满足本工程钢结构相贯节点按刚接和铰接双控的设计要求。在刚接模型中，该杆件的支座根部在重力荷载的作用下会承受较大的弯矩，而根部缩径后就无法满足抗弯的要求。
采用了全新的先铰接后刚接的连接节点，成功地把缩径后杆件根部抗弯承载力不足的问题给解决了，既简单又实用。其工作原理如下：在施工期间，这个节点是铰接销轴铰接节点；等到上部钢结构卸载之后，只需对这个节点进行简单的改造，补焊两片半圆管，就能够实现刚性连接。
先铰接节点
后刚接节点
该节点形式能降低重力荷载作用下支座杆件根部的弯矩，使其只承受后期使用荷载所产生的弯矩，这样既保证了结构的受力需求，又能有效保障杆件缩径后的建筑效果。因为钢结构卸载后需要后续施焊，所以在铸钢件及梭形柱上各预留 20 到 30mm 的突沿，以确保后期焊接为零应力焊接。
关键技术7：长悬挑看台楼盖解决方案
这样就使得外伸水平框架梁与斜梁能够共同受力。重力荷载作用下，看台斜梁会承受一定的拉力。在设计时，在看台斜梁内配置了型钢。这样，斜梁的拉力都由型钢来承受。并且，要控制型钢的应力水平小于 200MPa，同时限制裂缝宽度。为了解决看台斜梁内置型钢的节点锚固问题，在水平框架梁内增设了型钢钢骨。
中层悬挑看台现场照片
结语
杭州奥体中心体育场的体量很大，其看台结构是外倾的。造型既新颖又复杂钢结构补强加固，这使得结构设计的难度很大。尤其北侧看台有开口，这进一步加剧了设计的难度。在设计过程中，通过使用多程序和多模型，对上、下部结构进行整体总装分析以及专项研究分析，目的是为了能够正确地揭示结构的受力状态。针对该结构，提出了较为明确的抗震性能化目标以及实施措施，以此来确保结构的安全。
供稿：CCDI
结构设计团队包含杨想兵、傅学怡、廖新军、朱勇军、高颖、崔小民、王涛、江坤生等成员。
