大跨度悬挑异形屋盖钢结构设计分析研究

饶孟树

（广东顺铁控股有限公司）

1 设计概况

体育场平面轮廓为闭口椭圆形，短向为205m，长向约220m。从建筑方案构型和结构方向考虑，本结构拟采用场内巨型桁架结构方案，巨型桁架采用三角形立体桁架，桁架高度8m，巨型桁架长跨跨度146m，短跨跨度88m。四个角部位置（场地入口位置）采用菱形立体桁架落地。

体育馆屋面轮廓为椭圆形结构，长轴直径为145m，短轴直径为110m，屋面面积约12500m2。屋顶最高标高38m，檐口标高28m，与斜坡屋面架空层交接标高约为21.7m～25.7m。

训练馆屋面轮廓为椭圆形结构，长轴半径为81.3m，短轴半径为66.5m。屋盖矢高4.5m，矢跨比约为1/16。支撑屋盖柱子一共16 根，柱距约为12m；游泳馆屋面轮廓为椭圆形结构，长轴半径为101m，短轴半径为71m。

2 选型和设计

2.1 体育场屋盖选型和设计

屋盖结构采用交叉简支箱型梁结构，一端支撑与巨型桁架，另一端支撑与看台顶部V 柱或者尾部V 柱至上，简支梁最大跨度31.6m 左右。屋盖结构最大悬挑距离为40.8m（包括巨型桁架范围），支撑屋盖柱距约为12m。根据结构力学机理，巨型拱桁架为斜卧式桁架，为平衡该桁架的水平分量和竖直分量，支撑斜柱和看台梁结构形成一个巨型三角撑提供水平抗侧力，以抵消巨型桁架的水平分量。巨型桁架的竖直力通过混凝土屋面自重平衡。该受力体系避免屋盖结构成为受力不利的悬挑结构，成为安全性较高的简支结构，提高结构的可靠度以及降低现场施工难度。在建筑效果上可提高观众区的净高，同时巨型桁架内部可集中布置马道功能和相关设备管线，马道上梯位置可在巨型桁架柱内解决。计算结果表明该方案变形、振型和用钢量都适中，结构方案可行。（见图1～图4）

2.2 体育馆屋盖选型和设计

图1 体育场结构选型

图2 体育场局部结构轴测图

图3 体育场第一振型（T1=0.786s，竖向振动）

图4 体育场D+L 作用下竖向挠度（最大竖向挠度235.5mm）

屋盖矢高8m，矢跨比约为1/13。支撑屋盖柱子一共24 根，以等角度（15°）进行划分，柱距约为16.8m。主选方案：张弦穹顶方案，屋盖采用环肋型径向网格，采用24 道径向索，内圈一道环向索，索撑采用V 形撑杆，增强稳定性。索撑高度12m，矢跨比为1/10。本方案适合桁架马道和相关设备管线集中布置，同时，内环可根据建筑功能布置相关表演吊点及其它功能需求布置，功能需求集中，适合在有演出功能的体育馆。最后实施时可结合斗屏布置优化内圈结构形式。备选方案：采用葵花形网格弦支穹顶体系。一共采用三圈径向索和环向索，索成环肋型布置；从外圈到内圈索撑高度分别为7.5m、6m和4.5m，屋盖壳体为葵花型单层网格。本方案马道布置相对受限，一般布置在相关环索附近，且其宽度不能太大，所受荷载不能过重，适合在无表演功能场馆。计算结果表明两种方案变形、振型和用钢量都适中且相近，结构方案可行。（见图5～图10）

2.3 训练馆和游泳馆屋盖选型和设计

屋顶最高标高18m，檐口标高13.5m，与斜坡屋面架空层交接标高约为7.2m～10m。屋盖矢高4.5m，矢跨比约为1/16。支撑屋盖柱子一共16 根，柱距约为12m；训练馆和游泳馆屋盖采用张弦梁结构体系，游泳馆中间撑杆高度6m，弦支穹顶高跨比为1/11。其余榀桁架撑杆高度根据标高渐变，平面外另加一道稳定索。（见图11～图12）

图5 体育馆结构选型（张弦弯顶方案）

图6 体育馆张弦索撑布置图

图7 体育馆第一阶振型（T2=0.72s）

图8 体育馆第一阶振型（T2=0.72s）

图9 体育馆备选方案(弦支穹顶结构)

图10 体育馆备选弦支穹顶方案索撑布置

图11 训练馆和游泳馆结构选型

图12 游泳馆第一振型（T1=0.569s）和竖向挠度（149.4mm）

2.4 节点设计

大跨度屋盖空间关系复杂，现场定位容易出现偏差。支撑钢屋盖的支座可采用纠偏支座为了降低现场安装误差，及其它相关索结构复杂节点如图13 所示。

图13 相关复杂节点图参考

3 钢结构施工方案考虑及对主体结构的影响分析

对于大型体育场馆钢结构而言，钢结构施工方案、吊装路线和胎架布置对于主体结构、地下室设计荷载有巨大影响。由于施工单位进场往往都在设计阶段完成之后，其届时提交的施工方案和施工荷载偏滞后、很多预留结构需要通过结构改造才能实现，往往会使整个现场处于极大的被动状态。在结构设计阶段，有意识地设定吊装路线，对结构设计荷载进行必要预留，能够避免后期吊装时因为预留荷载不足进行大规模改造，不仅浪费大量资金，也极大延误工期。本项目地块周边设置工地围墙，包括场地东南侧道路。于地上楼板边线外侧设置临时施工环路。根据场地情况布置施工道路、吊车行走路线、钢构拼装与堆放场地，其中综合体育场采用履带吊于场内进行钢结构吊装，土建看台预留吊车进退场道路空间，履带吊于场内进行组装及解体，钢结构支撑胎架设置于主桁架下方。综合体育馆、训练馆、游泳馆采用履带吊于场外进行钢结构吊装，钢结构支撑胎架设置于主梁节点下方。由于本项目体育馆和游泳馆范围存在大量地下室，吊车允许路线和现场大堆料场地因尽量避开地下室范围，仅限散拼场地在该范围内，并预留好荷载。同时由于钢构吊装需要，大斜坡屋面建议通过分阶段施工，与钢构施工进度有序结合。(见图14～图17）

4 结论

通过对工程中屋盖异形大跨度悬挑钢结构设计研究，形成创新优化实施方案：

⑴巨型桁架落柱位置内移，适当缩小两向跨度差距，保证均匀受力，提高经济性；屋面找形尽量形成标准马鞍形，提高巨型桁架内部受力大回环效率；结合结构方案优化柱网布置。

图14 钢结构施工平面布置图示意

图15 综合体育场吊车与胎架布置

图16 综合体育馆吊车与胎架布置

图17 训练馆和游泳馆吊车与胎架布置示意

⑵屋面找形可尽量降低屋面拱度，以增加拉索角度，提高拉索受力效率，同时结合结构方案和建筑造型优化柱网布置。

⑶本项目大跨度屋盖空间关系复杂，现场定位容易出现偏差。支撑钢屋盖的支座可采用纠偏支座体育馆备选弦支穹顶方案索撑布置，降低现场安装误差。