2022年北京冬奥会国家雪车雪橇中心
遮阳棚结构体系设计研究

文/任庆英，张晓萌，刘文珽，等

2022年北京冬奥会国家雪车雪橇中心(图1)位于北京市延庆赛区西南侧,总占地面积18.69万m²,总建筑面积5.26万m²,是中国第1座雪车雪橇场馆,在2022年北京冬奥会上成功地举办了雪车、钢架雪车和雪橇等各项赛事。雪车雪橇项目主要包含赛道区、出发区、结束区(含场馆媒体中心)、制冷机房、训练道冰屋、运营区等功能及附属建筑。

国家雪车雪橇中心由遮阳棚、赛道、基础三部分组成,遮阳棚为整个赛道的遮阳系统,也是一个主要亮点。因场地选址原因,国家雪车雪橇中心是世界上首个设置在山体南坡的场馆。相比北坡,南坡太阳辐射及直射时间较长,会导致部分冰面软硬不一,直接影响赛道的安全性和运动员的竞技水平,制冷能耗也会随之攀升,因此需要通过设计手段避免赛道被阳光直射。

为此,设计团队提出了让雪车雪橇场馆“南坡变北坡”的设计策略,研发了“地形气候保护系统”,提出大悬挑钢木组合遮阳棚结构体系,使处于南坡的雪车雪橇赛道节能效率不低于北坡,遮阳棚设计的合理性直接影响赛道功能、建筑外观、节能效果及工程造价。

基于观赛需求遮阳棚通常采用单边悬挑结构,在传统北坡赛道中由于遮阳问题并不突出,遮阳棚只要做到覆盖赛道即可,因此北坡场馆的遮阳棚悬挑跨度并不要求很大,一般3.0～3.5m即能满足需求,可采用单柱悬挑具有一定仰角的钢挑棚。

地处延庆赛区南坡山地上的国家雪车雪橇中心的遮阳棚必须采用大跨度悬挑结构方能满足基本要求,根据建筑外形及功能特点,遮阳棚的结构受力端支撑长度均不超过2.5m,而悬挑端最大跨度需达到13m,经过多方案对比分析,本项目首次采用了新型大悬挑钢木组合结构体系,实现了建筑外观、功能与结构的有机统一。图2为建成后遮阳棚外观实景。

根据遮阳棚功能特点和大悬挑需求,进行了钢结构与钢木组合结构两种结构方案的对比:

（1）相对于钢木组合结构体系,钢结构无法直接满足建筑师要求的结构外观要自然且体现木纹的特征。

（2）遮阳棚随赛道蜿蜒变化,每5～7m设置一榀桁架,主结构共251榀桁架,悬挑长度在7～13m之间变化,每一榀悬挑长度都不相同,所以无法实现钢结构构件标准化生产,加工、制作、安装困难,而胶合木具备随意切割的特性。

（3）延庆赛区为山区,风荷载较大,需考虑风掀荷载。因此,要额外增加屋面做法及钢结构重量以满足抗风设计需求,实腹式胶合木很自然地增加了自重,而格构钢梁就需要额外配重,如采用钢结构需要考虑增加2kN/m²的压重,无法实现钢结构轻质高强的效果。本项目通过采用钢木组合结构使得最大向上风吸力小于结构自重。

（4)遮阳棚支座处的两列柱沿纵向为V形钢柱,沿横向柱底近于铰接。因此柱顶与桁架连接节点须为刚接,而钢管柱与钢管桁架的相贯节点难以成为刚接。

基于此,遮阳棚采用了钢木组合结构体系,其主结构由V形钢柱和与建筑造型完全匹配的胶合木实体异形梁构成,为弥补木材的抗拉性能不足,在组合木梁的上部受拉区域设置钢拉索,并与其内部钢构件共同构成了大悬挑钢木组合结构,保证了遮阳棚体系的整体受力性能和快速加工、安装的需要。

同时,这些钢构件和钢拉索均为标准构件,可以批量加工制作,每榀木梁的尺寸变化根据建筑外形需求通过切割胶合木层板加工件予以实现,大大提高了木梁的加工和安装效率,而且实现了建筑与结构的统一,251榀木梁从加工到安装完成不足7个月,保证了赛区场馆施工工期进度。

图3为遮阳棚与赛道的构造示意及V形柱体系,其中遮阳棚V形钢柱截面尺寸为250mm×20mm,木梁厚度考虑了防火碳化深度总计390mm,由三层同等组合胶合木板构成,外层两侧为120mm厚,中间层为150mm厚;在150mm厚度板内设置钢构件,以同时增强胶合木梁的整体工作性能及抗拉性能。图4为赛道及遮阳棚施工顺序。

（a） 遮阳棚与赛道构造示意

(b)遮阳棚V形柱体系

2.2 遮阳棚体系的构造及受力机理

2.2.1 遮阳棚体系的构造

图5为遮阳棚结构的构造示意图。遮阳棚悬挑木梁由内芯钢构件与三片胶合木梁组合而成,其中胶合木结构由两片完整三角梁及其之间连接的中间梁组合而成,如图5(a)所示。钢构件及钢拉索系统设置于中间梁上,隐藏于两片三角梁之间,如图5(b)所示。主体结构完成后上部布置木檩条,如图5(c)所示,檩条系统采用成熟工艺、标准件现场组装,檩条通过现场打钢钉与主体相连,施工快捷简易,然后在上面铺设木瓦层,如图5(d)所示,最后形成完整的遮阳棚体系。

（a）钢-木组合悬挑梁拼装方式

（b）钢-木组合悬挑梁拉索布置方式

（c）遮阳棚檩条布置方式

（d）遮阳棚木瓦布置方式

遮阳棚因功能及建筑外形要求,结构选型必须是单边悬挑结构,而且支撑段只有2.5m,悬挑跨度最大近13m,同时要求外观为木质效果。

结合遮阳棚功能特点,在其平衡段设观景步道,遮阳棚体系受力机理如下:

每榀木梁由两列V形钢柱支撑,前侧钢柱为支撑端,即为受压端,用于支撑上部结构荷载;

后侧钢柱为平衡受力端,为受拉端,承受前端悬挑部分带来的拉力;

尾部平衡端结合参观步道,设置预制混凝土板作为平衡悬挑端的配重;

顶部钢拉索为主要承担拉应力的组件,通过尾部张拉端分阶段张拉,使之达到受力处允许变形要求,具体受力机理如图6所示。同时后端的钢柱下部设置抗拔桩来平衡悬挑段带来的拉力。

本次风洞试验在北京交通大学风洞实验室BJ-1号风洞低速段完成。根据建筑条件,按1∶75的缩尺比制作模型,其中出发区和回旋弯遮阳棚的风洞试验模型如图7所示。

试验中风向角按逆时针方向间隔10°递增,每一段试验模型共模拟了36个风向。通过风洞试验可以获得不同工况下遮阳棚的风致响应云图,图8为出发区和回旋弯遮阳棚的最不利μ_sμ_z分布云图,其中μ_s为风压高度变化系数,μ_z为风荷体型系数。

上述试验结果为遮阳棚结构精细化抗风设计提供了有力的支撑。需要说明的是,由于山区风荷载条件较为复杂,遮阳棚主体设计过程中依据风洞试验成果对关键部位的风荷载进行了必要的放大(风荷载放大到常规的1倍以上),并采取了有效的构造措施,以达到安全、经济的设计要求。

遮阳棚结构体系所有V形钢柱的钢材均选用Q355D,截面根据悬挑段长度和荷载情况采用φ245×20～φ450×30不等。

屋盖结构主梁采用钢木组合梁,主梁之间的连系梁采用材质Q355D级截面100×200×6×6方钢管以减轻屋面自重,屋面板为OSB板。

胶合木主梁使用树种级别SZ3、强度等级TCt28的欧洲赤松,强度设计值依据《木结构设计标准》(GB 50005—2017)]取值,其中木材抗弯强度f_m取19.5N/mm²,顺纹抗压强度f_c取16.9N/mm²,顺纹抗拉强度f_t取12.4N/mm²,弹性模量E取8000N/mm²。

钢拉索采用直径40mm的高钒索,极限承载力为1440kN。屋盖结构试验按照《木结构试验方法标准》(GB/T 50329—2012进行。

抗震设防烈度为8度(0.20g),设计地震分组为第二组,水平地震影响系数最大值α_max和加速度最大值采用《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)与安评报告较大值,其中α_max取0.182 5,竖向地震影响系数最大值α_vmax取值为α_max的65%,即α_vmax=0.1825×0.65=0.1186。

风荷载作用下位移验算时,基本风压取0.45kN/m²;承载力设计时,基本风压取值按0.50kN/m²和风洞试验报告中计算风压的较大值。

由于建设场地为北京周边高海拔山区,基本气温和市区存在较大差异,根据《北京2022年冬奥会及冬残奥会延庆赛区多站气象要素统计分析报告》(2014年10月～2017年12月气象资料),国家雪车雪橇中心场地最高气温达到35.4℃,最低气温达到-25.3℃。设计时参考相邻台站资料,最低基本气温取-30℃。

为保证工期和降低施工难度,V形钢柱底采用销轴连接的铰接柱脚,V形钢柱上端与钢木组合梁、连系梁为刚接。根据建筑功能和赛道分段情况,遮阳棚结构体系每隔50～70m设置一个结构段,每个结构段均采用有限元分析软件Oasys GSA分析多种组合工况(重力荷载、活荷载、风荷载、地震、温度作用)下结构的内力与变形。

图9为典型结构段分析模型在多遇地震组合工况下的侧向变形云图。由图可知,典型结构段在多遇地震作用下最大侧向变形位于悬挑端部位置,变形均满足《胶合木结构技术规范》(GB/T 50708—2012)要求限值l/200。

图10为典型结构段动力特性振型分析图。由图可知,遮阳棚典型结构段第一阶、第二阶振型均为平动,第三阶为扭转振型。第三周期与第一周期的比值为0.56<0.85,满足规范要求。其他结构段情况均与该典型结构段类似。从图9、10中可以看出,结构各个方向的最大变形均在悬挑端部发生,X、Y向变形均较小,为Z向的1/4左右。

不同工况下的分析结果表明,典型结构段在1.35DL+0.98LL工况下,V形钢柱轴力最大,达2114kN(图11(a)),此时钢拉索的最大拉力为213kN。

在1.2(DL+0.5LL)+1.3E_Y+0.5E_Z工况下,V形钢柱上端弯矩最大,达319kN·m(图11(b)),位于柱间中部木梁下方;次梁弯矩为110kN·m。通过上述最不利外力即可进行构件设计。

对不同组合工况下的单榀木梁进行了精细化有限元分析,结果表明,胶合木梁在1.35DL+0.98LL工况下拉应力最大,由此可知,胶合木梁的承载力由重力工况控制。

图12(a)为1.35DL+0.98LL工况下胶合木梁的应力分布云图。由图可见,胶合木梁最大拉应力为9.14MPa<19.5MPa,满足规范要求。

图12(b)为1.35DL+0.98LL工况下钢木组合梁内部钢构件的应力云图。由图可知,钢构件最大应力为264.7MPa<295MPa,亦满足规范设计要求。

(1)针对国家雪车雪橇中心,提出了一种新型大悬挑遮阳棚结构体系,该结构体系由多榀钢木组合悬挑梁组成,每榀钢木组合悬挑梁由胶合木梁、钢拉索、V形钢柱组合而成。通过结构整体计算分析验证了该新型结构体系具有良好的受力性能,是充分发挥钢和木材各自优良性能的新型结构体系。

(2)基于不同方案的对比分析,提出了适用于国家雪车雪橇中心的新型大悬挑钢木组合结构体系的具体构造形式,并探究了该结构的受力机理,通过开展风洞试验,探究不同形态下遮阳棚体系的μsμz分布。为类似的项目设计提供参考。

(3)通过对新型大悬挑遮阳棚结构进行整体数值分析及局部精细有限元分析,探究了该新型结构在不同设计工况下的受力响应,并验证了该新型结构体系的可行性,通过不同工况的比较,找出不同构件和节点的主控受力工况,对相关构件进行设计,该设计流程可为类似工程设计提供参考。