雄安体育中心体育场结构设计

雄安体育中心项目总建筑面积约18万m²。主要建设内容包括体育场、体育馆、游泳馆三个主要单体以及附属配套设施，如图1所示。项目中体育场建筑面积约9.7万m²，其中地上面积3.7万m²，地下面积6万m²，座位数3万座。体育场绝对标高为11.650m(1985国家黄海高程)，地上四层，地下两层。

雄安体育中心的建筑整体设计理念为：在山水延绵的低密度城市画卷中，篆刻点睛之笔的“中华印”。突出在中国风格的城市中塑造大型场馆独有的空间感、氛围感。屋顶靠近内侧部分通过透明材料使更多的阳光可以透射进球场内部，保证草皮能够接受充足的日照^[1]。

体育场地下室结构平面尺寸约为279.40m×244.80m，看台和屋盖外轮廓尺寸约为250.00m×214.00m，如图2所示。

体育场地上部分采用钢框架-支撑体系，主要由屋顶中央网壳、屋盖钢结构和底部看台钢结构组成；地下室混凝土结构采用框架-剪力墙体系^[2]，具体结构体系如图3所示，整体剖面如图4所示。

体育场座位数为3万座，按《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)^[3]，属于中型体育场，划分为重点设防类(乙类)。根据《雄安新区地震安全专项规划》文件中的相关要求，体育场按基本抗震设防烈度8度半(0.30g)进行抗震设计，100年重现期的风压w₀=0.45kN/m²，地面粗糙度类别为B类，风振系数最大值为2.18，位于中心铝合金屋盖处。

屋盖和看台钢结构采用Q355D和Q390D。屋盖钢结构的典型截面为：径向杆件φ377×10，环向杆件φ273×8，腹杆φ219×6、φ273×8，内压环φ457×16，树形柱和分叉柱主要为φ457×16。看台钢结构典型的框架柱截面为□800×800×30×30，框架梁截面为H800×500×20×35，外侧V形柱为φ700×20。

恒载由结构构件自重和附加恒载组成，附加恒载包括建筑面层、吊顶和隔墙等，常规活载按规范取值，结构上的超重节点将通过附加节点荷载的方法施加。

为达到室内无直立柱的建筑效果，同时考虑下部结构对屋盖的承接作用，体育场设计中将下部结构的拓扑逻辑与屋盖对应，在径向上形成平面斜柱框架以保证结构的抗侧能力，在环向上利用外立面幕墙的造型特点，设置外围V形柱和斜交梁以提高结构整体的扭转刚度。下部看台钢结构体系主要可拆分成四部分：看台钢结构、外幕墙V形柱、环向连接桁架和南侧拱桁架，如图5所示。

根据外立面幕墙表皮变化的逻辑关系设置V形柱，结构的抗侧刚度和扭转刚度由地面上方的V形柱和空中步道的水平桁架提供。V形柱底部为固定铰接，平面外通过水平桁架约束，水平刚度较大，在计算中计算长度取为1.0。柱脚节点详图如图7所示。

为了保证南侧敞开、通透的建筑效果，并支撑屋盖结构，设计中南侧设置一榀拱形桁架，拱形桁架跨度为143.9m，如图8所示。

对于预制看台板，采用组合型肋梁看台板的受力形式^[5]。看台板由清水混凝土和钢梁两部分组成，上部为混凝土梁，下部为H型钢，两者之间通过抗剪连接件——圆柱头焊钉连接，形成组合梁式受力。看台板两侧通过连接件与径向斜看台梁进行连接，形成铰接节点，看台板详图如图9和图10所示。

预制清水混凝土看台板底部的型钢梁典型截面为HN400×200×8×13，顶部的混凝土肋梁高随着看台踏步改变而变化。看台板安装在钢结构径向斜梁上，其计算模型为简支梁。组合型肋梁充分发挥了材料性能，在同等跨度的情况下，其自重小于传统混凝土看台板，有效地降低了看台钢结构的竖向负荷以及地震作用下的内力。

本体育场基本抗震设防烈度为8度半(0.30g)，地震作用较大^[3]。为降低地震作用带来的不利影响，体育场设计中采用了速度型黏滞阻尼墙^[6]的减震措施。

图11为黏滞阻尼墙在一层平面布置图。黏滞阻尼墙在地震作用下，可提高整体结构的阻尼效应，降低结构受到的地震作用，并有效提高结构的延性。考虑到项目的重要性，阻尼墙仅在大震作用下提升结构延性，而在小震和中震设计中，保守地不考虑其带来的有利作用，而作为结构在地震作用下的安全余量储备。

典型黏滞阻尼墙滞回曲线如图12所示，在罕遇地震作用下，该墙体出现的最大轴力值约1500kN。在罕遇地震作用下结构能量耗散如图13所示，由图可见，黏滞阻尼墙耗能占比5%。

由于拱效应的影响，初步计算结果显示，在标准荷载组合下拱脚的水平推力就已达到13424kN，在极限荷载状态下拱脚的水平推力可达20019kN，给底部支撑混凝土结构、支座节点的设计带来了较大难度。

为了降低拱脚的水平推力，设计中进行了施工工序的优化^[7]，即考虑在看台钢结构和屋盖钢结构安装过程中，让拱桁架底部沿着跨度方向自由变形，而在屋盖和看台钢结构完成水平变形以后再进行滑移的锁死，传递后续使用中的荷载。标准荷载组合下优化后拱脚的水平推力降低为4 238kN，仅为优化前水平推力的1/3。

屋盖钢结构的外轮廓线接近矩形，平面尺寸约为250m×214m，内场开洞亦呈矩形，其平面尺寸约为149m×88m，如图14所示。屋盖结构由外围钢结构网架和内侧张弦网壳两个部分组成，通过树形柱和分叉柱支承于底部看台钢结构上。

基于建筑上下表皮之间的空间逻辑关系以及建筑对竖向支承构件尽量少的要求，外围钢结构区域屋盖采用了空间双层异形网架的结构体系。其原则是充分利用建筑表皮曲面的空间特性来形成足够大的面内刚度，从而在竖向支承构件较少的情况下也能实现建筑师所需求的悬挑，钢屋盖结构体系组成如图15所示。

体育场屋盖内侧部分采用铝合金张弦网壳的结构形式，以达到轻薄的特点，同时降低外围钢结构异形网架的受荷负担。铝合金结构具有自重轻、耐腐蚀程度高等特点，其连接采用板式节点。由于铝合金可根据不同项目压制成型，使得中央区域实现一体化屋面体系，免去了阳光板额外的主檩和连接节点，极大地降低了构造层的厚度、增加了中央区域的通透性。

由于建筑的特殊造型，结构在南北、东西两个方向上跨度相差较大：南北向悬挑跨度为10m，东西侧分布两个半椭圆扇，悬挑跨度为40m。

为了实现平面上差别较大的跨度并保证索力均匀，设计中采用了一种分索式索承铝合金网壳结构体系。该体系主要由顶部的铝合金单层网壳、撑杆和下层索网三个部分构成，如图16所示。

分索式索承铝合金网壳体系底部索网的布置依托于顶部网壳的造型，由环索和36组径向索组成。环索呈东西低、南北高的马鞍形布置，高差约为5m。为实现屋盖东西侧开扇的跨度，环索在45°角处由单束分叉为双索，该区域相应地设置双径向索和撑杆，形成“弦支穹顶”阶梯式的传力。项目中，径向索规格为φ45～φ65，环索规格为φ70、φ80。在网壳东西侧跨度较大区域，撑杆顶端设置树形分叉，以更有效地提升上部单层网壳的刚度^[8]。

同时，由于铝合金结构刚度相对较低，分索式索承铝合金网壳体系中两道外圈环梁及东西两侧檐口采用钢结构，钢梁起到“加强肋”的作用，以提高整个体系的受力性能和刚度^[9]。整个张弦网壳以最外侧钢环梁为受压环，以环索为内拉环，形成一个自平衡体系，体系通过成品铰支座支承于外侧的钢结构异形网架上。

铝合金网壳构件间的连接节点采用板式连接节点。节点板直径670mm，节点板厚度20mm。节点板材料为铝6061-T6，铝合金网壳连接节点如图17所示。

由于部分杆件，特别是在树形柱处，受到的剪力较大，常规铝合金网壳构件的连接节点采用板式连接节点。板式节点可有效传递轴力和弯矩，同时通过节点板的面外抗剪能力传递一定量的竖向剪力。

通过有限元计算，在剪力较大处，剪应力最大为411MPa，出现超过屈服强度355MPa^[10]的区域较明显。因此采用了设置腹板加强板的做法^[11]，加强后节点板剪应力明显减小，加强前后节点板von Mises剪应力对比如图18所示。

本文已刊登于《建筑结构》2023年第1期,题为《雄安体育中心体育场结构设计》,作者: 徐晓明，高峰，叶伟，张士昌，史炜洲，潘 钦，周露，万瑜,单位: 上海建筑设计研究院有限公司。欢迎订阅。

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责任编辑：张梅花

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