□ 刊发于《中外建筑》
2005年第3期
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贺龙体育场空间钢结构屋盖设计与研究
杨晓
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Design of rooftop and study structure on Helong staclium sqace steel
杨晓
Yang Xiao
摘 要：本文探讨了空间钢管桁架的设计，直接相贯焊接空间钢管节点的计算分析等问题。对体育场结构设计方法和经济性控制提出了建议，提供了可供相关体育场设计作为参照依据的实用数据。
关键词：体育场;空间钢管桁架;直接相贯焊接钢管节点
Abstract：This article sudies and submits a report consisting of calcu－tion and analysis of strucure and multiplanar CHS joints and the de－sign of multiplanar steel tubular truss.It raises a proposal about the fea－sibility design means of gym and of multiplanar CHS points, and pro－vides practical data which can be utilized as refered data in the later design of stadium interrelated.
Key words：gymnasium,multiplanar steel tybylar struss,multiplanar CHS joints
中图分类号：TU231
文献标识码：B
文章编号：1008-0422(2005)03-0042-03
1、概况
体育场作为建筑设计中的一个类型建筑，具有极其独特的功能需要和建筑审美取向，往往是所处地区的标志性建筑或中心建筑。随着新材料、新技术和对结构形式研究的发展不断更新变化，空间结构在体育馆屋盖和体育场看台挑蓬中的应用越来越多。
贺龙体育场是全国第五届城市运动会的主场、湖南省重点工程，处于市中心，是新世纪文化中心的核心建筑，又是长沙新的标志性建筑。该建筑造型寓意芙蓉花，优雅独特，目前国内尚无类似结构。该工程总建筑面积约13万，顶盖面积4.5万，能同时容纳6万人。空间钢结构屋盖设计是整个工程项目中的重点。
2 钢结构顶盖的方案比较
2.1悬吊结构：在体育场周边设置四个约70m高的钢塔，由径向和环向空间钢管桁架组成的单一整体屋盖，后端以混凝土柱做支座，前端通过箱形内环梁用钢索斜拉于钢塔上。该方案对场地要求高，影响看台布置，温度变形处理困难，钢索施工难度大。
2.2空间网架：该方案是较传统的结构设计方法，工艺成熟质量稳定。其缺点在于杆件多、节点大、空间关系复杂，与建筑设计的十四片芙蓉花瓣造型的简洁大方不协调；由柱点支撑的板式结构作长悬臂其受力不如桁架结构直接明确；现场焊缝多，拼装复杂，施工搭架工作量大；且经济性与桁架方案相比也没有较大优势。
2.3空间桁架方案：桁架结构作为悬臂构件结构传力路径明确，受力方式合理；空间杆件关系简单，主桁架间用次桁架连接，没有很多多余杆件，比较能符合建筑美观、简洁、大方、新颖的设计观念；施工采用工厂制作，单榀吊装，施工效率高，工期紧凑。
3 桁架的设计
3.1桁架整体布置
桁架向场内悬挑平均35m。在设计中经过方案比较，决定采用空间钢管桁架。根据下部柱间距的要求和檩条的跨度及其经济性，主桁架榀间中心距定为两个柱跨为16m，这样可以使主桁架榀数较少，主次桁架的受荷面积合理，桁架高度较小；主桁架的宽度为3.5m，榀间净距为12.5m（即檩条跨度）。每四榀主桁架组成一片屋盖。总共12片单独屋盖构成体育场的完整顶盖。
设计在主桁架间设置四榀次桁架作为横向连接，次桁架分别位于主桁架前后两端，前支座和斜撑前两个节间。主桁架与次桁架形成了四纵四横的空间结构，有效承受各种荷载，协调桁架间变形，满足双向的稳定。计算结果表明，这种结构布置方案很经济，受力合理。
单片屋盖径向边缘为曲线平面桁架。屋盖间只有檩条和屋面板的活动连接，在结构上是完全脱开的，这种布置方式，目前国内是首次。完全脱开的单片屋盖彻底避免了在以往顶盖设计中的温度应力问题，省却了大量的设计构造措施和施工保证措施，加快了工期，节省了造价。因各片屋盖间可以自由变形，不需要在场内端设置大的连接梁或桁架以协调变形。
屋盖整体布置如图:
3.2 桁架的形式
所有桁架均采用圆钢管，较之于型钢构件，钢管桁架有以下优点：取得建筑美学上很好的效果；较大的截面惯性半径可提供非常优良的柱特性并减轻结构重量，从而进一步减少运输与安装费用；钢管截面的表面积仅为相类似的工字形截面的表面积三分之二弱，这样会减少涂漆与防火保护的费用；闭口截面的抗扭性能较开口截面要高得多；管结构较容易除尘，且没有突缘、连接部位及其它容易积聚灰尘的地方；体育场顶盖是一个风敏感结构，管结构所具有的光滑表面比用其它型钢制造的类似结构所引起的风荷载要少得多。
主桁架的侧立面形状的确定主要遵循以下原则：
根据建筑屋面形状的要求，尽量减小檩托的高度(可以用檩条和屋面板的蒙皮作用加大屋盖的侧向刚度，增强整体性，若檩托高度很大，则这些有利作用将大大减弱)；尽量与桁架的弯矩包络图吻合，使用变截面，以节省用钢；使钢管工厂下料加工方便，施工准确，上下弦杆的弯曲均为圆弧，曲线方程简单统一，为了使加工更便捷，所有主桁架的下弦的曲率和长度完全一致，即为同一制作原件，大大地减小了制作难度和周期；考虑观众席往上对桁架的观感，使桁架下弦和前撑杆完全一致。
次桁架的截面选择没有按国内一般工程经验使用相同的不变的截面，而是根据次桁架与主桁架连接处节间的位置，以此节间的形状作为次桁架的截面形状。
这样，次桁架完全与主桁架连接处等高，次桁架上下弦杆分别与主桁架上下弦杆直接相贯焊连接，保持了节点连接的一致性，结构很有规律，整体性很好。
次桁架的侧立面形状为上下弦等高，依据屋面环向起拱的曲线作为上下弦杆的圆弧曲线，以支承构成双曲面屋面的檩条。
3.3 桁架的分析计算
设计中采用SAP2000结构分析程序进行计算。SAP2000是由美国加州伯克利CSI公司开发的大型通用结构分析程序，对此类空间复杂杆系结构可以做精确的模拟和计算分析。
4 节点计算与设计
4.1 基本概况
钢管间的连接方式有很多种，目前常使用的有焊接球、螺栓球、节点板，特制套管节点等各种各样的节点连接方式，这些节点连接构造复杂；加工费时、费料；在使用中的除锈和再涂装维护中困难；作为表现结构美的体育场顶盖，这些节点建筑观感很差。
近几年，在国内一些大型空间钢管结构工程采用了直接相贯焊接节点，取得一定的工程经验。国外从上世纪五十年代就开始钢管节点的试验，大量的钢管连接特性与设计的研究工作进行于70年代，大部分研究工作与CIDECT (国际钢管结构协会)相合作。基于在欧洲所进行的大量连接试验，在1981年，Packer与Haleem在加拿大发表了一套钢管焊接桁架连接的极限强度计算公式，随后国际焊接协会(IIW)成立了一个技术委员会(分委员会XUE)负责分析钢管连接方面的研究情况。在1981年这个分委员会发表了一套新的极限状态设计方法，并于1982年对这些方法作了修正。这些方法被认为是最合理的HSS连接设计方法，因为这些方法是基于一套所观察到的K、N、T、Y与X型接头的失效模式，并包含有大量的理论与经验修正。80年代对钢管结构的设计有了较深的认识，并有了一些有关HSS设计的正规出版物，如“CIDECT BOOK”(CIDECT 1984)以及有关于焊接接头静力设计的CIDECT专题论文No.6 (Gidding 与Wardenier 1986)。IIW于1985年总结了当时有关焊接钢管连接的疲劳设计，采用了热点应力法而不是根据焊缝特点分类的方法，之后又对其静载焊接钢管连接设计方法进行了更新，出版了这一设计方法的第二版(IIW 1989)。这一新的设计方法得到了国际上的广泛认可，被许多国际组织采用。如欧洲规范Eurocode 3. Aws D1.1 (Aws 1992, 美国最重要的有关钢管连接的设计规范)、CIDECT的钢管结构设计指导等。其它一些重要的相关专题文最近也发表于德国与日本。
钢管直接相贯焊接节点具有杆件不多，传力路线明确，构造简单，建筑效果美观等优点，在实际工程应用中不仅节省钢材和焊接工作量，而且更易于维护保养。尽管目前国内在这方面的研究很少，至今在我国的钢结构设计规范中没有空间钢管直接相贯焊接节点的计算公式，国内工程运用也不多。但国际上对此类连接节点已有较长历史且有较成熟可用的计算设计方法并已大量运用于工程：如加拿大多伦多sky Dome的屋顶结构，英国伦敦的千禧年穹顶，澳大利亚悉尼奥运主会场。因此我们决定在贺龙体育场屋盖钢桁架设计中全部采用直接相贯焊接节点。考虑到目前国内对此类节点的研究和使用均不充分，除了参照国外计算公式外，还对节点进行了多个足尺寸模型的试验和有限元分析，以对设计计算进行补充和校核。
4.2 节点设计分析：
钢管直接相贯焊接节点受力之后钢管汇交处应力状态十分复杂，个别应力点已进入屈服状态但整个节点并不出现明显的强度和刚度退化，在继续承受相当大的荷载后塑性区逐渐扩大到节点达到极限破坏状态，此时的极限荷载可达到2.5~8倍的初始屈服荷载。CIDECT及英国、日本等都在研究的基础上建立了钢管节点的计算公式，我国也在参照了别国公式的基础上制定了我国公式。
4.2.1钢管构造设计施工指针，同解说(日本建筑学会1990)
P1a=fα·fγ·fθ·fn·T 2·F'
fα=1.17+6.6β
容许承载力：fγ=1+γ0.2
fθ=
fθ=1+0.3n－0.3n2
β=，γ=，g’=，30°≤θ1，θ2≤90°
最大强度：P=2.14P1α
4.2.2英国1986规范：(1990规范同欧洲规范，同CIDECT规范)
N1=Pya·t02(1.8+10.2 )··f (γ’, g’)·f·(n’)
γ=，g’=
n’=
n’≥0，f(n’)=1.0
n’≤0，f(n’)=1.0+0.3n’－0.3n’2
f(γ,g’)=(γ)0.2 1+
4.2.3 CIDECT (国际管结构协会)
N1*=(1.8+10.2 )·f(γ, g’)·f (n’)
n’=
n’≥0，f(n’)=1.0
n’≤0，f(n’)=1.0+0.3n’－0.3n’2
f(r, g’)=(γ)0.2 1+
g’=，β=，γ=
4.2.4 我国钢结构设计规范(GBJ17-88)
NCpj=()0.2 ΨnΨdΨαt2f
Ψα=1+ 1-(1－0.77β)
σ≥0，Ψn=1.0
σ≤0，Ψn=1.0+0.3 －0.3()2
β=，与管外径与主管外径比。
在设计中挑选了很多工程使用的节点用各国公式进了拉管和压管的节点强度校核计算。
表4-1列出了部分节点的计算结果，从比较数值看，计采用的节点设计是合理的。
5 结论
贺龙体育场的全部设计完成于2001年12月底，于2003年竣工，已投入使用，主桁架主要采用上弦杆为Φ299×20和Φ299×16无缝钢管，腹杆采用Φ159×6和Φ180×12的无缝钢管。次桁架主要用到Φ159×6和Φ140×6无缝钢管。工程总共用无缝钢管3188.176T，屋面板及附件45717m2，钢结构用钢量为69.73kg/m2作为经济性指标，从用钢量上看，贺龙体育场工程的结构设计是非常经济的。结构造型，构件尺寸确定，节点设计均比较成功。
通过对贺龙体育场工程结构设计的研究与总结，以及在风洞试验、节点试验的基础上对体育顶篷风荷载反应和直接相贯焊接圆钢管节点的承载能力作了分析与研究。结论如下：
(1)体育场工程设计合理与否，能取得较好的经济性结构设计是关键，而在结构设计中，方案性的比较是结构设计的关键，选择一个最接近合理经济的结构设计方案远胜于在一个不太合理的结构方案上绞尽脑汁地去省工程土建成本。后者往往无法获真正有效的造价节约并容易导致结构出现局部薄弱，产生安全隐患。
(2)工程实践表明，纵横交错的空间桁架在大型体育场看台挑篷中的使用可以做到技术先进，合理经济，配合采用钢管直接相贯焊接节点，此类结构与网架结构相比具有明显的节省钢材和电焊工作量。经分析比较桁架结构较之于网架节省用钢量20%，而较球节点的用球量是相贯节点的1-4倍，球节点的电焊工作量为相贯节点的2~5倍。因此，在今后类似工程的建设中，相贯节点的空间钢管桁架结构构型式可作为一个主要结构类型予以比照。以选择最优方案。
作者单位:湖南省建筑设计院
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