半岛官方网站某体育馆结构设计及关键技术分析某大学体育馆，地上3层，总建筑面积12600 m2，容纳观众席位8256席(含1090座活动席)，是一座集体育教学、比赛、学校庆典、展览和大型会议演出活动为一体的多功能型综合体育馆。图1是其平面简图和纵横剖面图，平面形状近似于一桃形，长轴(y向)尺寸72.5 m，短轴(x向)尺寸69 m，该馆在建筑平面布局上，把1/4的体育场与体育馆联建于一处，既能节约用地又可发挥场馆内部设施共用的优势。体育馆钢屋盖顶标高26.43 m，由空间管桁架和一跨度为100.3 m的钢管桁架大拱共同组成，屋盖挑檐最低标高11.73 m，上覆复合金属保温屋面，大拱顶标高24.98 m.钢屋盖下至一层休息平台间，采用倾斜玻璃幕墙维护体系将体育馆与室外分隔，体现了体育建筑的动感与力度。
先按x向为主方向做输入，图6给出了计算所得的最大楼层位移和层间位移角曲线结果。可知，主方向楼层最大层间位移角为1/123，次向为1/191，满足规范关于弹塑性层间位移角1/50限值的要求。
当以y向为主方向做输入时，得到结构最大楼层位移和层间位移角，分别为152.8 mm和1/115，依然满足大震下的层间位移角1/50的变形要求。
从图中还可看出看台层以下一层是本工程的薄弱层，故将看台层处与型钢混凝土柱相交的斜梁和环梁做加强，并在施工图设计中，将型钢混凝土柱下插一层。
钢屋盖大拱带给下部结构的最大难题就是如何解决水平推力。本工程钢屋盖大拱在F轴、G轴线上梁及柱的某些位置上有支点，因此一定程度上已减小了拱传给基础的力。大拱最终通过固定铰支座，与室外地面上左右两侧两个拱脚墩相连，每侧传给拱脚墩的力可分解为竖向压力和推力，基础的设计必须保证能够安全地承担拱脚墩荷载。
平面图桃形体育馆的下部为露天体育场看台，长向尺寸114 m，短向尺寸17 m.在体育场处设2道抗震缝将整个建筑划分为左下部体育场看台、右下部体育场看台和中部场馆联建部分共3个结构单体。场馆联建部分靠近体育场一侧设月牙形挑蓬，最远端悬挑长度15.5 m，采用空间钢管桁架加交叉支撑，直接从钢筋混凝土柱上挑出，此挑蓬在结构上与体育馆上部钢屋盖和大拱是完全脱开的。
1)在F轴和G轴上布置两排柱，以形成框架传递水平力，并设混凝土斜撑，以分担一部分挑蓬对F轴上柱产生的弯矩，如图3所示。
2)F轴和G轴上的梁还支撑着大拱，故将该两轴线，相邻H轴线 mm，计算时采用弹性板，配筋双层双向拉通。
拱脚墩的平面形状设计，是由于要承受两个方向的水平推力，所以设计成丁字型。拱脚墩的平面布置和立面形状设计，应保证使大拱传来力的力线通过墩身和承台形心，详细尺寸由钢拱外力及埋件大小确定。拱脚墩配筋根据钢拱外力大小，配置纵向受力筋、纵横向箍筋和弯起钢筋，施工现场照片如图5所示。
看台层以上15.0 m标高处的场馆联建部分，是体育馆钢屋盖、大拱和体育场挑蓬的交汇处，是结构布置的关键部位。
靠近体育场一侧，为体育场挑蓬提供悬挑支座的柱予以加强，两端柱取φ1000圆柱，中部柱截面取800×1400(沿悬挑方向)。为避免出现单悬臂柱，使体育场挑蓬传来的力更好地传递给下部结构，设计采取了如下措施
【摘 要】体育馆跨度大,造型独特,采用大钢拱及钢管桁架屋盖,下部混凝土框架结构,具有屋盖推力大、柱内轴力和弯矩大、基础设计难的特点,目的就是为解决上述难点.采用型钢混凝土柱提高承载力,抵抗较大的轴力和弯矩;设置钢筋混凝土斜撑和双排柱的框架体系,合理分担体育场挑蓬产生的弯矩,并支撑钢屋盖大拱;对屋盖下混凝土圈梁和与型钢混凝土柱相连的看台层圈梁和斜梁进行加强,以平衡屋盖推力,增强结构的整体性.屋盖大拱拱脚墩下基础采用考虑柱身水平承载力的联合柱承台加连梁的方案.设计结果表明,结构满足规范的各项要求,文中方法和结论,可为类似工程设计提供参考.
采用PKPM/SATWE系列软件，在合理地结构布置和荷载施加的基础上，计算前12个振型即可使x，y两个方向的有效质量参与系数都超过90%，得到一些主要指标，均满足规范相关条文的要求［3］，具体列入见表1.
从配筋计算方面而言，看台层连接φ1000型钢混凝土圆柱与内部混凝土方柱的所有看台层斜框梁是重要结构构件，配筋时应适当加强。φ1000圆柱柱顶的混凝土圈梁，周边无楼板拉结，又起着分担钢屋盖推力、外接玻璃幕墙和加强结构整体性的重要作用，因此截面做至800×1000，梁内纵筋、箍筋和抗扭腰筋均做加强。
对于拱脚墩下的桩，提高桩身配筋率至1.5%，并根据土层情况及桩基技术规范第5.7节［8］可估算出单桩的水平承载力设计值约为60 kN，则每拱脚墩下需布18根桩。此外，将与拱脚墩承台相连接的承台梁加宽至400，高度也适当加高，以加强拱脚下基础结构的整体性［9］。
拱脚墩结构的设计主要考虑2个因素:①拱脚墩的平立面形状及尺寸；②拱脚墩自身的承载能力。图4给出了本工程拱脚的设计简图。
为验算结构在罕遇地震下的变形情况，采用EPDA软件进行弹塑性时程分析［10］。本工程场地类别Ⅲ类，设计地震分组第一组，特征周期值0.45 s，抗震设防烈度7°，故选用一组人工模拟的加速度时程曲线)和两组实际强震记录(TH1TG045及TH2TG045)，取地震地面运动主向最大加速度值为220 cm/s2。
5)大震下的时程分源自文库计算结果表明，本工程的最大层间位移角满足结构在罕遇地震下的变形要求，结构设计是安全的。
由于钢管桁架屋盖不设拉索，故会对下部混凝土支撑结构产生水平推力，屋盖下面一层柱的柱根处产生较大弯矩。
此外，建筑专业为了协调与美观，要求支撑钢屋盖的混凝土柱采用圆形截面，且尺寸最好不超过φ1000，如图2所示布置。
图8是本工程体育场看台，以及体育馆钢屋盖和体育场挑蓬交汇处钢筋混凝土梁柱施工现场照片，本工程现已交付使用。
2)在场馆联建部位设钢筋混凝土斜撑，使支撑挑蓬的柱与周边混凝土梁板拉接，避免单悬臂柱。结合建筑房间布置，设置两排框架柱，合理传递水平力，并为屋盖大拱提供支撑。
3)看台层上型钢混凝土柱长度的确定应兼顾柱顶受到的剪力和柱根产生的弯矩，并尽量接近实际柱高。加载时应注意上部钢屋盖及大拱传来力的方向。
4)拱脚墩的设计应使大拱传来荷载的力线通过墩身及承台形心。墩下基础采用考虑桩身水平承载力的联合桩承台加连梁的方案是可行的。
本工程采用了以下加载方法:建模时本层柱取一统一高度，此高度需兼顾考虑使柱顶的水平推力和柱底产生的弯矩尽量与实际结构相近。
体育场挑蓬采用空间管桁架，上下弦杆件最终通过埋件连接节点把力传给F轴上的柱和混凝土梁。钢屋盖大拱也通过撑杆及节点板与F，G轴上的梁和柱相连，这些力必须准确地通过柱间和梁间荷载施加到下部混凝土主体结构之上，施加时注意各力的方向。
看台层标高以上，B轴上的型钢混凝土柱，由于钢屋盖的造型要求，导致各柱柱顶标高变动范围在14.072～19.338 m间，差异极大。此外，各柱柱顶钢管桁架传来的x，y两个方向的水平推力又各不相同。
1)采用型钢混凝土柱支撑钢屋盖，可提高承载力，减小柱截面。与型钢混凝土柱相连的柱顶圈梁、看台层圈梁以及看台层斜梁是需要加强的重要部位，加强措施为适当增大梁截面和梁内纵筋、箍筋及抗扭腰筋。
结构方案确定阶段，通过试算，发现这样的混凝土柱截面超筋［1］。为配合建筑师的创作意图，需采用型钢混凝土柱，以提高承载力并减小柱截面。故本工程B轴线m的型钢混凝土圆柱，柱内型钢截面采用十字花型(250×650×35×25)，含钢率约8%，满足规程要求［2］。
由于这些柱顶部无混凝土楼板拉结，故将柱顶混凝土圈梁截面加大至800×1000，以加强各柱间的连接。
本工程抗震设防烈度7°，场馆联建部分单体抗震等级二级，基本风压0.55 kN/m2，建设场地类别Ⅲ类，设计使用年限50 a.采用型钢混凝土框架结构，构件混凝土强度等级C30，主要柱网尺寸8 m×9 m.上部钢屋盖下的主要支撑柱采用φ1000的型钢混凝土柱，层高为:一层4.8 m，二层5～9 m，看台层2.27～5.67 m，采用现浇梁板形式。由于建筑体型复杂，荷载差异大，结构体系存在悬挑和大跨，以下着重讨论设计中的几个关键问题。
拱脚基础的设计方法通常有3种［4－6］:①在拱脚墩下打斜桩；②在两拱脚间设置预应力拉杆；③考虑桩身水平承载力的联合桩承台半岛综合体育，群桩基础加承台梁的方案。
第一种方案传力直接，但需特殊的沉桩设备，且施工现场成熟使用的复合载体夯扩桩的成桩方式［7］，不宜做斜桩，因此排除斜桩。第二种方案可采用在地下埋设PPR管，管内对拉钢绞线，预拉力施加完毕后在管内灌实防腐油膏，此法能有效解决水平推力，但缺点是预应力的施工需与上部结构荷载递增同步进行，预应力拉杆的贯穿设置需同时考虑承台梁及采暖地沟的布置，此外后期维护也较为困难。因此本工程最终决定采用第3种方案。