体育场挑蓬结构的分类与基本原理

威儿

2022卡塔尔世界杯已将近尾声，在上一篇文章中，我们对卡塔尔世界杯八大体育场的结构体系进行了赏析。这篇文章中我们回归到最基本的设计原理部分，对不同体系的体育场挑蓬结构进行介绍。


体育场从结构设计层面主要有基础结构、看台结构、挑蓬结构三大部分，其中基础结构和看台结构相对成熟，变化性不多，主要关注点是结构造价，而挑蓬结构还要兼具塑造体育场造型的要求，外露的结构构件对结构设计师提出了更高层次的要求。这篇文章仍旧单从挑蓬部分进行介绍。
常用的体育场挑篷结构的基本力学模型可视为一悬臂梁，结构设计中一般需解决两个基本问题：根部抗弯机制和前端挠度控制。体育场挑篷结构形式细分为悬臂式、拱式、斜拉式和张拉整体式等四大类。
<hr/>1、悬臂式体育场

仅通过根部抗弯来解决承载和刚度问题，属典型悬臂梁受力模式。其对挠度的控制取决于根部抗弯机制和悬臂梁刚度分布。作为体育场挑篷中最常见的形式，根据挑篷支承点与下部混凝土看台的关系，可分单支点型和双支点型。



悬臂式体育场基本原理



典型悬臂式体育场剖面图

悬臂式挑篷结构主要需解决以下两个设计关键问题：首先是主结构的抗倾覆问题，可通过刚接柱脚或前后支点形成的力臂，有效抵抗倾覆；其次应合理布置环向结构和支撑体系，保证挑篷的面内刚度和整体稳定性，并有效发挥空间作用，实现变形协调和内力重分布，增强结构冗余度。



济南奥体中心体育场（双支点悬臂式）



2022卡塔尔世界杯974体育场（双支点悬臂式）

2、拱式体育场

拱与屋面的相对位置不同，力的传递方式和受力机制也不同。按拱式结构的受力机制不同主要分为拱支式结构和拱吊式结构。根据拱的布置方式，可将拱支式结构分成单拱支承结构和交叉拱支结构两种类型；根据拱与下部屋面的传力关系，可将拱吊式结构分为拱支吊挂式结构和拱支索拉式结构。



拱支式体育场基本构成



拱吊式体育场基本原理

拱属于利用形态优化受力的结构方式，只要合理解决稳定问题，其结构效率将大幅提升。将拱和挑篷结构有机结合，形成新型杂交体系。拱为悬臂端提供弹性支承，挑篷结构又可保证拱的侧向稳定性。对拱式体育场进行设计前，需要对结构的各关键参数进行参数分析，各类拱式挑篷结构通用的分析参数主要有线形、矢跨比、拱肋夹角及截面形式。



南京奥体中心体育场（拱支式）



2022卡塔尔世界杯哈里发国际体育场（拱吊式）



2010南非世界杯德班体育场（拱吊式）

3、斜拉式体育场

斜拉式体育场的挑蓬由桅杆、拉索和刚性屋盖结构三部分构成。斜拉结构的桅杆可以放在混凝土看台上，也可以与混凝土看台分开，独立立于基础之上。根据桅杆与混凝土看台的位置关系，可以将斜拉结构分为柱顶桅杆斜拉式结构、巨型独立桅杆斜拉式结构和悬索式斜拉结构。



柱顶桅杆斜拉体育场基本原理



巨型独立桅杆斜拉体育场基本原理



悬索斜拉体育场基本原理

斜拉式体育场同拱式结构一样是利用形态受力的结构方式，在进行设计前，需要对结构的各关键参数进行参数分析，比如斜拉索角度、平衡索角度、桅杆形式、桅杆倾角等等。



秦皇岛体育场（柱顶桅杆斜拉式）



济州体育场（巨型独立桅杆斜拉式）

4、张拉整体式体育场

20世纪40年代，张拉整体结构体系由美国发明家、工程师、建筑大师富勒首次提出。张拉整体结构即“压力的孤岛存在于拉力的海洋中”，是自然界最为合理的结构形式之一，覆之以特殊膜材可使结构轻盈飘逸，且工程造价合理，故张拉整体结构对大空间建筑结构更轻更远的发展贡献卓著。
轮辐式张拉整体结构是外围有两个压力环通过支柱联系（或者是一个压力桁架），内部必须用一个预应力拉力环；或者相反，外围一个压力环，而内部有两个用支柱分开的预应力拉力环。这些拉力环或者压力环借助放射状排列的“轮辐”或者索桁架联系在一起，使它的环内力得到平衡。



张拉整体式体育场基本构成

轮辐式张拉整体结构按屋面形状的分类可分为内凹形和外凸形。内凹形轮辐式张拉整体结构外围有两个通过支柱联系的压力环（或者是一个压力桁架），内部有一个预应力拉力环；而外凸形轮辐式张拉整体结构与之相反外围只有一个压力环，内部有两个用支柱分开的预应力拉力环。
当然，我们可以在造型不变的条件下，将上部径向索、上部环索和竖向吊索替换成刚性的杆件，全柔性张拉整体式结构就演变成了半刚性结构，受力模型类似于张弦梁，这种结构体系也可称之为“索承结构”。
无论是全柔性还是半刚性的张拉整体结构，结构设计的核心问题都是“找形”问题。



2022卡塔尔世界杯卢赛尔体育场（全柔性张拉整体）



2022卡塔尔世界杯阿图玛玛体育场（索承网格）



GMP+SBP海口五源河体育场（全柔性张拉整体，开敞）



GMP+SBP苏州奥林匹克中心体育场（全柔性张拉整体）

综上，我们分别介绍了四大类体育场挑篷结构形式：悬臂式、拱式、斜拉式和张拉整体式，希望对大家有所帮助。尽管最复杂、设计难度最高的结构体系都应用在体育场馆中，但好的结构设计一定是综合考虑了经济性、施工可行性、建筑适配性、社会效益等各方面因素，而不是一味的追求设计难度而炫技。

捉杰洛

教授，能不能像你请教制图问题