斜拉体育场挑蓬结构选型与应用研究

摘要：本文根据建筑形态和结构受力特点，将斜拉式体育场挑蓬结构分为柱顶桅杆斜拉式和巨型独立桅杆斜拉式两种类型。以近期国内外已建成和建造中的部分典型斜拉式挑蓬结构为背景，对两种斜拉式挑蓬的拉索密度、撑杆形式、桅杆与屋面的布局组合等进行论述，详细分析了结构构成及受力机理。并对桅杆倾™角、斜拉索倾角、平衡索倾角三个形态参数进行参数分析，给出合理角度范围。以期对类似工程结构选型和概念设计提供一定参考。

关键词：体育场挑蓬；斜拉式结构；受力机理；结构体系选型

中图分类号：TU2 文献标识码： A

1 引言

体育场挑蓬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。需创造前端弹性支承，来改变荷载传递路径，改进纯悬臂梁受力性能，使“覆盖大、支点少”的矛盾需求能得到统一。体育场挑蓬依据结构形式可分为纯悬挑式、拱支式、拱吊式、柱顶桅杆斜拉式和巨型独立桅杆斜拉式等五类。其中，斜拉结构是一种传力高效且造型美观的结构，其由桅杆、索系、后撑杆和屋面结构四部分构成，“桅杆+索系”的设置改变了力流传递方向，荷载产生的倾覆弯矩转化为索、杆的轴力直接传递至下部结构。因其能够充分发挥材料的强度潜力、传力高效且造型美观等优点，得到广泛应用和发展。

2、柱顶桅杆斜拉式

2.1基本结构构成与受力机理

斜拉结构是将斜拉桥的概念引入空间结构中形成一种协同工作的杂交空间结构体系。斜拉式体育场挑蓬结构主要由桅杆、索系、后撑杆和屋面结构四部分构成。

斜拉结构的最大特点在于设置“桅杆+索系”改变荷载传递途径，使倾覆弯矩转化为索、杆的轴力直接传递至下部，充分发挥高强材料优势，提高结构效率。其受力机理可分为以下两个层面：

（1）弹性支承：斜拉索竖向分力为悬臂端提供弹性支承，将挑蓬受力形式由悬臂梁改变为一端固定、一端弹性支承的梁，从而减小结构挠度、降低杆件内力峰值（图4）。

（2）抗倾覆和抗转动：平衡索的拉力对结构整体产生的抗倾覆弯矩抵消了外荷载产生的部分倾覆力矩，从而有效减小柱根弯矩；而平衡索水平分力则可平衡斜拉索水平分力，大幅减小桅杆顶部侧移和结构整体转动，进而减小悬臂端挠度、提高刚度，并保持形态稳定性。

2.2结构选型参数分析

根据斜拉式挑蓬的结构构成和受力机理，可将体系选型参数归纳如表1所示。

2.2.1 桅杆倾角α

2.2.2 斜拉索角度β

2.2.3 平衡索角度γ

影响平衡索效率的主要因素为平衡索与竖向的夹角γ，以此为参数，取γ=200、300、400、500，假定桅杆倾角α=00，分析γ的变化对结构变形的影响。 图11 γ变化对变形的影响

由图11可知：随着平衡索与竖向夹角γ的增大，悬挑端挠度和桅杆柱顶水平位移均减小。因为γ越大，平衡索对桅杆柱脚的力臂就越大，形成的抗倾覆弯矩也就越大。同时，随着γ的增大，结构位移的变化率则渐趋缓和，对抗倾覆能力的增强左右逐渐减弱。因此，实际工程中，建议倾角γ控制在300～400较合适，受力合理、造型优美。

3、巨型独立桅杆斜拉式

3.1基本结构构成与受力机理

巨型独立桅杆斜拉式和上述柱顶桅杆斜拉式在结构构成和受力特性方面基本一致，主要差异见表3。

3.2结构选型参数研究

3.2.1 桅杆布局

对于巨型独立桅杆斜拉式挑蓬，桅杆的布局是首要参数，对建筑造型和结构受力均产生重大影响。由于桅杆脱离了看台，对于桅杆和索系的布置及组合更加自由，因此，在传力途径和受力性态大致相同的前提下，通过变化桅杆与挑蓬的组合形式、调整桅杆角度、调整拉索密度和吊点位置等参数变化可衍生出各种不同的建筑造型。

3.2.2 桅杆与挑蓬的组合

根据巨型桅杆和挑蓬的相对位置关系以及拉索的密度，可产生四种组合形式，见表5所示：类型A的桅杆数量较多，呈线状布置于场外，屋面梁与桅杆可以脱离✡，也可连接于桅杆中央，以增加结构整体性并改善桅杆稳定性；类型B桅杆数量少，呈点状布置于场外四角，每根桅杆承担的荷载较大，拉索呈空间多向布置，桅杆可独立设置，也可与挑蓬结构连接；类型C桅杆数量少，呈点状布置于场内四角，桅杆可以独立设置，也可以与挑蓬结构连接；类型D通过内环梁或外环梁将四面看台上的挑蓬连为整体，桅杆布置于场外四角，通过多向撑杆联系四片挑蓬，结构整体受力性能更好。

3.2.3 桅杆角度

3.2.4 拉索密度

拉索数量既与建筑造型有关，又对结构受力影响较♀大ห。每根桅杆对应的平衡索一般为2根，沿两个方向布置，保持桅杆各向受力平衡。斜拉索数量则不定，每根桅杆连接的斜拉索少则2根、多则5～6根。斜拉索增多，对挑蓬提供的弹性支点越密集、连续性好，则挑蓬挠度减小、刚度增大、内力分布更均匀。

4、结论和建 ت议