概述
　　2011年深圳世界大学生运动会主场——深圳湾体育中心，由体育场，体育馆、游泳馆，运动员接待服务中心、体育主体公园及商业运营设施共同构成。其中体育场为足球预赛场，可容纳观众2万人(固定席)，体育馆为乒乓球决赛场，可容纳观众1.3万人(其中固定席1万席)，游泳馆为游泳训练池，可容纳观众2千人(其中固定坐席500席)。
　　深圳湾体育中心建筑群在巨型钢结构屋盖下，分布一场两馆，即：体育场、体育馆和游泳馆三栋建筑单体，其中：体育场地上3层，地下局部1层，建筑高度约52m；游泳馆地上3层，地下1层，建筑高度约35m，体育馆地上4层，地下1层，建筑高度约35m。
　　1　与结构设计相关的主要参数
　　建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数取值为1.10，建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类)。结构设计使用年限100年。根据《工程安全性评价报告》，抗震设防烈度为7度。框架和剪力墙抗震等级：框架为二级，剪力墙为一级。
　　2　采用的计算软件及计算内容
　　中国建筑科学院研发的PKPM系列结构计算软件(混凝土结构分析)；
　　美国ANSYS公司的ANSYS软件(钢结构强度及稳定分析)；
　　美国FLUENT公司的FLUENT软件(温度场及温度作用分析)；
　　法国达索公司的ABQUS软件(动力弹塑性分析，钢结构稳定分析)；
　　韩国迈达斯公司的MIDAS软件(整体结构、多点多维、弹塑性分析)。
　　结构设计与思考
　　1　顶部钢结构与底部混凝土结构的支撑关系
　　屋顶巨型钢结构单层网壳以及两馆(游泳馆、体育馆)顶部的双层网架支撑节点位于底部混凝土结构之上，树型柱(支撑网壳，共31棵，体育场看台8棵)，V形柱(支撑网架，体育馆40对，游泳馆30对)展望桥两侧桥塔立柱，西立面幕墙柱(支撑网壳)，支座分布情况。
　　结构分析过程中，设计团队采用混凝土及钢结构整体拼装之后的模型进行分析，力求真实模拟实际受力情况。整体建模是一项非常繁杂的工作，设计团队在模型建立伊始，就遵循“先整体，后细部，关注重点，适当简化”的工作原则。下部混凝土结构模型，整体模型拼装后的情况。
　　钢结构部分同混凝土部分的连接设计，属于细部节点设计的范围。设计过程中，首先要保证节点的安全性以及节点实际边界条件与计算假定相一致：其次要保证节点安装的合理性，此方面涉及多专业的协同工作，在工作过程中需要充分的沟通和交流。内容是本工程的几处关键节点详图(定位，构件截面、焊接等标注已经隐去)。
　　2　平面尺寸超长的结构设计措施
　　下部混凝土结构外轮廓近似为长方形，东西向长约500m，南北向宽约250m，平面尺寸的详细情况。
　　针对平面尺寸超限的现状条件：整个500m×250m地下室在正负零标高以上仅“切一刀”。结构设计阶段主要通过三个方面的措施加以解决。第一是设置防震缝(兼作变形缝)及施工后浇带等结构设计方面的措施；第二是选择新型高效的建筑材料；第三是合理安排施工作业条件。
　　(1)从设计的角度
　　下部混凝土部分正负零标高以下，地下室部分未设置变形缝，整体尺度500m×250m，仅高出正负零以上的部分才设置防震缝(兼作变形缝)分开。正负零以下部分设置施工后浇带，地下室外墙设置竖向诱导缝，通过上述措施解决温度变形的影响。正负零及以上的两馆一场三栋建筑单体通过防震缝(兼作变形缝)划分成若干独立单元，独立单元的长度约150m～180m。表示了正负零层楼板设置结构缝以及施工后浇带的平面布置情况。
　　(2)从建筑材料的角度，主要有如下五点内容
　　①选用水化热低和凝结时间长的水泥。
　　②选用含泥量小且级配良好的骨料。
　　③在保证混凝土强度和坍落度要求的前提下，适当提高掺和料和骨料的含量，降低每立方米混凝土的水泥用量，减小水灰比。
　　④采用了普通补偿收缩混凝土材料。
　　对于普通补偿收缩混凝土材料，主要通过在混凝土中添加膨胀剂的方式实现，对于膨胀率，设计方案中有明确的界定。
　　⑤针对对于收缩变形较为敏感的正负零标高处的水平梁板构件，采用了纤维补偿收缩的混凝土材料。对于纤维补偿收缩混凝土材料中的纤维，其主要材料是聚丙烯，设计方案中对于纤维提出了明确的材料性能指标要求。
　　(3)从施工工艺的角度
　　严格按施工验收规范的要求做好混凝土养护工作。在混凝土水化热较高的部位及重要构件应用麻袋或薄膜等材料覆盖养护，防止这些部位出现裂缝。另外还应控制现浇混凝土的入模温度，23℃～28℃是设计建议的标准入模温度。
　　3　基础及相关设计内容
　　本工程建筑桩基设计等级为甲级，根据《深圳湾体育中心岩土工程详细勘察报告》进行基础设计，两馆一场均采用PHC管桩，桩端持力层为全风化～强风化粗粒花岗岩，桩长20m～40m，桩径500mm。根据勘察报告，本工程抗浮水位按室外地坪下0.5m考虑，在承台间布置400mm厚钢筋混凝土抗水板。
　　由于本工程的桩端持力层起伏变化较大，在进行桩基础设计时，设计团队根据勘察单位提供的桩端持力层层顶标高等值线图，并结合基础底标高的变化情况，以5m作为桩长最小单元，对基桩进行了桩长分区。基桩沉桩施工作业时，施工控制贯入度指标需要根据试桩时满足承载力要求的试桩贯入度指标加以确定，施工时再结合根据地层和基底标高确定的桩长进行配桩施工。设计桩长和贯入度两项指标中贯入度应优先满足，实际桩长应不小设计方案中规定的最小桩长。
　　本工程基桩共沉桩8000余根，经过桩基础验收及承载力的抽样检测，实际成桩质量及承载力指标均能满足设计方案中的要求。
　　主体结构以外区域所采取的地基土处理措施如下：
　　(1)地面停车场、地面体育场，地面热身场、地面轮滑场建议采用水泥土搅拌桩或CFG桩处理形成复合地基，体育场场坪采用强夯(或强夯置换)处理。
　　(2)体育中心内的道路、地坪在地下室西、北侧对填土及淤泥层进行水泥土搅拌桩或CFG桩处理，在地下室东、南侧对填土及淤泥层进行强夯或强夯置换处理。
　　结构设计中的关键技术
　　1　整体结构多维多点输入地震反应分析
　　(1)多维多点输入地震反应分析
　　多点地震输入：国际上对于空间变异地震动的研究开始于1965年，Bogdanoff等人注意到地震动传播过程中的时滞效应对大跨度结构的影响。进入20世纪80、90年代以后，随着计算机技术的发展和人们对地震动认识的深入，多维多点激励问题成为学者们的研究热点之一。由于桥梁的跨度要比建筑结构大得多，因此多点激励地震反应分析在桥梁领域的研究应用较建筑领域更为广泛。
　　现有研究成果表明，对于超长型结构有必要进行多点输入地震反应分析。欧洲桥梁规范在规定地震作用时考虑了空间变化的地震运动特征，并指出在下面两种情况下应考虑地震运动的空间变化：①桥长大于200m，并且有地质上的不连续或明显的不同地貌特征；②桥长大于600m。深圳体育中心屋盖体系最大边长约530m，属于超长型结构，应当对该结构进行多点输入地震反应分析。
　　多维地震输入：以往的震害经验表明，地震时地面运动是多维的，在抗震设计中必须考虑地震动的多维性，在多维地震动作用下的结构反应是平——扭耦联的空间振动，当结构体型较大时应考虑多维地震输入。
　　深圳体育中心屋盖体系南北方向最大尺寸约530m，东西方向最大尺寸约241m，结构尺度在双方向都较大，且结构体型不规则，应对该结构进行多维输入地震反应分析。
　　地震波的选择：按照广东省工程防震研究院提供的安评报告，场地50年超越概率为63.2％的多遇地震加速度时程曲线的峰值为39gal。采用广东省工程防震研究院的安评报告中所提供DZK3_632、DZK5_632，DZK6_632三条人工波及Northridge波和Hollywood波共五条地震波沿0°、45°、90°和135°四个方向进行了计算。各工况地震波波速为800m／S。三条人工波的加速度时程及谱曲线。
　　多维多点输入分析工况，四个方向角下，场地的分区。
　　(2)结论及建议
　　①结论如下：
　　采用多点输入，结构扭转效应增加不大。
　　对竖向钢筋混凝土构件而言，多点激励与一致激励相比，内力有大有小，小的占多数，影响因子比较大的单元一般出现在混凝土结构的分区四周，即结构缝附近和每一区格边缘处的边柱和角柱上。
　　对竖向钢柱而言，多点激励与一致激励相比，内力有大有小，小的占多数。
　　对竖向构件而言，多点输入地震反应分析对其扭矩有一定影响，但由于扭矩基数较小，其绝对影响有限，可忽略多点输入地震反应分析对其扭矩的影响。
　　多点输入对屋面网壳结构与下部钢混结构相连的构件内力影响不大，设计时可以根据柱内力的调整情况适当考虑多点输入对这些构件的影响。
　　本次分析工作主要是从竖向构件在多点地震作用下，其柱端的弯矩与剪力的变化进行考虑。对于水平构件的内力变化，设计时可以根据柱内力的调整情况适当考虑多点输入对水平构件的影响。
　　②根据计算结果，提出如下建议
　　由于进行多点输入分析结果数据量很大，因此在随后的设计中可以进行反应谱地震反应分析，将计算结果乘以一定的影响因子以考虑多点输入分析的影响。
　　对计算结果的分析可以看出，影响因子较大的构件可能是由于单点输入内力基数较小，因此在确定影响因子时可排除这些基数较小的构件。
　　在进行竖向钢筋混凝土及钢柱构件内力抗震设计时，可按照其平面位置和构件类别，将反应谱地震反应分析的内力结果乘以影响因子。考虑此影响系数后，可不再考虑《混凝土结构设计规范(GB50010－2002)》中11.4.7针对框架角柱所规定的1.1的设计值增大系数。
　　在进行水平构件的设计时，可以根据对柱内力的调整情况考虑多点输入对水平构件的影响。
　　2　整体结构动力弹塑性地震反应分析
　　在罕遇地震作用下，结构允许出现较大的非弹性变形，但应避免倒塌。鉴于工程的重要性和结构的复杂性，在结构初步设计阶段，设定了抗震设防性能目标，并得到了超限审查专家委员会的确认。
　　结构在弹塑性工作阶段的关键地震反应参数的定量确定，要通过非线性地震反应分析的方法来实现。本工程采用大型通用有限元分析软件ABAQUS对整体结构进行了大震下的动力弹塑性分析。在结构的弹塑性分析过程中，以下非线性因素得到考虑：①几何非线性，结构的平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，“P－△”效应，非线性屈曲效应，大变形效应等都得到全面考虑；②材料非线性，直接采用材料非线性应力一应变本构关系模拟钢筋、钢材及混凝土的弹塑性特性，可以有效模拟构件的弹塑性发生、发展以及破坏的全过程。
　　分析结果表明，工程结构体系满足大震不倒的性能目标。大震作用下虽然部分构件进入弹塑性工作状态，出现强度退化，但退化不大。
　　综述
　　结构设计过程从最初的方案比选，到建模计算，再到绘图以及最后的校核复审，每一个过程都渗透着设计团队的辛勤与劳动。运用掌握的知识，熟悉规范的条文，在安全、合理、经济的前提下，保证一项工程的顺利建成，是一名结构工程师应该追求的目标。
　　结构设计过程是一次沟通和交流的过程，一栋建筑在技术层面是复杂的系统工程，建筑师、结构工程师、设备工程师、电气工程师之间的融洽沟通和充分交流，是保证一项工程顺利完成的前提。建筑设计好比画家作画，灵感与落笔之间总需要神经与躯体进行完美的配合，只有这样美妙的灵感才能变成传世的佳作。
　　最后，对给予本项目设计工作悉心指导的院顾问总工程师柯长华、院总工程师齐武辉、院副总工程师甘明，提供关键技术支持的院复杂结构研究所李华峰、葛听，及给予结构方案诸多建议的业主方华润深圳湾发展有限公司工程陈保文，孔维国等人表示衷心感谢!