白鯨海象表演館結(jié)構(gòu)設(shè)計實例分析與應(yīng)用

翁齊敬

(福建省建盟工程設(shè)計集團有限公司 福建福州 350000)

?

白鯨海象表演館結(jié)構(gòu)設(shè)計實例分析與應(yīng)用

翁齊敬

(福建省建盟工程設(shè)計集團有限公司 福建福州 350000)

根據(jù)工程實例，以某旅游項目白鯨海象表演館為例，對該建筑大跨度、大空間、樓板大開洞、樁側(cè)摩阻力計算與分析、屋面鋼網(wǎng)架與鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用分析等，對結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的一些重難點問題進行簡要介紹。

鋼網(wǎng)架；樓板大開洞；樁側(cè)摩阻力

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對物質(zhì)水平得到極大的滿足，同時對精神需求也與日俱增，隨之各種大型的劇院、體育場館及娛樂項目等迅速在各地興起。以海洋為主題的項目受到越來越多人的歡迎，白鯨海象表演館作為主題公園的一個重要組成部分，發(fā)揮著極其重要的作用。但是大型公共建筑在設(shè)計和施工，受到諸多因素的影響，如大跨度、大空間、樓板大開洞、夾層及錯層多等特點，使其設(shè)計過程中難度較高。因此作為專業(yè)技術(shù)人員在設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的一些問題，通過綜合考慮各種因素，提出相對合理解決方案。本文將通過分析某旅游項目白鯨海象表演館工程實例設(shè)計，為公共建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些經(jīng)驗和思路。

1 工程概況

該工程為白鯨海象表演館，建筑面積14 171.14m3(其中地上建筑面積12 214.80m2，地下室面積1956.34m2)，地面共2層，其中地下室1層為設(shè)備區(qū)。一層主要為白鯨海象表演參觀及生活區(qū)、浮潛體驗區(qū)以及運行設(shè)備安放區(qū)，如圖1所示；夾層(即3.5m標高層)主要為暖通設(shè)備用房及各類工藝運行設(shè)備區(qū)；屋面層(即7.0m標高層)主要為暖通設(shè)備用房及配套辦公區(qū)；12.1m標高層為音響燈光設(shè)備用房；白鯨表演劇場區(qū)上空屋面為鋼網(wǎng)架屋面，因此劇場區(qū)域一層以上樓層樓板大開洞，如圖2所示。

圖1 白鯨海象表演館鳥瞰圖

圖2 白鯨海象表演館剖面圖

該工程建筑物的總長為74.7m，寬度為64.4m，室外地面至屋面檐口高度為21.650m，主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，白鯨表演劇場區(qū)上空屋面采用空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。建筑抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類(乙類)，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計使用年限為50年[2]。所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組。50年一遇的基本風壓0.80kPa，地面粗糙度為B類，風載體型系數(shù)：1.30[2]。場地類別為Ⅲ類，建筑類別調(diào)整后用于結(jié)構(gòu)抗震驗算的烈度為6度，用于確定抗震等級的烈度為7度，框架抗震等級為三級。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點解析

2.1 電算分析與總結(jié)

該項目為滿足白鯨、海象的生活及表演，在有限的建筑空間內(nèi)就必須構(gòu)建出多樣的使用功能，使得建筑平面布置上較為復(fù)雜，樓面標高變化較大，存在多處的夾層及錯層、樓板大開洞。且建筑內(nèi)部為滿足白鯨、海象的生活及表演，必須設(shè)置各種生活池、表演池。這些多樣的使用功能也給結(jié)構(gòu)建模上帶來不小的難度，在建模及電算過程中所遇見的問題主要有以下3點。

(1)白鯨表演劇場區(qū)及看臺位置上空，由于使用功能上需要對樓板大開洞，形成躍層結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)整體的剛度有極大的削弱。

(2)白鯨生活池周邊以及看臺區(qū)下方設(shè)置較多的夾層板，以滿足不同的使用功能，這樣也造成不同標高的樓板分布在平面的不同區(qū)域，并且樓板彼此之間不連續(xù)，對于傳遞水平力極為不利。

(3)建筑物內(nèi)部的白鯨生活池、表演池、浮潛池等水池側(cè)壁是按深梁構(gòu)件假定計算還是按剪力墻構(gòu)件假定計算，哪一種計算更能反應(yīng)工程實際，在設(shè)計之初還未有所定論。初步計算模型，是根據(jù)水池側(cè)壁按深梁假定如圖3所示，所得到的周期、位移比等重要計算指標如表1所示。

針對建模及電算分析過程中出現(xiàn)的以上問題，采取以下應(yīng)對策略：

(1)躍層看臺板按同一標高平面建模以避免結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度進一步削弱，且看臺下方消防水池側(cè)壁也均按剪力墻建模，以增強結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

(2)各夾層及錯層交接處樓板定義為彈性膜，將平面樓板分成幾塊獨立的樓板，避免交接處的應(yīng)力集中，并適當加大交接處樓板板厚，采用雙層雙向拉通的鋼筋。

(3)白鯨生活池、表演、浮潛池等水池側(cè)壁按剪力墻假定，如圖4所示，所得的周期、位移比等重要計算指標。

通過以上措施調(diào)整后計算模型結(jié)構(gòu)指標如表1所示。

表1 各計算模型結(jié)構(gòu)指標對比

圖3 計算模型一(按深梁假定)

圖4 計算模型二(按剪力墻假定)

2.2 屋面鋼網(wǎng)架與鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用分析

白鯨表演劇場區(qū)上空屋面采用扇形的空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屬于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》10.2.7條[1]要求：計算模型應(yīng)考慮屋蓋結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。但是按傳統(tǒng)做法難以處理這種空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通常是把空間屋蓋結(jié)構(gòu)按照虛梁或者一般梁近似的模擬，難以達到設(shè)計要求[2]。該工程屋面大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成一個整體，在計算模型內(nèi)考慮兩種結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同作用，以充分考慮整個結(jié)構(gòu)的各種不利因素，并達到對實際工程較為真實的模擬計算，保證計算結(jié)果準確。在計算結(jié)果中找出不利的影響因素，有利設(shè)計過程中制定有效的措施，保證結(jié)構(gòu)的整體安全。

該工程通過結(jié)構(gòu)計算軟件接口將鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)已建好的鋼網(wǎng)架模型導(dǎo)入盈建科結(jié)構(gòu)計算軟件[3]空間結(jié)構(gòu)模塊下與原有的鋼筋混凝土進行拼裝，兩者協(xié)同共同計算時注意以下兩點：

(1)鋼網(wǎng)架屋蓋和下部主體結(jié)構(gòu)之間拼接時，直接將鋼網(wǎng)架放置在下層柱上，并且在拼接的柱節(jié)點處設(shè)置彈性支座?？紤]其實際存在的支座滑動情況，避免由于沒有設(shè)置彈性支座，出現(xiàn)鋼網(wǎng)架和下部支承結(jié)構(gòu)連接關(guān)系混亂，造成下部結(jié)構(gòu)計算配筋異常。

圖5 計算模型三(考慮鋼網(wǎng)架協(xié)同作用)

(2)由于空間層體型多變復(fù)雜，軟件尚無法自動計算這層的風荷載，因此該層的風荷載必須人工補充輸入。計算軟件通過在空間鋼網(wǎng)架的外表面生成蒙皮，在蒙皮上施加風荷載并進行蒙皮的導(dǎo)荷，人工輸入作用蒙皮的風壓或者體系系數(shù)，由軟件自動導(dǎo)算出空間鋼網(wǎng)架的風荷載。通常大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)在工程中占有相當大一部分，其在風荷載工況下的受荷面積較大，結(jié)構(gòu)整體分析時考慮風荷載是十分有必要的。通過屋面鋼網(wǎng)架與鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的計算模型，如圖5所示，調(diào)整后的結(jié)構(gòu)指標如表1所示。通過二次優(yōu)化計算模型，結(jié)構(gòu)的周期、有效質(zhì)量系數(shù)及扭轉(zhuǎn)系數(shù)等指標均滿足規(guī)范要求，只有X向風荷載作用下局部樓層的最大層間位移角與平均層間位移比值1.94，超過高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[4]而該規(guī)范只對考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下的位移比有要求。經(jīng)過多次的對比計算結(jié)果，并對計算后指標進一步分析與電算優(yōu)化，從而得到相對合理的計算模型， 并能符合工程實際要求。

2.3 樁側(cè)負摩阻力計算與分析

擬建筑物基礎(chǔ)型式采用樁基礎(chǔ)，根據(jù)靜載所確定的單樁承載力特征值為2600kN，根據(jù)地勘報告所在場地存在19.5m～21.9m厚的淤泥層。樁穿越較厚松散填土、自重濕陷性黃土、欠固結(jié)土、液化土層進入相對較硬土層時[4]，計算基樁單樁承載力時應(yīng)考慮樁側(cè)負摩阻力對樁基承載力和沉降的影響。

樁側(cè)摩阻力的計算過程中特別注意以下兩點：

(1)根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.4.4條[4]所給的樁側(cè)負摩阻力標準值計算公式，所得負摩阻力標準值應(yīng)與土的極限側(cè)摩阻力值比較。當所求得負摩阻力標準值大于土的極限側(cè)摩阻力值應(yīng)取土的極限側(cè)摩阻力值進行計算，該點在計算樁側(cè)負摩阻力值過程中容易出錯，直接按土的側(cè)摩阻力標準值來取值。

(2)中性點深度ln的確定受諸如樁持力層的剛度、樁與樁側(cè)土的相對位移，以及樁類型及沉樁工藝因素的影響，因此要精確地計算中性點十分困難，現(xiàn)階段確定中性點深度ln則根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》提供經(jīng)驗值來確定。具體計算結(jié)果如表2所示。

表2 樁基負摩擦力計算

注:①參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)5.4.4； ②地下水以下采用浮容重； ③當負摩阻力計算值大于正摩阻力標準值時，取正摩阻力標準值進行設(shè)計。

因此，在布樁過程中所取的單樁承載力特征值應(yīng)為Ra=2600+(-514.92)=2085.08kN，取Ra=2100kN。

扣除負摩阻力影響后單樁承載力特征值，才可以真正發(fā)揮作用。

在工程實踐過程中，特別在沿海地區(qū)及軟土地區(qū)，樁側(cè)負摩阻力計算逐漸成為重要的問題。如果在樁基設(shè)計過程中不考慮和未充分考慮樁負摩阻力，對樁基可能造成一定的安全隱患，可能造成樁端地基的屈服于破壞、樁身由于失穩(wěn)及不均勻沉降引起上部結(jié)構(gòu)的開裂等問題，需花費更大精力、物力及財力補強加固或者拆除。同樣，對負摩阻力的概念的理解不清晰而過分強調(diào)安全，在樁基設(shè)計過程中容易造成不必要的浪費。因此，正確理解樁側(cè)負摩阻力的概念對樁基設(shè)計起到至關(guān)重要影響，保證樁基安全可靠的使用。

3 結(jié)語

本文是以某旅游項目的白鯨海象表演館為例，對其中的設(shè)計流程介紹以及設(shè)計過程中遇見重難點問題進行解析，并提出個人對這真的些問題的解決方案。

(1)由于建筑多樣的使用功能使得建筑平面內(nèi)大開洞，錯層及夾層，由此造成的結(jié)構(gòu)平面及豎向的不規(guī)則，對此，主要通過加強洞口周邊樓板厚度及配筋來加強；建筑內(nèi)部各處的各類的水池，造成整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的削弱，則主要通過水池側(cè)壁按剪力墻來考慮，以更合理地反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剛度。

(2)屋面鋼網(wǎng)架與混凝土主體結(jié)構(gòu)采取協(xié)同作用來分析，能準確導(dǎo)算屋面鋼網(wǎng)架的風荷載，考慮風荷載對混凝土主體結(jié)構(gòu)的影響。

(3)樁側(cè)負摩阻力的準確計算，對于存在較厚的軟土地區(qū)來說極為必要。設(shè)計過程中若未能充分考慮樁側(cè)負摩阻力影響，則將使建筑的樁基礎(chǔ)存在一定的安全隱患，應(yīng)充分認識到樁側(cè)負摩阻力對樁基設(shè)計起到作用。

[1] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 陳岱林，高航.結(jié)構(gòu)軟件計算條件及常見問題詳解[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[3] 北京盈建科軟件股份有限公司.盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計計算軟件用戶手冊及技術(shù)條件-V2.0[Z].2014.

[4] JGJ94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

Analysis and Application on Design Instance of the White Whale Walrus Performance Hall

WENGQijing

(Fujian Jianmeng Engineering Design Group Co., Ltd, Fuzhou 350000)

This paper taked a white whale walrus performance hall of a tourism project as a case, according to the real engineering example, analyzes the building of large span, large space, flat slab with opening, friction of pile calculation and analysis, conjunction analysis between roofing steel truss and the major structure of reinforced concrete, and introduced briefly some difficulties in structural design process.

Steel frame; Flat slab with opening; Friction of pile

翁齊敬(1987.5- ),男，工程師。

E-mail:471024057@qq.com

2017-04-05

TU318

A

1004-6135(2017)08-0038-04