首鋼滑雪大跳臺基礎(chǔ)設(shè)計與分析

吳偉亮 郭法成 王超 楊文濤 王向榮

(1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司 100043；2.北京首鋼筑境國際建筑設(shè)計有限公司 100043）

1 項目概況

首鋼滑雪大跳臺(Big Air Shougang）位于北京市石景山區(qū)首鋼園區(qū)內(nèi)西側(cè)， 項目由大跳臺(賽道）、 裁判塔和看臺區(qū)域三部分組成， 承擔了北京2022 年冬季奧運會單板(雙板）滑雪大跳臺賽事。

大跳臺為大跨空間桁架結(jié)構(gòu)， 由格構(gòu)柱(電梯筒）、 兩組雙 V 型柱、 雪道層、 落地桁架、兩個絲帶次結(jié)構(gòu)以及防風網(wǎng)組成。

大跳臺呈西北- 東南方向布局， 主體結(jié)構(gòu)長度 164m， 最大寬度 34m， 高度 60.05m， 如圖1 所示。 本項目為世界首例永久性保留和使用的單板大跳臺場館， 其體型復雜、 特殊， 且無可參考工程實例。

圖1 首鋼大跳臺剖面Fig.1 General section of Big Air Shougang

2 地基基礎(chǔ)方案分析

2.1 工程地質(zhì)條件

項目重要性等級為一級， 簡單場地， 為中等復雜地基， 綜合判斷巖土工程勘察等級為甲級， 地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為一級。 工程地震動反應譜特征周期為0.40s， 建筑工程抗震設(shè)防類別為丙類。 建筑自然地面絕對標高為81.000m ～85.550m， 正負零絕對標高為 85.550m。 場地自然地面以下0.50m ～7.10m 為雜填土， 深地基土為卵石土， 土層力學參數(shù)見表1。 本工程擬建場區(qū)的建筑場地類別判定為Ⅱ類。

表1 土層力學參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer

根據(jù)地勘資料， 場地地基土不液化。 抗浮設(shè)計水位可按33.5m 考慮。 本場地土對混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性， 對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性， 對鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。 擬建場地地基土的標準凍結(jié)深度按0.8m 考慮。

2.2 地基基礎(chǔ)設(shè)計難點

(1）大跳臺為大跨空間桁架結(jié)構(gòu)， 體型復雜、特殊， 且自身荷載和剛度分布差異大， 需根據(jù)各段不同的特點選取不同的基礎(chǔ)形式。 為避免沉降引起主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的次內(nèi)力， 應嚴格控制地基基礎(chǔ)變形。

(2） 格構(gòu)柱部分細而長， 設(shè)計時對風荷載下零應力區(qū)進行控制； 賽道的主要荷載經(jīng)兩組雙V型柱傳遞給基礎(chǔ)， 基礎(chǔ)反力大且集中， V 型柱與基礎(chǔ)連接節(jié)點構(gòu)造復雜。

(3） 由于特殊的結(jié)構(gòu)形式， 賽道高差較大，高低兩側(cè)水平剛度差異很大， 基礎(chǔ)承擔的水平推力較大， 因此抗水平力設(shè)計是本項目的重點和難點。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計解決方案

3.1 方案介紹

項目在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計階段， 采用了樁基方案和天然地基(拉桿）進行對比。

采用樁基方案抵抗水平力是較為可靠的解決方案， 結(jié)合北京地區(qū)樁基選型的經(jīng)驗， 針對本項目結(jié)構(gòu)及土層特點， 選取直徑800mm 鉆孔灌注樁樁型。 樁長取10m， 單樁豎向承載力特征值為2450kN， 單樁水平承載力特征值為516.2kN； 驗算永久荷載控制工況時， 樁基水平承載力RhaD=0.8Rha=412.9kN(其中，Rha為單樁水平承載力特征值）。 基礎(chǔ)1 ～ 基礎(chǔ) 4 總計用樁數(shù)為124 根。 采用樁基抗水平力效率低， 而效率更高的斜樁， 從施工工期、 難度及工程造價的角度， 又難以實現(xiàn)。

采用天然地基(拉桿）方案， 基礎(chǔ)持力層可落在卵石層②。 從表1 可知， 卵石層②承載力標準值為350kPa， 抗豎向力設(shè)計優(yōu)勢明顯。 但由于基礎(chǔ)3 和基礎(chǔ)4 承受的水平力大， 在基礎(chǔ)3 和基礎(chǔ)4 增設(shè)鋼箱梁拉桿， 抵抗基礎(chǔ)3、 基礎(chǔ)4 的反向水平力， 解決抗水平力設(shè)計問題。 但由于兩基礎(chǔ)間后期市政管道和造雪設(shè)備管道埋設(shè)的不確定性， 鋼箱梁拉桿被取消。

由于打樁成孔存在難度、 質(zhì)量難以保證， 且無法滿足現(xiàn)有的工期要求， 最終確定采用天然地基方案。

3.2 基礎(chǔ)抗豎向力設(shè)計

本工程上部結(jié)構(gòu)采用Midas Gen 2019(V 1.1）進行結(jié)構(gòu)整體分析和設(shè)計， 地基基礎(chǔ)采用PKPM系列軟件(V4.2 網(wǎng)絡(luò)版）進行分析和設(shè)計， 根據(jù)各支座的內(nèi)力和定位， 對筏板和多柱聯(lián)合基礎(chǔ)進行有限元分析和設(shè)計。

在賽事期間賽道含壓實雪荷載， 厚度為0.5m ～4.1m 不等。 各基礎(chǔ)給出由豎向內(nèi)力值、水平內(nèi)力值(不含雪載）、 水平內(nèi)力值(含雪載）控制的3 種組合， 最不利水平力Fx、 最不利垂直向力Fy和最不利豎向力Fz見表2。

表2 各基礎(chǔ)的最不利組合內(nèi)力Tab.2 The most unfavorable combined internal force of each foundation

表2 中， “恒”為恒荷載， 主要包含鋼結(jié)構(gòu)自重、 幕墻、 防風網(wǎng)等荷載； “活”為活荷載， 主要包含賽道活荷載、 壓實雪荷載及鋼梯活荷載；“活′”為活荷載， 主要包含賽道活荷載、 鋼梯活荷載； “風( -X）”為水平向右風； “風( +X）”為水平向左風； “地震X”為水平向地震作用； 考慮鋼結(jié)構(gòu)直接外露， 對溫度比較敏感， 最高溫度取70℃， 最低溫度取-20℃， 分最大升溫工況和最大降溫工況: a）最大升溫工況， 由15℃升至70℃； b） 最大降溫工況， 由 30℃將至 -20℃；因夏季無法進行滑雪運動， 壓實雪荷載不與升溫工況同時組合。

基礎(chǔ)1 ～基礎(chǔ)4 平面見圖2。

基礎(chǔ)1 采用筏板基礎(chǔ)， 設(shè)計應滿足格構(gòu)柱傳力要求， 兼做兩部斜行電梯基坑。 地下結(jié)構(gòu)平面尺寸為8.4m×11.5m， 筏板左右兩側(cè)挑出1.8m，滿足豎向承載力要求； 筏板上下兩側(cè)挑出2.5m，消除風荷載、 地震作用等水平力產(chǎn)生的地基零應力區(qū)； 對筏板其中兩個角部進行切角處理， 避免超出用地紅線。

基礎(chǔ)2、 基礎(chǔ)3 采用多柱聯(lián)合獨立基礎(chǔ)， 平面尺寸均為16m ×16m； 格構(gòu)柱(基礎(chǔ)1）與雙 V型柱(基礎(chǔ)2）最大跨度約為80m， 基礎(chǔ)2 承受較大偏心荷載， 為消除地基零應力區(qū)， 對基礎(chǔ)2 平面進行偏心布置； 基礎(chǔ)3 因其從屬面積荷載大、相鄰側(cè)為落地桁架， 最大水平力達到14215kN。

圖2 各基礎(chǔ)平面Fig.2 Each foundation plan

基礎(chǔ)4 采用筏板基礎(chǔ)， 平面尺寸為16m ×30m； 上部結(jié)構(gòu)荷載通過落地桁架經(jīng)地下導荷斜墻傳給筏板， 再由筏板傳給地基。

采用PKPM 進行基礎(chǔ)沉降分析， 基礎(chǔ)1 ～基礎(chǔ)4 的最大沉降計算值分別為6.77m、 25.54m、22.15m、 8.80mm。 根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[1]要求， 沉降量與傾斜允許值分別為200mm和0.002， 可知計算值僅為規(guī)范允許值的12.8%和17.1%。 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時， 按基礎(chǔ)沉降分析結(jié)果考慮支座位移對構(gòu)件承載力進行復核。

3.3 基礎(chǔ)抗水平力設(shè)計

根據(jù)表2 中標準組合荷載作用(不含雪載）下產(chǎn)生的水平力分析結(jié)果， 基礎(chǔ)抗水平力設(shè)計時，考慮結(jié)構(gòu)、 基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)底板微傾斜產(chǎn)生的摩擦力， 計算結(jié)果見表3。

表3 考慮結(jié)構(gòu)自重和基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的摩擦力Tab.3 The friction caused by the self weight of structure and foundation

表3、 表4 中G為結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的豎向力標準值。 計算總摩擦力時， 土對基底的摩擦系數(shù)μ參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[1]表6.7.5 -2，保守按碎石土參數(shù)取下限值0.4。

根據(jù)表2 中標準組合荷載作用(含雪載）下產(chǎn)生的水平力分析結(jié)果， 考慮結(jié)構(gòu)自重、 雪載、 基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)底板微傾斜產(chǎn)生的摩擦力， 計算結(jié)果見表4。

表4 考慮結(jié)構(gòu)自重、 雪載和基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的摩擦力Tab.4 The friction caused by the dead weight of structure，snow load and foundation

基礎(chǔ)1 ～基礎(chǔ)4 剖面見圖3。

圖3 各基礎(chǔ)剖面Fig.3 Each foundation section

基礎(chǔ)1 為筏板基礎(chǔ)， 厚度為4m， 滿足格構(gòu)柱埋入深度和柱底抗沖切要求。 斜行電梯的集水坑為3.1m(長） ×1.5m(寬） ×1.5m(深）， 在筏板居中布置。

基礎(chǔ)2、 基礎(chǔ)3 為多柱聯(lián)合獨立基礎(chǔ)， 底板厚3m， 滿足抗沖切要求， 雙V 型柱柱底外包混凝土柱尺寸為8m ×10m。 對基礎(chǔ)3 底板進行約5.4°放坡， 以增加摩擦力抵抗水平力。

基礎(chǔ)4 為變筏板基礎(chǔ)， 厚度為3m ～5.5m，是4 個基礎(chǔ)中承受水平力最大的基礎(chǔ)； 在4 榀地下導荷斜墻間增設(shè)兩片橫向剪力墻， 加強基礎(chǔ)剛度與整體性。 采用回填土增大配重和底板約10°的放坡方式， 解決抗水平力問題。

設(shè)計中未考慮各基礎(chǔ)側(cè)面回填土體對抗水平力的有利影響， 可作為工程的安全儲備， 施工后采用級配砂石分層回填夯實。

4 柱腳節(jié)點設(shè)計

4.1 雙 V 柱腳節(jié)點

大跳臺賽道主要荷載由2 組雙V 型柱承擔，2 根(1500mm × 1500mm ～ 1000mm × 1000mm） ×80mm 變截面箱形柱在柱底連接形成V 型柱， 兩V 型柱在-1.850m 標高通過2 根工字鋼(H1000×400 ×16 ×30）連接。

變截面箱形柱在柱底連接形成V 型柱， 合并后平面尺寸為1.5m ×4m， 兩 V 型柱間凈距為3m； 合并柱在-3.050m 標高沿四周挑出牛腿板，懸挑長度為500mm， 牛腿高度為500mm， 圖4 為雙V 型柱柱腳平面。

圖4 雙V 型柱柱腳平面Fig.4 Double V-shaped column base plan

按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[2]12.7.9 條計算埋入式柱腳埋入鋼筋混凝土的深度， 取5m。 按《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]8.6.3、 8.6.4 條計算鋼柱周邊縱筋、 柱腳的極限受彎承載力及與其對應的剪力。

柱腳設(shè)計時假定: 軸向力由柱腳底板直接傳給鋼筋混凝土基礎(chǔ)； 彎矩由牛腿板和焊于鋼柱翼緣的栓釘傳給外包混凝土， 再傳給混凝土基礎(chǔ)；V 型柱底部的水平剪力由外包混凝土和水平箍筋共同承擔。 在確定包腳部分鋼柱周邊縱筋時， 不考慮鋼柱承擔彎矩。

采用有限元軟件ABAQUS 對V 型柱腳節(jié)點進行有限元分析， 選擇1.1 ×(1.2 恒荷載+1.4活荷載+0.84 風荷載+0.84 降溫荷載）最不利工況， 節(jié)點應力分布如圖 5 所示。 最大應力341.1N/mm2出現(xiàn)在大截面柱與柱腳連接部位(圖5 中 A 區(qū)）。 截面由上至下逐漸合二為一，截面面積相應加大， 應力水平逐漸下降， 鋼柱連接區(qū)域應力水平下降至255.9N/mm2(圖5 中B區(qū)）； 至柱腳下端， 應力水平控制在113.7N/mm2(圖5 中C 區(qū)）， 節(jié)點受力滿足鋼材材質(zhì)要求， 能夠保證結(jié)構(gòu)安全。

圖5 柱腳節(jié)點應力分布(單位： N/mm2)Fig.5 Finite element calculation results of column base joint(unit: N/mm2）

柱腳底板采用80mm 厚鋼板， 地腳螺栓為M36； 柱腔內(nèi)沿高度設(shè)置 6 道橫隔板， 板厚為40mm ～50mm， 橫隔板中央設(shè)置圓孔， 鋼柱腳安裝后采用C40 自密實混凝土進行壓力澆筑(側(cè)壁設(shè)置排氣孔）。 鋼柱腳采用Q345GJD 材質(zhì)鋼材。圖6 為雙V 型柱柱腳剖面。

圖6 雙V 型柱柱腳剖面Fig.6 Double V-shaped column base section

4.2 落地桁架基礎(chǔ)節(jié)點

大跳臺賽道尾部由4 榀落地主桁架、 橫向連接桁架和賽道面板組成。 落地主桁架與地下導荷斜墻通過鉸接鋼支座連接。 荷載通過地下導荷斜墻傳至筏板。 落地桁架基礎(chǔ)節(jié)點見圖3d。

地下導荷斜墻為1200mm 厚鋼筋混凝土墻，墻體豎向和水平向配筋為16@150(4 排）， 拉筋為8@300。 鋼支座埋板尺寸為 1200mm ×1200mm， 底部與 3 組 H800 ×200 ×20 ×20 工字鋼連接， 為方便剪力墻鋼筋通過， 工字鋼之間設(shè) 140mm 間隙。 設(shè)置 2 道 600mm 厚橫向混凝土墻， 加強地下導荷斜墻的面外穩(wěn)定和基礎(chǔ)整體性。

5 結(jié)論

1.由于跳臺造型獨特， 雙V 型柱基礎(chǔ)反力大且集中， 選用16m ×16m 大型多柱聯(lián)合獨立基礎(chǔ)、 非對稱的平面布置方案， 有效減小了基礎(chǔ)尺寸。

2.落地桁架基礎(chǔ)采用覆土增加配重和基礎(chǔ)底板放坡等措施提高摩擦力方式來解決抗水平力問題， 且施工簡便。

3.首鋼滑雪大跳臺結(jié)構(gòu)復雜、 特殊， 基礎(chǔ)設(shè)計時， 根據(jù)荷載和剛度分布特點選取基礎(chǔ)形式， 不僅節(jié)約了工程造價， 也節(jié)省了工期， 取得了較好的經(jīng)濟效益。 從設(shè)計、 施工到投入使用近半年， 經(jīng)沸雪世界杯測試賽， 實際使用效果良好。