何遠(yuǎn)明, 黃用軍, 吳 軍, 鐘學(xué)賦, 賀逸云, 何哲宇, 易枝江, 毛同祥
(深圳市歐博工程設(shè)計顧問有限公司,深圳 518053)
龍華文體中心位于深圳市龍華區(qū)清湖社區(qū),定位為龍華區(qū)市民的健身場所,以群眾日常文體活動為主,兼顧中小型賽事(丙級)。同時作為區(qū)劇團(tuán)工作的宣傳、展示載體,是便于轄區(qū)職工、青少年、婦女、兒童更好地了解劇團(tuán)工作的文化體育設(shè)施項目。項目主要包括體育館、室內(nèi)游泳池、體育場、青少年宮、小型商業(yè)配套以及體育場、綠地等室外設(shè)施。建筑效果圖見圖1。本工程已于2021年10月28日完成主體結(jié)構(gòu)驗收。
圖1 建筑效果圖
總用地面積為84 011.63m2,總建筑面積為108 557.84m2。項目用地呈三角形,其中07-03地塊用地面積為19 034.73m2,設(shè)置室外運(yùn)動場地及景觀綠化;07-05地塊用地面積為64 976.9m2,設(shè)置為體育和文化場館建筑設(shè)施,由體育功能區(qū)、青少年宮及兩層空中花園上的小建筑組成。體育功能區(qū)包括體育館、游泳館、體育場、室外運(yùn)動場及商業(yè),青少年宮分為劇場、培訓(xùn)、辦公、商業(yè)。
體育館由訓(xùn)練場和比賽場、看臺及觀眾、運(yùn)動員、競賽管理、媒體、技術(shù)設(shè)備等功能用房組成,共4層,建筑高度23.85m。青少年宮由劇場、培訓(xùn)室、商業(yè)等組成,共4層,建筑高度23.85m。游泳館由標(biāo)準(zhǔn)泳池、訓(xùn)練池及戲水池組成,共2層,建筑高度23.80m。體育場由標(biāo)準(zhǔn)足球場、賽道、看臺組成,建筑高度17.787m。地下室共2層,地下1層為商業(yè)、培訓(xùn)、泳池設(shè)備用房、車庫及設(shè)備用房,地下2層主要為車庫、人防及設(shè)備用房。游泳館和體育場看臺范圍地下僅有1層地下室,體育館和青少年宮地下有2層地下室。
設(shè)計基準(zhǔn)期為50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級,抗震設(shè)防類別為乙類,抗震設(shè)防烈度為7度,基本地震加速度為0.1g,設(shè)計地震分組為第一組,建筑場地類別為Ⅱ類。地面粗糙度類別為C類。方案階段,驗算變形時基本風(fēng)壓w0采用0.75kN/m2,構(gòu)件承載力計算時按基本風(fēng)壓的1.1倍取值,即w0=0.825 kN/m2;初設(shè)階段,采用風(fēng)洞試驗結(jié)果。
擬建場地原始地貌主要為殘丘坡地,局部地段為丘間谷地,現(xiàn)場地為空地。根據(jù)鉆探揭露,場地內(nèi)地層自上而下依次為:①人工填土、②-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②-2粉質(zhì)黏土、②-3粗砂、③礫質(zhì)黏性土、④-1全風(fēng)化花崗巖、④-2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、④-3中風(fēng)化花崗巖、④-4微風(fēng)化花崗巖。根據(jù)現(xiàn)場踏勘結(jié)果,擬建場地及其周邊未發(fā)現(xiàn)巖溶、滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地面沉降、采空區(qū)及活動斷裂等不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害,場地屬較穩(wěn)定區(qū)域。在鉆孔揭露和控制范圍內(nèi),擬建場地的工程地質(zhì)條件較復(fù)雜,其場地穩(wěn)定性較好,地基穩(wěn)定性較好,可以建筑擬建物。深基坑及巖面起伏較大是該場地的主要工程地質(zhì)問題。
預(yù)應(yīng)力管樁以強(qiáng)風(fēng)化巖層作為樁端持力層。該樁型的優(yōu)點是采用成品樁,施工速度較快,技術(shù)、工藝成熟,且造價較低。缺點是:采用錘擊施工時,會對周圍環(huán)境產(chǎn)生噪音及震動影響;單樁承載能力較低。場地開挖至設(shè)計地下室標(biāo)高后,揭露地層為②-2粉質(zhì)黏土、殘積③礫質(zhì)黏性土及④-1全風(fēng)化花崗巖,樁長差異較大;另外,強(qiáng)風(fēng)化花崗巖面起伏較大,局部有孤石,成樁較困難。
鉆(沖)孔及旋挖灌注樁單樁承載力高,樁徑及樁長選擇自由度大,沉降量小,易于滿足本工程結(jié)構(gòu)大荷載的要求,且無需專門降水,對周邊環(huán)境影響小,穿透能力強(qiáng)。但缺點是工程費(fèi)用相對較高、持力層鑒定不直觀、樁身質(zhì)量及樁底沉渣不易控制,施工過程中產(chǎn)生的泥漿不方便排放,易造成環(huán)境污染。若選用該樁型,施工時則應(yīng)采取適當(dāng)控制措施,防止樁基質(zhì)量問題的發(fā)生。
根據(jù)地勘報告,地下室底板板底標(biāo)高橫跨②-2粉質(zhì)黏土層、人工填土,大部分底板處于人工填土,底板下土質(zhì)不均勻。因此,綜合考慮,采用樁基礎(chǔ)結(jié)合防水板的形式,承臺做成等厚度形式,長×寬為3.8m×3.8m,厚度為1 500~2 500mm;地下1層防水板厚度為400mm,局部500mm;地下2層防水板厚度為500mm,局部700mm。對不同樁徑和混凝土強(qiáng)度等級的灌注樁和PHC樁進(jìn)行了樁基選型,綜合造價和施工速度等因素,確定采用500mm直徑的PHC樁,以④-2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為持力層(抗壓兼抗拔樁)或僅入④-1全風(fēng)化花崗巖,按樁長控制(抗拔樁),采用靜壓施工。單樁抗壓承載力特征值取為2 200kN,單樁抗拔承載力特征值取400kN。
本項目最大建筑高度為23.85m,地上4層,地下2層。主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),其中體育場看臺屋蓋和體育館屋蓋采用大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[1-5]。采用YJK和MIDAS Gen軟件進(jìn)行分析,結(jié)構(gòu)計算模型如圖2所示。
圖2 結(jié)構(gòu)計算模型
游泳館位于龍華文體中心的西北角,共2層,地下室為1層。1層外廊道標(biāo)高從地面至7.8m處,2層屋面標(biāo)高從7m平臺至20m處。通過室外大平臺與其他單體聯(lián)系。游泳館屋蓋為單坡大跨度屋蓋,上下高差為13m,跨度為42m,屋面設(shè)有屋頂花園,屋蓋跨中覆土最厚處為1.2m,坡道覆土均為0.6m。
體育場看臺位于游泳館東側(cè),緊挨游泳館,整個看臺為兩層結(jié)構(gòu)。1層層高4.7m,2層層高3.6m??磁_形狀狹長,南北向134m,東西向19m,看臺鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋支撐在看臺弧形梁處。
體育館位于龍華文體中心東部入口處,地上3層,地下室為2層。1層層高7m,2層層高8.5m,3層往上為網(wǎng)架屋蓋。為了滿足建筑使用功能,地下室1層未設(shè)置頂板,地下室2層頂板位于-3.1m標(biāo)高處,直到地上2層設(shè)置樓板,屬于局部大開洞結(jié)構(gòu)。整個體育館東西向柱距為60m,南北向柱距100m,1層與室外大平臺相連,外廊道由室外大平臺延伸至2層,且外廊道為單邊懸挑結(jié)構(gòu)。
青少年宮位于龍華文體中心南部,緊鄰體育館,屬錯層結(jié)構(gòu),退臺層高分別為7,4.5,4.5,6m,地下室為1層。通過室外大平臺與其他單體互相連接。青少年宮段在結(jié)構(gòu)上是一個連續(xù)懸挑的坡道,懸挑跨度為8.1m,緩坡處理讓整體建筑的天際線更加柔和舒展,建筑體量也被最大化地消隱。青少年宮屋頂設(shè)置逐層退臺的空中花園,屋面覆土最高處厚1.2m。
室外大平臺是連接游泳館、青少年宮、體育館3個單體的橋梁,結(jié)構(gòu)層高7m,并且延伸至整個龍華文體中心的外沿,其中包含車道、人行道、綠化帶、消防疏散通道等各類建筑功能。荷載作用較復(fù)雜。其中平臺處綠化帶覆土厚度統(tǒng)一為0.6m。
結(jié)構(gòu)輪廓平面尺寸較大,考慮溫度應(yīng)力和混凝土收縮徐變可能帶來的不利影響,結(jié)合平面特點和標(biāo)高關(guān)系,設(shè)置3條結(jié)構(gòu)伸縮縫(圖3),將結(jié)構(gòu)劃分為3個單元。通過設(shè)置多道后澆帶(間距不大于30m),來防止鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因溫度變化和混凝土收縮引起開裂,后澆帶設(shè)置位置如圖3所示。地下室標(biāo)高示意見圖4。采用有限元方法計算樓板的溫度應(yīng)力并考慮收縮徐變的影響,根據(jù)計算得到的溫度應(yīng)力,附加補(bǔ)強(qiáng)鋼筋,確保樓板不會開裂。
圖3 結(jié)構(gòu)分縫示意圖(多個標(biāo)高投影)
圖4 地下室標(biāo)高關(guān)系示意
現(xiàn)有規(guī)范體系的計算控制指標(biāo)基本上都是基于層的概念提出的,如位移比、剛度比等。由于坡道和2層(屋面)大平臺橫跨各個樓層,使得水平力的向下傳遞具有多個路徑,各樓層的分界不明顯,無法采用規(guī)范給定的設(shè)計指標(biāo)來明確評價。
從結(jié)構(gòu)所受荷載來看,恒載(自重)、活載、溫度荷載及混凝土的收縮徐變等,都與材料(外荷載)的固有特性相關(guān),是客觀存在的,與樓層的劃分沒有必然聯(lián)系。風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面投影面積相關(guān),荷載數(shù)值與所處絕對位置相關(guān),而不是樓層的相對劃分。地震作用在規(guī)范體系中與層的聯(lián)系較為緊密,規(guī)范中大多數(shù)層概念的指標(biāo)也與地震力的取值息息相關(guān)。而實質(zhì)上,振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)是通過計算結(jié)構(gòu)的各階固有振型和節(jié)點質(zhì)量得到各振型下節(jié)點各個自由度上的地震作用當(dāng)量,再由這些當(dāng)量匯總得到宏觀的樓層地震作用,而不是先有樓層地震作用再進(jìn)行分配。因此,構(gòu)件的地震力與層無關(guān)。層相關(guān)的宏觀指標(biāo),如層剛度比、抗剪承載力比等,可引起地震力的調(diào)整。本質(zhì)上來說,這類抗震措施是從結(jié)構(gòu)抗震的概念上來判斷常規(guī)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的薄弱部位,并予加強(qiáng)以保證結(jié)構(gòu)的受力安全。
對于分層不明顯的結(jié)構(gòu),采用三維空間結(jié)構(gòu)計算軟件可準(zhǔn)確計算構(gòu)件所承受的各種荷載作用。用YJK和MIDAS Gen軟件進(jìn)行了對比復(fù)核;采用性能化設(shè)計,通過中震、大震分析等技術(shù)手段,可有效找出結(jié)構(gòu)可能的薄弱環(huán)節(jié),并采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施。
地下室頂板和地下1層底板均存在復(fù)雜的標(biāo)高關(guān)系或樓板大開洞(圖4),不適合作為嵌固端,因此選擇地下室底板作為結(jié)構(gòu)的嵌固端。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010),地下室頂板的板厚取160mm。
根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[6]第4.1.3條“各種復(fù)雜形體的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu),當(dāng)跨度較大時,應(yīng)通過風(fēng)洞試驗或?qū)iT研究確定風(fēng)載體型系數(shù)”,委托華南理工大學(xué)風(fēng)洞實驗室進(jìn)行了風(fēng)洞試驗。測壓建筑模型依據(jù)建筑圖紙資料,以剛性材料制作而成,幾何縮尺比為1∶200。試驗?zāi)P桶惭b在風(fēng)洞試驗段內(nèi)4m直徑的轉(zhuǎn)盤上,圖5為位于風(fēng)洞中的測壓模型,包括建筑本身及周邊建筑,試驗以36個風(fēng)向角在湍流邊界層來流條件中進(jìn)行。
圖5 龍華文體中心測壓模型
大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的等效靜風(fēng)荷載比較復(fù)雜,首先采用CQC法對體育館屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)計算,找出X,Y,Z向位移響應(yīng)最大的節(jié)點,進(jìn)行第二次多目標(biāo)風(fēng)振響應(yīng)計算,計算得出不同風(fēng)向角下的節(jié)點力,考慮結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響,可作為設(shè)計荷載使用。將所得各工況下的節(jié)點力通過計算軟件分工況反加到結(jié)構(gòu)計算模型中,施加各風(fēng)荷載工況下的節(jié)點力。
體育館和體育場看臺屋蓋跨度大、體型復(fù)雜,柱位和邊界條件不規(guī)則,被允許的結(jié)構(gòu)厚度小,綜合考慮采用了鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的大跨屋蓋形式,用鋼量低,造價相對便宜[1-4,7-8]。設(shè)計中采用多軟件進(jìn)行了對比分析,確保計算結(jié)果的可靠性。分析了柱位和柱剛度對網(wǎng)架受力的影響,通過分析確定了支座水平剛度并回代至整體結(jié)構(gòu)計算中予以復(fù)核。根據(jù)以往項目經(jīng)驗,節(jié)點設(shè)計應(yīng)全面分析其傳力路徑的可靠性和節(jié)點細(xì)部構(gòu)造可能產(chǎn)生的影響,方能確保設(shè)計安全[9-10]。采用ABAQUS軟件驗證了支座節(jié)點的受力性能,滿足受力需求。根據(jù)大跨結(jié)構(gòu)的受力特點和重要性,進(jìn)行了鋼屋蓋的整體穩(wěn)定性分析,包括彈性、材料非線性和幾何非線性,并用構(gòu)件拆除法做了抗連續(xù)倒塌的模擬分析,整體滿足要求[1]。
采用YJK和MIDAS Gen軟件分別進(jìn)行多遇地震作用下的靜力計算分析,驗證結(jié)構(gòu)各部位在多遇地震作用下的性能目標(biāo)。YJK及MIDAS Gen軟件均為三維空間分析軟件,能夠很好地模擬本工程的實際情況,兩者計算結(jié)果吻合良好。
施工圖階段設(shè)置伸縮縫,將整個模型分成三部分,其中游泳館(含體育場看臺)部分和青少年宮(含體育館)部分兩個模型的周期對比結(jié)果分別如表1,2所示,由表可知,兩種軟件計算得到的周期結(jié)果基本吻合。
游泳館部分模型周期及相對誤差 表1
青少年宮部分模型周期及相對誤差 表2
為進(jìn)一步校核兩種軟件在復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可行性,隨機(jī)挑選了若干個構(gòu)件,對比分析YJK與MIDAS Gen模型中各構(gòu)件的單工況內(nèi)力,并分析相應(yīng)的誤差大小??紤]到模型大小、分析工作量、數(shù)據(jù)樣本的完整性和有效性等因素,游泳館模型挑選了40根梁構(gòu)件,20根柱構(gòu)件;青少年宮模型挑選了81根梁構(gòu)件,51根柱構(gòu)件。
在本項目的計算分析中,YJK和MIDAS Gen兩種軟件的整體計算指標(biāo)基本一致。各構(gòu)件的單工況內(nèi)力和組合內(nèi)力值有一定的誤差,但誤差超出10%的數(shù)據(jù)較少,游泳館部分模型和青少年宮部分模型的誤差比例分別為4.3%和6.1%,在可接受的范圍內(nèi),具有統(tǒng)計意義上的一致性。因此,可以認(rèn)定兩種軟件計算模型的結(jié)果基本一致,均具有可靠性。
對本項目進(jìn)行小震彈性時程分析,地震波由YJK軟件自帶,根據(jù)場地類別和特征周期選擇了5條天然波和2條人工波,持時40s,峰值加速度35cm/s2。7條時程曲線所得到的基底剪力與規(guī)范譜CQC法計算值的比值的最大值為110%,最小值71%,均在規(guī)范要求的65%~135%之間,并且7條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值與CQC法計算得到的基底剪力的比值X向為94%,Y向為98%,均在規(guī)范要求的比值80%~120%之間,地震波的選取滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)要求。個別樓層時程分析的樓層剪力結(jié)果略大于CQC法的結(jié)果,將依據(jù)該比值結(jié)果對這些樓層的剪力進(jìn)行放大。
采用YJK軟件進(jìn)行中震計算,并進(jìn)行中震屈服判別,分析結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下的工作情況。通過不同的參數(shù)設(shè)定,分別驗算了中震不屈服和中震彈性兩種工況,復(fù)核不同構(gòu)件的中震性能水準(zhǔn),作為調(diào)整構(gòu)件截面、配筋的設(shè)計依據(jù)。內(nèi)力值涵蓋恒載、活載、各方向地震作用(含偶然偏心,最不利地震方向、豎向地震)、風(fēng)荷載、溫度荷載。典型柱中震彈性計算結(jié)果如圖6所示,A-1柱直徑D為1 000mm,柱長度為5 140mm。由圖6可知,所有工況的組合內(nèi)力值均落在構(gòu)件承載力的PMM包絡(luò)曲面內(nèi),滿足中震不屈服的性能目標(biāo)要求。
圖6 體育館支承屋蓋A-1柱彎矩M-軸力N曲線
采用PKPM SAUSAGE軟件進(jìn)行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析,分析了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的變形、構(gòu)件塑性發(fā)展、分布情況,驗證了大震不倒的整體目標(biāo)和各類構(gòu)件的大震性能水準(zhǔn)。
混凝土收縮徐變是混凝土材料的長期固有特性。混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的徐變、收縮效應(yīng)伴隨著結(jié)構(gòu)施工的全過程和使用期,隨著時間的延長,對結(jié)構(gòu)構(gòu)件長期的撓度變形、內(nèi)力重分布和剛度等性能都有不可忽視的影響?;炷恋氖湛s應(yīng)變是混凝土齡期的時間函數(shù),同時又與混凝土強(qiáng)度等級、尺寸、環(huán)境相對濕度、水泥材質(zhì)等因素有關(guān)系?;炷恋男熳兣c作用應(yīng)力同向,大小與作用應(yīng)力成正比,也是混凝土齡期的時間函數(shù)。
本項目結(jié)構(gòu)平面尺寸超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)要求的伸縮縫最大間距,需要同時進(jìn)行溫度應(yīng)力分析,根據(jù)國內(nèi)的研究成果和工程經(jīng)驗,100~200m左右的超長結(jié)構(gòu)有成功不設(shè)伸縮縫的經(jīng)驗。而對于微膨脹劑與后澆帶等技術(shù)措施,在行業(yè)內(nèi)仍有爭議存在。對此,采用較為合理的溫度應(yīng)力分析是采取合理措施的重要依據(jù)。
采用YJK軟件進(jìn)行考慮收縮徐變的溫度荷載效應(yīng)的彈性分析,計算得到樓板應(yīng)力。同時使用SAP2000軟件CEB-FIP90的公式計算收縮徐變,將兩種軟件得到的計算結(jié)果進(jìn)行對比??紤]整體環(huán)境溫差的影響,計算時考慮升溫20℃及降溫20℃兩種情況。
YJK軟件是按照線彈性理論計算結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng),對于混凝土結(jié)構(gòu),考慮到徐變應(yīng)力松弛特性等非線性因素,溫度效應(yīng)引起樓面應(yīng)力積累、變形積累導(dǎo)致首層邊框柱產(chǎn)生附加彎矩。混凝土徐變與約束變形同向,可以一定程度抵消溫度效應(yīng),相當(dāng)于卸荷效應(yīng)。實際的溫度應(yīng)力并沒有彈性計算的結(jié)果那么大。因此在組合系數(shù)的基礎(chǔ)上,應(yīng)乘以0.3(徐變應(yīng)力松弛系數(shù))。
采用SAP2000軟件CEB-FIP90的公式計算收縮徐變,得到的數(shù)據(jù)完全為彈性計算結(jié)果,不考慮彈性-徐變特征。
采用YJK和SAP2000軟件計算得到的2層大平臺樓板溫度應(yīng)力計算結(jié)果如圖7所示,應(yīng)力分布趨勢基本一致,洞口周邊應(yīng)力集中,溫度應(yīng)力較大。根據(jù)計算結(jié)果,在樓板寬度較小的局部應(yīng)力集中的位置設(shè)置伸縮縫(圖3),以緩解溫度和收縮徐變的影響。地上采用框架結(jié)構(gòu),整體約束相對較小,溫度和收縮徐變效應(yīng)不是特別明顯,樓板應(yīng)力可控。地下室頂板的計算結(jié)果如圖8所示,由于地下室外墻、人防墻、泳池側(cè)壁等構(gòu)件的存在,約束增加,溫度應(yīng)力明顯增大。設(shè)計中,根據(jù)溫度應(yīng)力的計算結(jié)果,對梁柱和樓板的配筋進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計,予以補(bǔ)強(qiáng),確保結(jié)構(gòu)不開裂。
圖7 2層大平臺樓板溫度應(yīng)力(分縫前)/MPa
圖8 地下室頂板溫度應(yīng)力(分縫前)/MPa
(1)結(jié)合地勘資料,通過選型分析,龍華文體中心項目采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁+防水板基礎(chǔ)。
(2)通過理論分析,層的概念不影響結(jié)構(gòu)受力,僅數(shù)據(jù)指標(biāo)的宏觀表現(xiàn)形式不同,采用三維空間結(jié)構(gòu)計算軟件可合理計算結(jié)構(gòu)反應(yīng)并進(jìn)行設(shè)計,對YJK和MIDAS Gen兩個軟件在構(gòu)件內(nèi)力層面進(jìn)行校核,精度可滿足設(shè)計要求。
(3)地下室頂板樓面標(biāo)高復(fù)雜,故將嵌固端下移,設(shè)置在底板。
(4)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用多軟件對比分析,對整體穩(wěn)定性、關(guān)鍵節(jié)點受力等進(jìn)行補(bǔ)充分析,可確保計算結(jié)果可靠。
(5)按層模型統(tǒng)計指標(biāo)不適用于本工程,采用基于性能的設(shè)計方法,對構(gòu)件進(jìn)行了多軟件對比的小、中、大震性能目標(biāo)復(fù)核,可保證構(gòu)件滿足設(shè)計要求。
(6)超長結(jié)構(gòu)通過合理的溫度樓板應(yīng)力分析方法和結(jié)構(gòu)縫的構(gòu)造措施,可緩解溫度和收縮的影響,控制樓板不開裂。