某會(huì)展中心展廳異形復(fù)雜大跨結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)

李 麗, 沈 金, 謝 遼, 王 俊

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概況

黃河三角洲農(nóng)產(chǎn)品交易服務(wù)中心基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目位于山東省濱州市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)核心區(qū),總體定位為以農(nóng)產(chǎn)品展示與交易為主,集會(huì)議、辦公等功能于一體的一流會(huì)展中心。項(xiàng)目總用地面積154 633.20m2,總建筑面積105 000m2。

本項(xiàng)目分兩期建設(shè),一期建設(shè)內(nèi)容為展示交易及文化活動(dòng)中心與配套服務(wù)中心一,包含5個(gè)展廳及1個(gè)服務(wù)中心,現(xiàn)已竣工并投入使用。二期建設(shè)內(nèi)容為配套服務(wù)中心二,包含1幢9層的配套用房。各單體之間設(shè)置防震縫,平面布局見圖1,建筑造型見圖2。

圖2 建筑造型

本文重點(diǎn)介紹1#、5#展示交易及文化活動(dòng)中心(簡(jiǎn)稱1#、5#展廳)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),1#、5#展廳單體幾何尺寸見表1,內(nèi)部效果圖見圖3。

表1 單體幾何尺寸(屋蓋投影)

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程設(shè)計(jì)使用年限50年,安全等級(jí)為一級(jí),屬于重點(diǎn)設(shè)防類建筑［1］,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本加速度0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第三組,工程場(chǎng)地類別為Ⅲ類［2］。50年重現(xiàn)期基本雪壓0.35kN/m2,50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓0.50kN/m2,大跨屋蓋取重現(xiàn)期100年的風(fēng)壓(0.55kN/m2)、雪壓(0.40kN/m2)計(jì)算［3］。

3 1#展廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)選型

1#展廳柱網(wǎng)平面尺寸為75m(南北向)×122.1m(東西向),南北兩側(cè)6m跨度柱網(wǎng)范圍設(shè)置兩層配套用房,中部63m×122.1m的通高范圍均作為展廳空間。屋蓋為相連的兩個(gè)東西向弧形緩坡屋面(最高點(diǎn)分別為18m和21.6m),端部向外延伸形成西側(cè)外挑屋檐及建筑北立面的貝殼造型(大、小屋面分別對(duì)應(yīng)大、小貝殼)。

單體下部主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、屋蓋采用大跨鋼結(jié)構(gòu)體系。為滿足建筑師追求的簡(jiǎn)潔輕盈的空間效果,并達(dá)到結(jié)構(gòu)合理性與建筑效果完美契合,探討了多個(gè)屋蓋結(jié)構(gòu)形式。

屋蓋方案一:沿短向(南北向)布置立體桁架的結(jié)構(gòu)形式,下弦設(shè)拉索形成張弦桁架體系,如圖4所示。該方案桿件數(shù)量較多,未能達(dá)到建筑預(yù)期效果。

圖4 屋蓋方案一

屋蓋方案二:結(jié)合建筑屋面造型,沿屋面弧線方向(東西向)布置張弦梁,形成跨度為84、38m的張弦梁體系,在屋蓋中部高差處設(shè)足夠剛度的支撐結(jié)構(gòu),見圖5。此方案不足之處為:1)增大了張弦梁跨度且傳力途徑復(fù)雜化,結(jié)構(gòu)不盡合理;2)展廳中部增設(shè)兩根柱,影響了展廳內(nèi)部空間;3)桿件雖較方案一減少,但與建筑內(nèi)部空間契合度低,仍未滿足建筑要求。

圖5 屋蓋方案二

屋蓋方案三:沿短向(南北向)布置“上承式”張弦鋼拱架,在張弦拱上結(jié)合屋面設(shè)置鋼構(gòu)件,形成上部水平、形似“上承式拱橋”的新型張弦拱架體系,如圖6、7所示。該方案特點(diǎn)為:1)沿平面短向布置,傳力途徑直接、受力合理;2)與直線型張弦梁不同,其在幾何關(guān)系上仍屬于上凸型張弦結(jié)構(gòu)范疇,索撐體系平面外穩(wěn)定不存在問題［4-5］;3)拱架兩端形成桁架,既增加了拱架剛度又解決了兩側(cè)屋面出挑及立面貝殼造型結(jié)構(gòu)支架問題;4)端部桁架桿件之間的空間,可供設(shè)備管線布置利用,從而在相同建筑外包尺度條件下,可形成更大的內(nèi)部有效空間。

圖6 鋼屋蓋整體模型

圖7 典型單榀張弦拱架布置圖

方案三較好地結(jié)合了結(jié)構(gòu)合理性及建筑效果,獲得了建筑師的青睞,為本項(xiàng)目屋蓋較理想結(jié)構(gòu)形式,1#、2#、3#展廳均采用方案三結(jié)構(gòu)形式,4#展廳采用斜柱加張弦梁的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)

3.2.1 張弦拱架受力特性分析

根據(jù)張弦結(jié)構(gòu)的加工、施工及受力特點(diǎn),通常將其結(jié)構(gòu)形態(tài)定義為零狀態(tài)(無自重、無預(yù)應(yīng)力)、初始態(tài)(有自重和預(yù)應(yīng)力)和荷載態(tài)(在初始態(tài)基礎(chǔ)上承受其他外荷載,包括恒載和活載)三種。

初始態(tài)下,下弦拉索的內(nèi)力主要為抵抗自重產(chǎn)生,由于該結(jié)構(gòu)形式的柔性特點(diǎn),其變形對(duì)下弦索預(yù)拉力作用變化的反應(yīng)相當(dāng)敏感(敏感程度與上弦構(gòu)件的剛度相關(guān),見表2),即施加超出自重效應(yīng)的拉索內(nèi)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反拱位移,并在構(gòu)件中產(chǎn)生額外的應(yīng)力,于施工控制、經(jīng)濟(jì)性角度方面均為不利。

表2 不同張拉力下初始態(tài)對(duì)比

計(jì)算結(jié)果表明,上承桁架的存在使得此張弦結(jié)構(gòu)對(duì)下弦索張拉力的敏感度顯著降低,且上弦主鋼梁控制截面應(yīng)力幾乎沒有變化,因此,在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)及撓度變形控制方面需要注意:

(1)控制風(fēng)吸荷載作用下弦索的拉力值,避免失去張緊形態(tài)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)?？癸L(fēng)措施主要有:施加足夠預(yù)張力、設(shè)置抗風(fēng)索或增加配重。

(2)在初始態(tài)、彈性模量等均一致的條件下,荷載態(tài)下結(jié)構(gòu)撓度與下弦索的直徑直接相關(guān),結(jié)構(gòu)撓度可通過調(diào)整下弦索直徑控制。

本工程張弦拱架兩端的外挑桁架,在正常使用恒、活荷載作用下,可以發(fā)揮平衡大跨屋面中部荷載的有利作用;但在抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí),其豎向荷載對(duì)支座內(nèi)側(cè)的上抬效應(yīng)反而成為不利因素,而且應(yīng)忽略懸挑范圍風(fēng)吸作用的有利影響,僅作為安全儲(chǔ)備;與此同時(shí),考慮到深化加工及施工控制的便捷性,本項(xiàng)目以施工圖中的外形為零狀態(tài)(構(gòu)件加工形態(tài)),并在施工階段,主要通過“控制變形為主、下弦索拉力值為輔”的方式使張弦拱架安裝就位后的初始狀態(tài)與零狀態(tài)基本吻合。綜合考慮撓度變形控制(如采用施加額外預(yù)張力抗風(fēng)的方式,則對(duì)深化加工及施工過程中的撓度控制要求較高)、拉索使用效率、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及展廳內(nèi)部空間的簡(jiǎn)潔性(如設(shè)置抗風(fēng)索勢(shì)必對(duì)展廳內(nèi)部的空間有所影響),本項(xiàng)目的抗風(fēng)措施采用增加結(jié)構(gòu)配重的方式。

3.2.2 屋蓋結(jié)構(gòu)分析

在確定結(jié)構(gòu)的布置形式后,參考《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)［6］及國內(nèi)工程實(shí)例［7-9］,通過計(jì)算對(duì)比分析,最終將矢高確定為6.3m(約為跨度的1/10),其中上弦拱形鋼梁矢高4m(約為跨度的1/16),下弦拉索的垂度2.3m(約為跨度的1/27)。上弦鋼梁截面□600×400×(18～20),內(nèi)灌水泥砂漿作為配重;下弦拉索采用1 670MPa級(jí)別高釩鍍層索φ98,其彈性模量1.58×105MPa;撐桿間距9m。屋面主要荷載取值如表3所示,典型狀態(tài)下下弦拉索拉力值如表4所示。

表3 屋面主要荷載取值

表4 典型狀態(tài)下張弦拱架下弦拉索拉力值

本工程張弦拱架上弦鋼梁控制截面位于結(jié)構(gòu)中段,最不利內(nèi)力組合為半跨活荷載作用下產(chǎn)生,最大軸壓力約2 200kN、彎矩約1 000kN·m、控制應(yīng)力比為0.8左右。正常使用極限狀態(tài)下,從零狀態(tài)起算的撓度值最大為213.3mm,約為跨度的1/295,滿足規(guī)范限值1/250,如圖8所示。

圖8 正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)撓度/mm

3.2.3 屋蓋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

本工程主要采用考慮幾何非線性的荷載-位移全過程分析法(二階P-Δ彈性分析法)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。由3D3S軟件計(jì)算得到的第一階線性穩(wěn)定屈曲模態(tài)如圖9所示,主要為張弦拱架上弦拱形鋼梁(壓彎構(gòu)件)的平面外失穩(wěn),其線性穩(wěn)定系數(shù)(屈曲時(shí)荷載與恒加活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合的比值)為10.7。

圖9 第一階線性穩(wěn)定屈曲模態(tài)

在模型中按第一階屈曲模態(tài)施加初始缺陷,最大缺陷值為210mm(取跨度的1/300),計(jì)算得到考慮幾何非線性的穩(wěn)定極限承載力與恒加活荷載標(biāo)準(zhǔn)荷載組合的比值為4.52。

利用研制的晶體管直流增益在線測(cè)試系統(tǒng)，以BCX41和3CK3B兩種晶體管器件作為試驗(yàn)樣品，在CFBR-II堆上開展了不同中子輻照注量效應(yīng)試驗(yàn)，分別獲得了輻照功率為2，20，200 W下晶體管的直流增益變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖8—圖10所示。

3.2.4 整體結(jié)構(gòu)分析

1#展廳整體模型如圖6所示。鋼屋蓋與下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的連接主要采取設(shè)置鉛芯橡膠支座(隔震支座)的連接方式,在正常使用情況下能為下部結(jié)構(gòu)提供一定的側(cè)向剛度,并有效釋放溫度應(yīng)力;在地震作用下則可以減小因設(shè)置配重引起的不利效應(yīng)。

整體模型的建立可以較準(zhǔn)確地計(jì)入鋼屋蓋對(duì)下部結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響及下部結(jié)構(gòu)對(duì)屋蓋張弦拱架的影響,達(dá)到工程設(shè)計(jì)精度要求［10-11］,屋蓋前三階振型見圖10。

圖10 整體計(jì)算的前3階振型/mm

4 5#展廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5#展廳位于地塊東側(cè),地下1層,地上2層,局部3層,房屋平面長(zhǎng)度235m,寬度53m,建筑高度 23.7 m(坡屋面中點(diǎn)標(biāo)高),首層層高 6 m。下部采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),屋面采用鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。

4.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)選型

4.1.1 混凝土結(jié)構(gòu)

下部混凝土結(jié)構(gòu)平面為矩形,長(zhǎng)度為202.5m,寬度約為37.8m。主要柱網(wǎng)為9m×9.9m,中庭大開洞。一層中庭東西兩列為三分叉混凝土柱,至二層樓面后遠(yuǎn)離中庭的混凝土斜柱,繼續(xù)往上支撐三層樓面直至屋面;靠近中庭的混凝土斜柱則在二層樓面轉(zhuǎn)換為兩層通高鋼斜桿以支撐鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,剖面如圖11所示,其中東立面為通高A字形混凝土柱。

圖11 5#展廳剖面圖

采用大型通用軟件YJK對(duì)結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)進(jìn)行有限元分析,混凝土樓板采用彈性板單元,考慮±25℃溫差效應(yīng),計(jì)算結(jié)果見圖12,由圖可見,洞口沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向的兩側(cè)樓板及樓梯間附近樓板出現(xiàn)應(yīng)力集中,應(yīng)力較大,需加強(qiáng)相應(yīng)位置的樓板厚度及配筋,并且設(shè)置多道施工后澆帶。同時(shí)根據(jù)溫度荷載作用下的內(nèi)力圖顯示,沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向中部的框架梁及斜柱位置處軸力較大,需加強(qiáng)此部位框架梁腰筋。

圖12 樓板溫度應(yīng)力云圖/MPa

采用YJK軟件進(jìn)行整體模型分析,整體計(jì)算模型見圖13?；炷量蚣芨鶕?jù)建筑立面及內(nèi)部造型要求設(shè)置較多斜柱,在樓層及頂部設(shè)置框架梁,形成較強(qiáng)框架結(jié)構(gòu),提供較強(qiáng)抗側(cè)剛度。整體計(jì)算結(jié)果表明前兩階模態(tài)分別為X、Y向平動(dòng),第三階模態(tài)為扭轉(zhuǎn),且較好地控制5%偶然偏心下扭轉(zhuǎn)位移比,使其不超過1.4。

圖13 整體模型

4.1.2 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋

本工程屋蓋為四個(gè)方向坡度較緩的弧形金屬屋面,投影長(zhǎng)度為235m,寬度為53m,采用鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。屋蓋東西兩側(cè)檐口懸挑10～12m,南側(cè)設(shè)置滑動(dòng)支座落于配套服務(wù)中心一屋面,北側(cè)懸挑端支撐于貝殼造型鋼架上。

屋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)算所采用的結(jié)構(gòu)有限元軟件主要為3D3S14.1,屋面恒荷載為1.0kN/m2(金屬屋面)、1.5 kN/m2(玻璃屋面);不上人屋面活荷載為0.7kN/m2;溫度作用按±25℃考慮。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋利用室內(nèi)吊頂高度并順應(yīng)建筑檐口幕墻造型,在大懸挑端設(shè)置鋼桁架,中部設(shè)置鋼梁,即鋼梁+懸挑鋼桁架的結(jié)構(gòu)形式,用鋼量為60kg/m2,既體現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性,又能很好地滿足建筑造型。鋼屋蓋典型剖面見圖14。

圖14 鋼梁+懸挑桁架布置

圖15為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主要構(gòu)件的應(yīng)力比。應(yīng)力比最大值控制在0.88,主要分布于0.30～0.70,滿足應(yīng)力比小于規(guī)范限值1.0的設(shè)計(jì)要求。圖16 為恒荷載+活荷載下屋蓋鋼結(jié)構(gòu)變形圖,最大位移為47.8mm,撓度為 1/317 ,滿足最小撓度限值1/250的要求。

圖15 屋蓋應(yīng)力比

圖16 屋蓋變形/mm

4.2 結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)

4.2.1 貝殼鋼架設(shè)計(jì)

展廳北側(cè)結(jié)合建筑貝殼造型,設(shè)置豎向鋼架,見圖17。在標(biāo)高16.000m處設(shè)置系桿與主體混凝土連接,增加鋼架側(cè)向剛度。上端與主體屋蓋懸挑端相連,鋼架與屋蓋連接及柱腳方案比選如表5所示。

表5 鋼架連接方案比選

圖17 幕墻支撐鋼架立面圖

根據(jù)比選結(jié)果,除方案五外,其余方案的位移及變形均能滿足規(guī)范要求。考慮結(jié)構(gòu)的可靠性及施工的便利性,鋼架柱頂與屋蓋桁架鉸接,對(duì)鋼架柱腳進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,采用方案四鉸接節(jié)點(diǎn)。

圖18(a)為屋蓋端部設(shè)置水平支撐前后角部位移對(duì)比,角部最大位移為34.73mm,撓度為1/276,滿足規(guī)范1/250要求［12］;圖18(b)未設(shè)置屋面端部水平支撐角部最大位移為67.85mm,撓度為1/141,不滿足規(guī)范要求。因此屋蓋北側(cè)懸挑端及內(nèi)伸一跨均設(shè)置水平支撐,與幕墻鋼架可形成整體。

圖18 設(shè)置水平支撐前后角部Z向位移對(duì)比/mm

4.2.2 鋼筋混凝土分叉柱節(jié)點(diǎn)分析

鋼筋混凝土分叉柱的節(jié)點(diǎn)幾何形狀和受力形式比較復(fù)雜,需要進(jìn)行詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)分析。采用非線性分析專用軟件MIDAS FEA,混凝土單元為實(shí)體單元,鋼筋為線單元,混凝土受壓模型采用Thorenfeldt硬化模型,受拉模型采用linear線性模型,鋼筋采用von-Mises彈塑性模型。

分叉柱節(jié)點(diǎn)模型的邊界條件盡量接近實(shí)際結(jié)構(gòu)中的受力狀態(tài)。柱底固接,四周水平梁反彎點(diǎn)處設(shè)置豎向可移動(dòng)鉸,分叉柱頂面為加載端,各構(gòu)件加載值見表6。

表6 大震彈性各構(gòu)件內(nèi)力

采用建立的實(shí)體單元模型進(jìn)行非線性分析(圖19)。分析結(jié)果顯示混凝土單元最大壓應(yīng)力在FCZ1,約24 MPa(圖20(a)),最大拉應(yīng)力在分叉柱交界處,約5.58 MPa(圖20(b)),超過了C30混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,但總體占比小,綜合看,大震彈性下混凝土分叉柱處于安全工作狀態(tài)。

圖19 混凝土分叉柱節(jié)點(diǎn)混凝土、鋼筋有限元模型

圖20 混凝土分叉柱節(jié)點(diǎn)主軸主應(yīng)力/(N/mm2)

縱向鋼筋單元的應(yīng)力結(jié)果(圖21(a)),最大應(yīng)力發(fā)生在分叉柱的下部,折算應(yīng)力約為300MPa,小于鋼材的屈服強(qiáng)度360MPa。節(jié)點(diǎn)的混凝土出現(xiàn)局部開裂情況(圖21(b)),主要受裂縫面處的法向應(yīng)力引起,綜合來看,混凝土單元以部分開裂分布占優(yōu),完全開裂單元很少,混凝土受力處于安全狀態(tài)。

圖21 鋼筋等效應(yīng)力云圖及混凝土裂縫狀態(tài)

同時(shí),小震及正常使用工況下有限元分析結(jié)果顯示,節(jié)點(diǎn)處混凝土和鋼筋均遠(yuǎn)未達(dá)到屈服強(qiáng)度,節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)滿足要求。

5 結(jié)論

(1)綜合結(jié)構(gòu)合理性、經(jīng)濟(jì)性及與建筑契合度等因素,1#～3#展廳屋蓋采用上承式張弦拱架體系,該結(jié)構(gòu)體系新穎、受力明確、傳力途徑清晰、與建筑契合較好。5#展廳采用鋼梁+懸挑桁架的屋蓋結(jié)構(gòu)形式,既滿足建筑造型,又有較好的經(jīng)濟(jì)性。

(2)合理選擇構(gòu)件截面、索截面及初始張力等關(guān)鍵參數(shù),對(duì)張弦拱架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

(3)建立正確整體模型,充分考慮大跨張弦結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的相互影響。

(4)針對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu),通過充分考慮溫度效應(yīng)、設(shè)置后澆帶、局部加強(qiáng)等綜合措施控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫及鋼構(gòu)件應(yīng)力。

(5)對(duì)復(fù)雜的混凝土分叉柱節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)能滿足大震彈性要求。