楊 平

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

海峽青年交流營地會展中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊 平

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

介紹了海峽青年交流營地會展中心項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況，同時(shí)分析了五項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，包括：預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁(TSC樁)在深厚淤泥地基中的應(yīng)用、混凝土鋼筋桁架樓承板、斜柱和鑄鋼節(jié)點(diǎn)、大跨度鋼桁架及鋼柱的計(jì)算長度系數(shù)。

TSC樁；混凝土鋼筋桁架樓承板；斜柱；鑄鋼節(jié)點(diǎn)；鋼桁架；計(jì)算長度系數(shù)

1 工程概況

海峽青年交流營地項(xiàng)目位于福建省福州市馬尾區(qū)瑯岐島，整個(gè)項(xiàng)目包括會展中心、活動中心、青年旅社和文化街等多棟多高層建筑。該項(xiàng)目為福建省重點(diǎn)項(xiàng)目，建成后將作為海峽青年交流節(jié)的永久會址。會展中心作為該項(xiàng)目會展會議場所，總建筑面積約6萬m2，內(nèi)部建筑功能包括劇院、展廳、影院、宴會廳及辦公等，如圖1所示。會展中心地下部分共2層，其中地下一層(標(biāo)高-3.800m)為半地下室(室外地面標(biāo)高-1.850m)，地下二層(標(biāo)高-7.700m)局部為人防地下室，人防等級：常6級、核6級。地上部分共4層，建筑屋面標(biāo)高25.550m。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

該工程建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo=1.0。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級。

風(fēng)荷載取值：基本風(fēng)壓按50年重現(xiàn)期取0.9kN/m2(承載力設(shè)計(jì)不放大)，舒適度計(jì)算風(fēng)壓取0.4kN/m2，地面粗糙度為B類，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.4，風(fēng)荷載計(jì)算阻尼比取0.02(鋼結(jié)構(gòu))。

地震場地信息：建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類，設(shè)計(jì)容納人數(shù)5 000人以上)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，設(shè)防烈度7度(0.10g)，場地類別Ⅲ類，結(jié)構(gòu)特征周期0.65s，阻尼比0.04(鋼結(jié)構(gòu))，計(jì)算嵌固端取負(fù)一層。

建筑防火分類等級為一級，耐火等級為一級。耐火極限：鋼柱、鋼支撐、樓面桁架為3h，鋼梁為2h，鋼筋桁架樓承板、疏散樓梯及屋頂承重構(gòu)件為1.5h。

溫度作用：鋼結(jié)構(gòu)考慮 ±30℃的溫度作用。

主要結(jié)構(gòu)活荷載取值：辦公：2.0kN/m2；展廳、劇院、電影院、宴會廳：4.0kN/m2；空調(diào)機(jī)房：8.0kN/m2；屋頂花園：3.0kN/m2。

圖1 會展中心建筑效果

圖2 會展中心建筑效果

3 結(jié)構(gòu)體系及整體計(jì)算結(jié)果

該工程上部采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，鋼材材質(zhì)采用Q345b。鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面如下：框架柱：圓鋼管柱Φ800×35、Φ1 000×35，箱型鋼管柱Φ600×30，鋼管混凝土柱Φ800×35，方鋼管混凝土柱Φ1 400×1 000×30；主框架梁：HN1000×300×19×36，HN800×300×14×26；次梁：HN600×200×11×17，HN400×200×8×13。樓蓋體系：該工程基本柱距9m×9m，采用單向次梁體系，一跨柱距內(nèi)設(shè)兩道次梁(間距3m)，結(jié)構(gòu)樓板采用鋼筋桁架混凝土組合樓板。

該工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用盈建科(YJK)和邁達(dá)斯(Midas Gen)兩個(gè)軟件進(jìn)行對比分析。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 YJK整體計(jì)算模型

兩個(gè)軟件主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 YJK與Midas主要計(jì)算結(jié)果

續(xù)表1

表1顯示，兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果除風(fēng)荷載外均比較接近，說明整體結(jié)構(gòu)模型的分析結(jié)果是穩(wěn)定可靠的。兩個(gè)軟件風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果偏差較大的原因，主要是軟件計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)所取的迎風(fēng)面寬度不同造成。

結(jié)構(gòu)整體分析的計(jì)算結(jié)果均符合規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)自振周期前兩個(gè)周期均以平動為主，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值約0.8，小于規(guī)范要求?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定多高層鋼結(jié)構(gòu)多遇地震作用下的彈性層間位移角限值為1/250，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定風(fēng)荷載作用下層間位移角限值1/400，該工程偏安全取多遇地震和風(fēng)荷載作用下層間位移角均滿足1/400要求。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)、難點(diǎn)問題

4.1 預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁(TSC樁)[3]的應(yīng)用

會展中心擬建場地淤泥等軟土地質(zhì)深厚，并且包含中等液化土層。土層從上往下依次為雜填土、淤泥、中砂夾淤泥、淤泥夾砂、淤泥質(zhì)土夾砂、粉(中)砂夾淤泥、淤泥質(zhì)土夾砂、粉砂(夾粘性土)和碎卵石層。其中，埋深15m范圍內(nèi)，中砂夾淤泥層為中等液化土層，如圖4所示。傳統(tǒng)的PHC樁抗彎、抗剪性能較差，在軟土地質(zhì)中施工效果不理想，經(jīng)常會出現(xiàn)樁身傾斜或斷樁等情況，且不適宜在液化土層中使用。而混凝土灌注樁雖然可以在液化土層中使用，但成樁質(zhì)量不易保證，工期長且造價(jià)高。

圖4 典型地質(zhì)剖面圖

該工程樁采用預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁(TSC樁)與預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC樁)的組合樁，其中樁頂部15m采用TSC樁(樁型為TSC-Ⅰ-600-110-6)，樁身穿越淤泥土層及液化土層，15m以下均采用PHC樁(樁型為 PHC-AB600(130)-55)，設(shè)計(jì)凈樁長約55m～60m。樁端持力層為碎卵石層，豎向抗壓承載力特征值3 000kN。

TSC樁由于在外層包裹了鋼管，抗彎和抗剪承載力均優(yōu)于PHC管樁，可以在液化土層中有效抵抗地震作用下的水平剪力，如圖5所示。同時(shí)該樁型相比混凝土灌注樁，能夠大大節(jié)省工期和造價(jià)。

圖5 TSC樁

組合樁在現(xiàn)場實(shí)際施工中效果理想，現(xiàn)場TSC組合樁沒有出現(xiàn)斷樁、爆樁的情況。施工完成后，對樁基進(jìn)行了檢測，承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且沒有出現(xiàn)Ⅲ類、Ⅳ類樁。施工完成后，對建筑進(jìn)行了持續(xù)的沉降，相關(guān)數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求。

4.2 混凝土鋼筋桁架樓承板

該工程局部樓層層高較高(跨層，層高分別達(dá)到14.35m、11m、8m)，對于結(jié)構(gòu)樓板，需要采用一種無支撐的模板系統(tǒng)，以避免傳統(tǒng)的搭腳手架高支模施工帶來大量人力、物力的消耗以及施工工期的拖延。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)樓蓋體系一般采用壓型鋼板組合樓蓋，但壓型鋼板現(xiàn)場施工時(shí)無支撐跨度較小，且組合樓板為單向受力，結(jié)構(gòu)安全度較雙向板低。

該工程樓蓋體系采用混凝土鋼筋桁架組合樓板，二～四層樓板厚度130mm，屋面層樓板厚度150mm(鋼筋桁架高度=樓板厚度-30mm)。鋼筋桁架樓承板將樓板中鋼筋在工廠加工成三角形鋼筋桁架，并將鋼筋桁架與底模連接成一體。施工期間，鋼筋桁架鋪設(shè)幾乎不設(shè)臨時(shí)支撐，樓承板自重、混凝土重量及施工荷載全部由鋼筋桁架承受。鋼筋桁架底模僅作為施工階段模板，在混凝土結(jié)硬前托住混凝土，使用階段不承受荷載(在正常使用情況下，底模鋼板的存在增加了樓板的剛度，改善了樓板下部混凝土的受力性能)。同時(shí)，由于底模為平整的薄鋼板，使得組合樓板兩個(gè)方向的底筋均可以貫通設(shè)置，組合樓板在使用階段可以按照普通混凝土樓板一樣設(shè)計(jì)為雙向板，比壓型鋼板組合樓蓋的單向受力體系更加安全可靠，如圖6～圖7所示。

圖6 鋼筋桁架大樣圖

圖7 鋼筋桁架現(xiàn)場施工圖片

4.3 斜柱和鑄鋼節(jié)點(diǎn)

建筑首層～三層的四角為向外傾斜且逐漸收攏的三角形，向外傾斜的長度達(dá)到11m，如圖8a所示。由于立面要求，在三層傾斜的最外側(cè)無法設(shè)置柱子。為此，結(jié)構(gòu)上通過設(shè)置三角形相交的斜柱來達(dá)到建筑立面效果，如圖8b所示。斜柱采用圓鋼管混凝土Φ800×35，相交節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)材質(zhì)為G20Mn5N，屈服強(qiáng)度≥300MPa。斜柱在三層樓面相交，斜柱以上設(shè)置豎直鋼管混凝土柱。

(a) (b)圖8 建筑傾斜外立面及結(jié)構(gòu)斜柱模型

斜柱與樓層鋼梁相交處，各構(gòu)件截面不同，受力狀態(tài)復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)該處節(jié)點(diǎn)采用了鑄鋼節(jié)點(diǎn)，并使用Ansys軟件對鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，保證節(jié)點(diǎn)受力的安全可靠。分析時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尺寸，建立對應(yīng)空間三維模型，模型采用solid95單元，實(shí)體單元智能劃分，并對其中容易應(yīng)力集中的部位，如焊縫交匯位置進(jìn)行加密。材料屈服準(zhǔn)則為von Mises，選取一根外弦桿的一個(gè)端面施加固定約束，其余端面根據(jù)整體結(jié)構(gòu)分析所得節(jié)點(diǎn)力施加荷載。節(jié)點(diǎn)模型如圖9所示，計(jì)算應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖9 鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元模型

圖10 鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

根據(jù)計(jì)算分析所得應(yīng)力，鑄鋼節(jié)點(diǎn)整體處于線彈性狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)大部分應(yīng)力小于150MPa，少部分區(qū)域處于150MPa～265MPa，最大von Mises應(yīng)力308MPa，位于主支撐與主桿件交匯處的點(diǎn)狀區(qū)域，面積十分小，可認(rèn)為是應(yīng)力集中現(xiàn)象。鑄鋼節(jié)點(diǎn)桿端的空間變形最大約為1.53mm，相當(dāng)于其中心線長度的1/1 568，符合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的相應(yīng)規(guī)定。

4.4 大跨度鋼桁架

會展中心建筑首層?xùn)|西兩側(cè)分別為展廳及劇場，三層?xùn)|西兩側(cè)分別為大宴會廳及電影院。為了滿足使用上的要求，這幾個(gè)部分柱距均達(dá)到36m，結(jié)構(gòu)上，為了滿足建筑的使用要求，通過設(shè)置單向鋼桁架來解決大跨度問題。鋼桁架高度2.5m(上弦上翼緣至下弦下翼緣高度)，弦桿、腹桿均采用H型鋼(H型鋼截面高度300mm～500mm)，與鋼桁架相連的柱采用方鋼管混凝土柱(1 400×1 000×30)。

建筑三層以上立面采用向外傾斜的形式，四層和屋面層樓板外輪廓線逐層向外擴(kuò)展。屋面層邊線較三層樓板邊線外擴(kuò)了約9m，建筑剖面如圖11所示。同時(shí)屋面設(shè)計(jì)覆土500mm，荷載較普通屋面大。結(jié)構(gòu)上，仍然采用鋼桁架來解決長懸挑和屋面大荷載的問題，懸挑桁架高度2.2m(上弦上翼緣至下弦下翼緣高度)，弦桿、腹桿均采用H型鋼(H型鋼截面高度300mm～500mm)，如圖12所示。

圖11 建筑剖面圖

圖12 三層劇院鋼桁架計(jì)算模型

4.5 鋼柱的計(jì)算長度系數(shù)

傳統(tǒng)軟件計(jì)算鋼柱的計(jì)算長度，采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]5.3.3條及附錄D規(guī)定，通過計(jì)算上下梁柱線剛度比K1和K2，查表求出長度系數(shù)μ從而得出柱的計(jì)算長度，如圖13所示。對于普通鋼柱鋼梁的框架結(jié)構(gòu)，這種方法是正確有效的。但是，當(dāng)與鋼柱相連的是桁架而不是鋼梁時(shí)，軟件無法識別并計(jì)算整榀桁架的線剛度，而是把桁架下弦桿當(dāng)作與鋼柱相連的梁，計(jì)算下弦桿線剛度。由于下弦桿線剛度遠(yuǎn)小于整榀桁架的線剛度，按此計(jì)算不符合實(shí)際的約束情況，得到的鋼柱長度系數(shù)會非常大，從而導(dǎo)致鋼柱截面偏大，如圖14所示。圖15為YJK中一根與桁架相連的箱型鋼管柱的計(jì)算信息，由于程序按下弦桿計(jì)算線剛度，導(dǎo)致柱長度系數(shù)很大，構(gòu)件長細(xì)比超限。

圖13 屋面懸挑桁架計(jì)算模型

圖14 與桁架相連鋼柱計(jì)算長度示意

圖15 YJK鋼柱計(jì)算信息

為了解決上述問題，可以在Midas中利用屈曲分析，得到鋼柱正確的計(jì)算長度系數(shù)。如圖16所示，在需要計(jì)算長度系數(shù)的鋼柱上施加單位力，然后對該單位力工況進(jìn)行屈曲分析，由此可以得到如圖17所示的屈曲模態(tài)和屈曲系數(shù)。該屈曲系數(shù)乘以單位力即為鋼柱的屈曲荷載。根據(jù)歐拉公式，Ncr=π2EI/(μL)2，在已知屈曲荷載Ncr后，即可反算求出柱的計(jì)算長度系數(shù)μ。需要指出的是，利用歐拉荷載求長度系數(shù)的方法為線性屈曲分析方法。實(shí)際結(jié)構(gòu)在幾何、材料方面都表現(xiàn)出非線性，要想精確計(jì)算，必須進(jìn)行材料非線性和幾何非線性屈曲分析。但是對于工程設(shè)計(jì)而言，線性屈曲分析的精度已足夠用于設(shè)計(jì)。

圖16 施加單位力

圖17 屈曲模態(tài)和屈曲系數(shù)

5 結(jié)論

海峽青年交流營地會展中心項(xiàng)目在YJK和Midas兩個(gè)軟件中建模計(jì)算，通過對比分析，各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，通過采用TSC樁克服了深厚淤泥軟土地基和中等液化土層的影響；通過采用混凝土鋼筋桁架樓承板解決了傳統(tǒng)施工高支模的困難；通過斜柱和相應(yīng)的鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)滿足了建筑傾斜立面的需要；通過設(shè)置鋼桁架解決了建筑上大跨度和大懸挑的挑戰(zhàn)，同時(shí)采用屈曲分析的方法求出與桁架相連的鋼柱計(jì)算長度，確保了鋼柱截面的合理與正確。

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

[2] GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3] JG/T 272-2010 預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

The structure design of conference and exhibition center in Strait Youth Exchange Camp

YANGPing

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)

This article introduced the structure design of conference and exhibition center in Strait Youth Exchange Camp，and analysed five important and difficult problems，including：the application of TSC pile in deep silt foundation、concrete steel-bars truss deck、batter post and cast steel joint,long span steel truss and effective length factor of steel column.

TSC pile；Concrete steel-bars truss deck；Batter post；Cast steel joint；Steel truss；Effective length factor

楊平(1981- )，男，高級工程師。

E-mail:45166508@qq.com

2017-02-17

TU

A

1004-6135(2017)05-0052-05