洪 哲

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361006 )

1 工程概況

廈門某市民體育中心工程，位于福建省廈門市集美區(qū)，由4棟場(chǎng)館組成(圖1)，總建筑面積約為6萬(wàn)m2，本文所介紹的綜合館單體位于場(chǎng)地的東南角，地下1層，地上3層(圖2)。綜合館的造型獨(dú)特新穎，整體風(fēng)格以閩南嘉庚風(fēng)格為基礎(chǔ)，在保留柱廊、屋面紅磚和燕尾脊等特點(diǎn)的同時(shí)，糅合了現(xiàn)代建筑的設(shè)計(jì)手法，巧妙地將傳統(tǒng)四坡屋面改為層疊的雙坡屋面，使室內(nèi)的使用空間得以拓展，而屋脊的位置通過平面拉伸形成平頂，用于設(shè)置采光玻璃帶。該建筑方案一方面保證了其整體造型與周邊建筑的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，另一方面又兼顧了體育場(chǎng)館的實(shí)際使用需求。綜合館屋脊平頂處建筑標(biāo)高為29m，結(jié)構(gòu)高度從室外地面起算約30m，為大跨度屋蓋的高層建筑結(jié)構(gòu)。典型的建筑南北向剖面圖如圖3所示。

圖1 項(xiàng)目總體鳥瞰圖

圖2 綜合館效果圖

圖3 綜合館剖面圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

建筑造型的獨(dú)特性對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也帶來了一定難度。首先屋面造型為層疊的八字形屋面(圖4)，同時(shí)屋蓋的跨度較大，短跨約為67m，長(zhǎng)跨約為77m，東西兩側(cè)屋蓋高坡與低坡之間層疊錯(cuò)坎高度為3m，該屋蓋造型如何實(shí)現(xiàn)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的難點(diǎn)。其次，綜合館上部采用大跨度輕鋼屋蓋，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，二者之間如何銜接，混合結(jié)構(gòu)如何進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算考慮哪些因素，也為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。而由于屋蓋為八字形，造成東西兩側(cè)山墻面在靠近中部(屋脊平頂)位置框架柱高度為最高，無樓層梁約束的框架柱懸臂長(zhǎng)度約為15m(柱總高約25m)，框架柱設(shè)計(jì)如何考慮，也是混凝土部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的問題。

圖4 屋蓋建筑造型軸側(cè)圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)建筑造型的特點(diǎn)，綜合館采用的是鋼-砼混合框架結(jié)構(gòu)體系，上部屋蓋采用正交平面鋼管桁架結(jié)構(gòu)，下部主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架。為提高結(jié)構(gòu)的整體抗扭轉(zhuǎn)能力同時(shí)抵消部分坡屋蓋水平推力的影響，在建筑物的4個(gè)角柱位置增設(shè)與角柱連為一體的L型剪力墻，對(duì)結(jié)構(gòu)的角部進(jìn)行加強(qiáng)處理。結(jié)構(gòu)的整體模型如圖5所示。

圖5 綜合館整體計(jì)算模型

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

綜合館結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期Tg=0.45sec，砼結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)均為二級(jí)。50年一遇基本風(fēng)壓為0.8kN/m2，地面粗糙度類別為B類。計(jì)算時(shí)，阻尼比采用分組阻尼，砼結(jié)構(gòu)部分取5%，鋼結(jié)構(gòu)部分取4%。溫度荷載按±25℃考慮，計(jì)算時(shí)考慮豎向地震作用影響，嵌固端取為地下室頂板。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)地勘報(bào)告[1]，該場(chǎng)地土層分布較為均勻，地下室底板標(biāo)高以下不存在軟弱土層，由上至下主要為⑷b粗砂層(較薄)、⑼殘積砂質(zhì)粘性土層、⑽全風(fēng)化花崗巖及⑾砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。由于地下室層高較高，地下室底板以下水浮力較大，而主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部主要為開敞的場(chǎng)館空間，因此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)除了考慮豎向承壓外，還需考慮抗浮設(shè)計(jì)。結(jié)合地勘報(bào)告和實(shí)際結(jié)構(gòu)受力情況，綜合館基礎(chǔ)型式采用樁基礎(chǔ)，樁型采用錘擊預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁，持力層為⑾砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

3.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)采用鋼-砼整體模型及鋼屋蓋獨(dú)立模型進(jìn)行分別計(jì)算，包絡(luò)設(shè)計(jì)。整體模型采用YJK軟件進(jìn)行建模，鋼屋蓋按實(shí)際桿件布置于空間層內(nèi)，并與下部混凝土結(jié)構(gòu)組裝成整體(圖5)。YJK對(duì)組裝后的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了豎向荷載、地震作用(水平、豎向)、風(fēng)荷載、溫度荷載等作用效應(yīng)的分析計(jì)算，控制結(jié)構(gòu)各計(jì)算指標(biāo)、混凝土結(jié)構(gòu)配筋及鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比等滿足相關(guān)規(guī)范要求。屋蓋獨(dú)立模型采用3D3S和MIDAS/GEN兩種軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算(圖6～圖7)。

由于鋼屋蓋與下部混凝土柱連接形式設(shè)計(jì)為鉸接，因此，兩個(gè)程序均按支座為固定鉸支座及支座輸入下部混凝土柱的水平支承剛度的兩種支座方式進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，以充分考慮支座約束情況對(duì)鋼屋蓋的影響。其中，鋼屋蓋支座的水平支承剛度取值依據(jù)為YJK整體模型中柱剛度計(jì)算結(jié)果。

圖6 鋼屋蓋3D3S獨(dú)立計(jì)算模型

圖7 鋼屋蓋MIDAS/GEN獨(dú)立計(jì)算模型

3.5 上部鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部大跨度鋼屋蓋X向跨度為66m，Y向跨度為76m，在保證大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，如何實(shí)現(xiàn)建筑的創(chuàng)意造型是該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的難點(diǎn)。

結(jié)合建筑坡屋蓋造型特點(diǎn)，首先結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將屋蓋分為3個(gè)部分(圖8)，上下斜屋面部分由于東西側(cè)各層疊3m，可看作為兩塊斜屋面“折板”，中部平頂部分則是一塊完整的“平板”。由于屋蓋結(jié)構(gòu)上下完全對(duì)稱，如若中部平頂區(qū)能設(shè)計(jì)成一個(gè)很大剛度(豎向及水平)、強(qiáng)度的“支座”，那么兩側(cè)坡屋蓋僅需通過設(shè)置Y向桁架連接建筑南北側(cè)邊柱及中部平頂“支座”，即可將屋蓋搭建出來。

該結(jié)構(gòu)方案有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)中部平頂部分由于建筑造型簡(jiǎn)單，受力、構(gòu)造均相對(duì)清晰，作為中部“支座”的思路較容易實(shí)現(xiàn)。

(2)有了中部“支座”后，屋蓋受力體系大大簡(jiǎn)化，上下側(cè)坡屋蓋及層疊造型僅需設(shè)置Y向斜桁架連接中部“支座”及兩側(cè)結(jié)構(gòu)柱即可實(shí)現(xiàn)，屋蓋由“雙向板”受力簡(jiǎn)化成“單向板”受力，傳力更為直接。

(3)上下斜屋蓋對(duì)稱，由于中部“支座”較大的水平剛度能吸收及平衡上下斜屋蓋較大的水平推力，建筑邊柱處承擔(dān)的水平推力有效減少。

圖8 屋蓋建筑平面圖

結(jié)構(gòu)體系根據(jù)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，屋面考慮為采用正交平面鋼管桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)要考慮中部平頂“支座”如何實(shí)現(xiàn)問題。中部平頂范圍上下兩側(cè)于建筑的D軸、G軸與斜屋面交接(圖9)，因此，D軸、G軸的X向桁架是中部平頂范圍最重要的兩榀桁架。由于上下斜屋面有3m的疊高造型，因此交接軸D軸、G軸中部相應(yīng)有3m的高起，以滿足斜屋面Y向桁架的搭接關(guān)系。

鑒于D軸、G軸桁架的重要性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先考慮利用建筑3m的高起，將這兩軸桁架跨中區(qū)域的矢高加大至6m，這樣可大大提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度，降低跨中區(qū)段桁架的豎向變形，起到中部“支座”的作用。D軸、G軸桁架的立面布置圖如圖10所示。

圖9 中部平頂“支座”結(jié)構(gòu)布置圖

圖10 D軸、G軸桁架立面圖

建筑坡屋面疊高后，疊高部位的屋面與中部平頂區(qū)形成3m的高差，由該高差帶來的不平衡彎矩對(duì)D軸和G軸桁架的面外穩(wěn)定性不利。由于D軸、G軸桁架至關(guān)重要，為解決其面外穩(wěn)定性問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將D軸、G軸由平面桁架拓展成空間桁架(圖11)，空間桁架分別由兩榀平面桁架并聯(lián)而成，這樣一來，一方面解決了這兩軸桁架平面外剛度不足問題，另一方面其豎向剛度也增大了一倍，中部“支座”的作用得到進(jìn)一步強(qiáng)化。

圖11 D軸、G軸空間桁架示意圖

而D軸、G軸之間的E軸、F軸由于受荷面積較小，則設(shè)計(jì)成矢高為3.4m的普通X向平面鋼管桁架，并于D～G軸間布置間隔為8.4m(兩側(cè))及5.6m(中部)的Y向支撐桁架，并于桁架上、下弦位置滿布水平支撐(圖9)，通過這樣的結(jié)構(gòu)布置，形成中部平頂區(qū)較大剛度、強(qiáng)度的中部“支座”。

解決了中部平頂“支座”區(qū)的設(shè)計(jì)后，兩側(cè)坡屋蓋的搭建則較為簡(jiǎn)單，通過設(shè)置與屋面同斜度的斜向桁架搭接于中部“支座”與建筑邊框柱之上即可。同時(shí)，斜向桁架與中部平頂區(qū)的Y向支撐桁架于平、立面上均一一對(duì)應(yīng)，以保證內(nèi)力傳遞的連續(xù)性。低坡處、高坡處及疊高位置的斜桁架結(jié)構(gòu)布置如圖12所示，平面布置如圖13所示。

圖12 低坡、高坡及疊高位置斜桁架結(jié)構(gòu)布置

圖13 上下側(cè)坡屋蓋桁架結(jié)構(gòu)平面布置圖

上述主要桁架布置完后，通過設(shè)置次一級(jí)的桁架對(duì)較大的區(qū)格進(jìn)行分割，并布置上下弦水平支撐，最終完成整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)。

鋼屋蓋部分，主要采用3D3S及MIDAS/GEN兩種軟件進(jìn)行獨(dú)立屋蓋的電算。兩種軟件均按鉸支座及考慮柱支承剛度(取自YJK模型)的彈簧支座模型分別進(jìn)行計(jì)算，考慮豎向荷載、地震作用(水平、豎向)、風(fēng)荷載、溫度荷載作用效應(yīng)的影響，并進(jìn)行施工階段的復(fù)核，最終控制中部平頂區(qū)構(gòu)件應(yīng)力比(含強(qiáng)度、穩(wěn)定)小于0.7，兩側(cè)斜屋蓋部分應(yīng)力比小于0.8，保證了結(jié)構(gòu)具有一定的承載力冗余度。而由于中部平頂“支座”的設(shè)置，提高了結(jié)構(gòu)跨中部位的豎向剛度，結(jié)構(gòu)的豎向變形得到了有效的控制，計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)最大撓度值約為80mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范的要求。典型的鋼屋蓋固定鉸支座節(jié)點(diǎn)大樣如圖14所示。

圖14 典型的鋼屋蓋支座節(jié)點(diǎn)

上述大跨度鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能與建筑造型緊密結(jié)合，通過中部平頂“支座”的設(shè)置，結(jié)構(gòu)傳力途徑得以簡(jiǎn)化，概念清晰，經(jīng)多工況的電算驗(yàn)證，效果良好。

3.6 下部混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為鋼屋蓋支承的下部混凝土部分為3層，其中一層(地下室頂板)主要建筑功能為籃排球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地，二、三層主要為看臺(tái)及配套用房。正負(fù)零標(biāo)高以上結(jié)構(gòu)整體呈“回”字形，較為規(guī)則，南北向、東西向均基本對(duì)稱，二層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖15所示。

圖15 二層結(jié)構(gòu)平面布置圖

三層?xùn)|、西兩側(cè)為斜向看臺(tái)，南、北側(cè)為設(shè)備用房。三層樓蓋以上即為支承鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)懸臂排架柱，排架柱頂標(biāo)高隨建筑屋面造型的起伏而高低錯(cuò)落。結(jié)構(gòu)體系采用框架結(jié)構(gòu)，為提高整體結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)能力并平衡部分斜屋蓋水平推力，于建筑物四角設(shè)置L型剪力墻進(jìn)行加強(qiáng)，按“少墻框架”結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。采用YJK程序進(jìn)行整體模型的建模(圖5)，考慮豎向荷載、地震作用(水平、豎向)、風(fēng)荷載、溫度荷載等作用效應(yīng)的影響，控制結(jié)構(gòu)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。由于東、西山墻面建筑屋蓋為“八”字形，因此山墻框架柱在中部平頂D、G軸位置為最高，柱懸臂高度約為15m(圖16)。

圖16 D、G軸框架柱立面圖

鑒于前述D、G軸屋蓋空間桁架的重要性，以及其支承柱較高的懸臂高度，有必要對(duì)D、G軸柱進(jìn)行加強(qiáng)。設(shè)計(jì)時(shí)，該柱截面采用1.5m×2.0m鋼筋混凝土柱，保證其具有較大的剛度和承載能力，從而確保主體結(jié)構(gòu)的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目屋蓋采用層疊的八字形雙坡屋面，造型較為復(fù)雜，同時(shí)屋蓋的跨度為67m×77m，跨度也較大，屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定難度。上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋與下部混凝土結(jié)構(gòu)如何銜接與設(shè)計(jì)計(jì)算則是該項(xiàng)目的另一個(gè)難點(diǎn)。為解決復(fù)雜屋蓋設(shè)計(jì)問題，結(jié)構(gòu)布置時(shí)利用屋蓋中部的平頂區(qū)域設(shè)置較大剛度與強(qiáng)度的中部“支座”，一方面使得結(jié)構(gòu)傳力途徑得到簡(jiǎn)化，另一方面也有效減少了結(jié)構(gòu)的相對(duì)跨度，將屋蓋設(shè)計(jì)由空間問題簡(jiǎn)化為平面問題，概念更為清晰，構(gòu)造更為合理。針對(duì)鋼-砼混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算的若干問題，運(yùn)用YJK、3D3S、MIDAS/GEN等程序?qū)︿?砼混合結(jié)構(gòu)整體模型、屋面獨(dú)立模型在多荷載工況、多支座條件情況下的內(nèi)力和變形進(jìn)行分析，包絡(luò)設(shè)計(jì)，最終也解決了該項(xiàng)目的第二個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)問題。目前該項(xiàng)目已通過施工圖審查并進(jìn)入樁基施工階段。