朱 偉， 孫會(huì)郎， 朱 蓓， 張新英， 呂 巖

(杭州中聯(lián)筑境建筑設(shè)計(jì)有限公司， 杭州 310011)

1 工程概況

阜陽(yáng)科技文化中心位于阜陽(yáng)穎南區(qū)城市空間軸的交匯處，臨水而建，猶如珍珠鑲嵌在新城主軸的雙清灣畔，項(xiàng)目總用地面積約4.20萬(wàn)m2，總建筑面積約5.40萬(wàn)m2。阜陽(yáng)科技文化中心采用五館一體化設(shè)計(jì)，分為科技館、工人文化宮、文化館、婦女兒童活動(dòng)中心及書法藝術(shù)館，通過共享中庭把五個(gè)場(chǎng)館的四組功能區(qū)有機(jī)融合為一體。本項(xiàng)目建筑高度23.850m，平面尺寸約125m×160m，地上建筑面積約3.6萬(wàn)m2，地下建筑面積約1.8萬(wàn)m2，其中人防面積約4 800m2。門廳主入口部位的主結(jié)構(gòu)不連續(xù)，寬度達(dá)40余米，共享中庭采光頂?shù)淖畲罂缍燃s60m，臨近雙清灣一側(cè)設(shè)有最大懸挑達(dá)8m的觀景陽(yáng)臺(tái)，整體建筑效果圖如圖1所示。

圖1 整體建筑效果圖

阜陽(yáng)科技文化中心地下1層，層高5.400m，用作對(duì)外開放的公共停車場(chǎng)和公共休閑功能區(qū)；地上4層，層高均為5.700m，1層由共享中庭及各功能區(qū)組成，包含科技展廳、球幕影院、親子中心等；2層由中庭環(huán)廊將科技館、劇場(chǎng)、少兒培訓(xùn)中心等功能區(qū)有機(jī)連接成一體；3層及4層在入口上方增設(shè)了廊道，使得各個(gè)功能區(qū)的結(jié)合更為密切。建筑剖面圖如圖2所示。2層和屋面的結(jié)構(gòu)平面布置圖分別如圖3，4所示。

本工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限和耐久性設(shè)計(jì)

圖2 建筑剖面圖

圖3 2層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖4 屋面結(jié)構(gòu)平面布置圖

年限均為100年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。擬建場(chǎng)區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組[1]。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)特征周期為0.45s，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)[2]。100年一遇的基本風(fēng)壓為0.55kN/m2(因缺少當(dāng)?shù)刭Y料，參考亳州的相關(guān)資料)，地面粗糙度為B類[3]。100年一遇的基本雪壓為0.60kN/m2。根據(jù)地勘報(bào)告，當(dāng)?shù)貧v年最高氣溫為42.5℃,最低氣溫為-22.5℃，年平均氣溫為14.7℃。

鑒于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[1]的地震動(dòng)參數(shù)均是按50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期考慮的，當(dāng)設(shè)計(jì)年限大于50年時(shí)需要調(diào)整放大。參考相關(guān)文獻(xiàn)[4-5]的研究，經(jīng)計(jì)算，該工程100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期對(duì)應(yīng)的基本設(shè)防烈度約為7.4度，設(shè)計(jì)時(shí)按7度(0.15g)考慮，水平地震影響系數(shù)最大值取αmax=0.34。為達(dá)到100年設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的耐久性要求，根據(jù)所處環(huán)境類別，對(duì)混凝土構(gòu)件的最低強(qiáng)度等級(jí)和最大水膠比提出了具體要求，對(duì)混凝土中的最大氯離子含量和最大堿含量進(jìn)行了限定。同時(shí)采取增加混凝土保護(hù)層厚度、限制裂縫寬度等一系列措施，從材料性能和構(gòu)造措施上共同確保結(jié)構(gòu)的耐久性。

2 結(jié)構(gòu)體系選擇

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在以下兩大特點(diǎn)：1)建筑整體呈下小上大，逐層外擴(kuò)的形態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要貼合建筑外輪廓進(jìn)行結(jié)構(gòu)找形；2)建筑平面不規(guī)則，各層平面均由3個(gè)圓形或橢圓形按C字形排布構(gòu)成，門廳主入口一側(cè)不連續(xù)，沒有樓板或僅有連廊拉結(jié)。

針對(duì)上述特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重視概念設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了大量結(jié)構(gòu)方案的試算比選，最終確定采用帶周圈環(huán)向支撐的鋼框架-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，計(jì)算模型拆分圖如圖5所示。以下是參考相關(guān)資料[6-7]根據(jù)概念設(shè)計(jì)和試算結(jié)果歸納總結(jié)出的應(yīng)對(duì)措施。

圖5 結(jié)構(gòu)模型拆分示意圖

(1)基于建筑形態(tài)，如何減輕自重、降低柱子軸壓比、提高延性[8]是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重。通過多種結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比，最終上部主體結(jié)構(gòu)決定采用鋼框架-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。該方案既能充分發(fā)揮鋼框架材料強(qiáng)度高、自重輕、結(jié)構(gòu)延性好的特點(diǎn)，又能充分利用剪力墻整體性好、抗側(cè)剛度大的優(yōu)點(diǎn)。鋼框架和剪力墻可以共同形成二道抗震防線。

(2)如何克服建筑外傾給結(jié)構(gòu)帶來的不利影響，是結(jié)構(gòu)布置需要認(rèn)真考慮的問題(結(jié)構(gòu)臨水一側(cè)的最大外傾接近20m，最外側(cè)的鋼柱傾斜角度接近45°)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沿最外圈柱網(wǎng)布置了環(huán)向鋼支撐，形成斜交網(wǎng)格體系[9]。并且在門廳主入口位置，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)的不連續(xù)部位采用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，整個(gè)外圈(圖5(b))可形成強(qiáng)有力的抱箍效應(yīng)，能很大程度降低因建筑造型導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外傾帶來的不利影響，同時(shí)也能有效增加結(jié)構(gòu)的整體性和抗扭剛度。

(3)合理布置柱網(wǎng)。在沿C字形排布的3個(gè)圓形或橢圓形區(qū)域內(nèi)，鋼柱分別圍繞各自的中心呈放射狀布置；同時(shí)確保外圍斜柱僅在單一的徑向平面內(nèi)傾斜，使得徑向布置的主梁可以部分平衡鋼柱傾斜所引起的水平分力，具體如圖6所示。

圖6 沿橢圓中心布置的柱網(wǎng)和沿徑向抽取的一榀

(4)剪力墻盡量均勻分布在建筑平面內(nèi)，主要設(shè)置在電梯間四周。為與周邊結(jié)構(gòu)可靠連接，個(gè)別位置設(shè)有鋼骨或方鋼管混凝土端柱。剪力墻豎向連續(xù)，洞口布置基本規(guī)則，平面上自然形成筒體，使得主體結(jié)構(gòu)整體具有良好的抗側(cè)剛度和延性。

(5)主體結(jié)構(gòu)的嵌固位置設(shè)在地下室頂板，上部圓鋼管柱均往下延伸至基礎(chǔ)，圓鋼管柱在地下室范圍內(nèi)外包成鋼管混凝土疊合柱，如圖7所示?；A(chǔ)采用直徑600mm和800mm的鉆孔灌注樁，樁端持力層為⑨土層-粉土夾粉質(zhì)黏土，樁長(zhǎng)不小于26m。

圖7 圓鋼管柱嵌固位置示意圖

采取上述一系列措施后，主體結(jié)構(gòu)模型采用兩種計(jì)算軟件YJK和MIDAS Gen分別試算，相互驗(yàn)證，結(jié)果見表1。通過對(duì)比，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果較為一致，主體結(jié)構(gòu)模型前3階振型均為X，Y方向的平動(dòng)和整體扭轉(zhuǎn)，如圖8所示。從圖8可看出，結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)整體性較好，結(jié)構(gòu)體系選擇合理。

圖8 模型前3階振型圖

兩種軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表1

3 專項(xiàng)設(shè)計(jì)

3.1 中庭采光頂和門廳主入口的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

中庭采光頂?shù)目臻g結(jié)構(gòu)是建筑設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)之一，建筑師對(duì)室內(nèi)效果有嚴(yán)格的要求：1)采光頂結(jié)構(gòu)的上弦桿截面需要一致，體現(xiàn)力度感；2)下弦桿統(tǒng)一纖細(xì)，凸顯層次感；3)空間結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格大小均勻，規(guī)則，邊界處整齊，不顯凌亂。根據(jù)上述特點(diǎn)，試算了3種結(jié)構(gòu)方案，如表2所示。

中庭采光頂空間結(jié)構(gòu)方案比選 表2

通過對(duì)比，本工程最終采用了方案3，該方案的結(jié)構(gòu)安全冗余度較高，總體上與建筑需要的室內(nèi)效果更為吻合。后期設(shè)計(jì)時(shí)為增加結(jié)構(gòu)的整體性，考慮將門廳主入口空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與中庭采光頂?shù)男滦途W(wǎng)架兩部分合二為一，協(xié)同考慮,合并后模型如圖9所示。為達(dá)到一體化的效果，門廳主入口空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與中庭采光頂新型網(wǎng)架在網(wǎng)格大小的選擇上需要相互兼顧，通過試算確定統(tǒng)一的網(wǎng)格大小為2.80m。

圖9 合并后的模型圖

門廳主入口空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是外圈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的重要組成部分，減小門廳主入口一側(cè)因樓板缺失帶來的不利影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該區(qū)域的桿件以承受水平軸力為主，設(shè)計(jì)截面為φ245×14(Q345B)，結(jié)構(gòu)形式同管桁架，均采用相貫焊連接。水平弦桿與豎向弦桿相交時(shí)，水平桿件貫通，確保水平力能可靠傳遞。入口的雨棚結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑找形，通過相貫焊與豎向弦桿連接。

根據(jù)中庭采光頂?shù)慕ㄖЧ?，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要有針對(duì)性地控制桿件的受力形式，要實(shí)現(xiàn)上弦桿以受壓為主、下弦桿單純受拉，才能做到建筑和結(jié)構(gòu)的有機(jī)統(tǒng)一并符合力學(xué)原理，即壓桿粗壯、拉桿纖細(xì)。為此采取了以下措施：1)該網(wǎng)架支座按上弦桿支承設(shè)計(jì)，可以很大程度避免支座周邊的下弦桿出現(xiàn)受壓的情況；2)在采光頂和入口側(cè)面結(jié)構(gòu)銜接位置，取消一個(gè)節(jié)間的下弦桿，如圖10所示，防止采光頂在靠近門廳主入口一側(cè)的下弦桿出現(xiàn)受壓的情況；3)根據(jù)整體計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)下部主結(jié)構(gòu)在水平地震作用下會(huì)傳力給中庭采光頂，從而對(duì)上部空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；為避免上述情況，中庭采光頂?shù)牟糠种ё捎盟较尬换瑒?dòng)支座，以最大程度減小下部主體結(jié)構(gòu)對(duì)上部空間結(jié)構(gòu)的影響；4)該新型網(wǎng)架的平面形狀十分不規(guī)則，即便采取上述措施仍無(wú)法完全避免下弦桿在個(gè)別工況組合下出現(xiàn)受壓，最終通過調(diào)節(jié)部分支座豎向剛度，較好實(shí)現(xiàn)了下弦桿在各種組合下單一受拉的設(shè)計(jì)目標(biāo)；5)根據(jù)建質(zhì)〔2018〕37號(hào)[10]，對(duì)該網(wǎng)架進(jìn)行了專項(xiàng)施工方案論證，為確保安裝過程中不出現(xiàn)下弦桿拉桿變壓桿的不利情況，通過施工模擬計(jì)算，明確中庭采光頂新型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝應(yīng)采用滿堂腳手架，分步卸荷的施工方案。安裝完畢后中庭采光頂新型網(wǎng)架整體變形趨勢(shì)與模擬計(jì)算一致，恒載下的最大豎向變形為38mm，略小于理論計(jì)算值，與設(shè)計(jì)較為吻合。安裝完畢后的中庭采光頂新型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和下弦節(jié)點(diǎn)處細(xì)節(jié)分別如圖11,12所示。

圖10 箭頭標(biāo)注部位取消下弦桿

圖11 中庭采光頂新型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)實(shí)際效果

圖12 下弦節(jié)點(diǎn)放大效果(燈具與節(jié)點(diǎn)合二為一)

3.2 樓板設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，雖然上部主要采用鋼結(jié)構(gòu)，但沒有選擇鋼樓承板或鋼筋桁架樓層板，而是采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，樓板厚度不小于120mm，這樣設(shè)計(jì)的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)樓板鋼筋的環(huán)向和徑向放置，結(jié)合鋼次梁的放射狀布置，整個(gè)樓蓋布置方案能充分發(fā)揮鋼筋和鋼材抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可有效減小混凝土樓板的拉應(yīng)力，圖13截取了其中一個(gè)區(qū)域的樓板配筋示意圖。

圖13 某區(qū)域的典型樓板配筋示意

本工程上部結(jié)構(gòu)最大長(zhǎng)度接近160m，最大寬度125m，屬于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，為減少混凝土早期收縮引起的裂縫，沿C字形平面設(shè)置3道后澆帶，具體位置見圖3和圖4。設(shè)計(jì)中考慮了溫度的不利影響，其中鋼結(jié)構(gòu)在施工階段按極端溫度驗(yàn)算，此處不再贅述；樓板根據(jù)平均溫度驗(yàn)算，要求合攏溫度控制在10～15℃, 考慮溫差ΔT=±30℃。圖14為2層樓板在降溫工況下的應(yīng)力云圖，可見樓板在局部收進(jìn)形成蜂腰形部位的應(yīng)力較大。

圖14 降溫工況下樓板應(yīng)力云圖/(N/mm2)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)薄弱部位進(jìn)行了加強(qiáng)，樓板板厚和配筋均相應(yīng)增大，同時(shí)有針對(duì)性地對(duì)圖14箭頭所指位置(應(yīng)力集中部位)的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行了優(yōu)化：1)在剪力墻筒體的兩個(gè)角部增設(shè)了方鋼管混凝土端柱；2)與剪力墻(主要在端柱處)連接的鋼梁連接形式由鉸接調(diào)整為剛接；3)對(duì)應(yīng)的鋼梁截面適當(dāng)加大，設(shè)計(jì)成箱形截面，按壓彎構(gòu)件驗(yàn)算；4)鋼梁上翼緣栓釘加密，確保樓板和鋼梁間應(yīng)力的可靠傳遞。調(diào)整后局部結(jié)構(gòu)布置如圖15所示。

圖15 調(diào)整后的局部結(jié)構(gòu)布置

由于樓板在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的作用非常重要，除了承受和傳遞豎向荷載外，更起到傳遞水平力，協(xié)調(diào)變形，加強(qiáng)整體性的作用。通過上述一系列的細(xì)化分析和采取的針對(duì)性措施，較好地克服了本工程樓板固有的不利因素，實(shí)現(xiàn)了傳力可靠和設(shè)計(jì)合理的基本目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

阜陽(yáng)科技文化中心項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)在于如何解決獨(dú)特的建筑外形給結(jié)構(gòu)受力性能帶來的不利影響。本文著重介紹了方案階段如何根據(jù)概念設(shè)計(jì)，結(jié)合試算對(duì)比確定結(jié)構(gòu)體系，并選擇分享了空間結(jié)構(gòu)和樓板設(shè)計(jì)兩塊內(nèi)容在施工圖階段的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和設(shè)計(jì)體會(huì)，希望通過該項(xiàng)目的介紹，可以給類似項(xiàng)目帶來一定的借鑒和參考。

致謝：感謝陳忠麟、楊旭晨?jī)晌豢偣ぴ谠O(shè)計(jì)過程中提出的寶貴意見；感謝中國(guó)建筑第八工程局有限公司和浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司提供的現(xiàn)場(chǎng)施工資料。