林坤洪， 周小偉， 廖述江， 鮑明喜， 覃建華

(深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司， 深圳 518031)

1 工程概況

橫琴新區(qū)文化綜合服務(wù)中心位于珠海市橫琴新區(qū)琴飛道西側(cè)，總建筑面積約為142 560m2。建筑設(shè)計從城市角度出發(fā)，通過順應(yīng)山水格局，形成北高南低的城市空間形態(tài)，建筑效果圖見圖1。建筑由北至南，形成跨度34.2m的圖書館、跨度45.6m的文化館、跨度45.6m的科技館三個拱形大空間，以及一個22.5m的懸挑空間結(jié)構(gòu)，功能分區(qū)見圖2。

建筑整體平面為矩形，尺寸約為89m×205m。主體結(jié)構(gòu)地上共9層，1～4層層高均為6.0m，5～9層層高均為4.5m。結(jié)構(gòu)沿南北方向從南到北依次收進(jìn)，主體結(jié)構(gòu)地上3～9層形成逐級退臺效果，屋面標(biāo)高分別為18.000m(3層)、28.500m(5層)、37.500m(7層)、46.500m(9層)。

圖1 橫琴新區(qū)文化綜合服務(wù)中心效果圖

圖2 橫琴新區(qū)文化綜合服務(wù)中心功能分區(qū)示意圖

圖3 剪力墻+框架柱

圖4 拱形鋼桁架+聯(lián)系梁

圖5 拱形鋼桁架+剪力墻+框架柱+轉(zhuǎn)換柱

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，抗震措施按8度、地震作用按7度設(shè)計，基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.55s?；A(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁端持力層選粗砂層，樁端阻力特征值為4 000kPa，有效樁長約20～38m。

2 結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

建筑通過布置四個橫向貫通的交通分隔帶，在縱向上隔離出三個拱形大空間以及一個懸挑空間，并在其上布置建筑功能。結(jié)合該特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)在交通帶上布置剪力墻以滿足抗側(cè)要求并起到加強(qiáng)空間聯(lián)系的作用，在縱向上采用三個拱形鋼桁架(由北至南分別為1#，2#，3#拱)及一個懸挑鋼桁架(4#懸挑)，并在其上設(shè)立轉(zhuǎn)換柱以實現(xiàn)建筑功能要求。結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成如圖3～5所示。

結(jié)構(gòu)在縱向上共設(shè)立8榀拱形鋼桁架-剪力墻結(jié)構(gòu)，并通過橫向鋼梁聯(lián)系成整體。由于建筑使用功能要求，有4榀為完整拱形鋼桁架P1和4片剪力墻(圖6)，有2榀為完整拱形鋼桁架P2和懸挑處1片剪力墻(圖7)，剩下2榀拱形鋼桁架P3在1#和2#拱空間中斷開，3#拱空間仍為完整拱形鋼桁架并通過剪力墻與懸挑拱桁架連接(圖8)。

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況

本項目地上9層，結(jié)構(gòu)屋面高度46.5m。依據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[1]及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號)的規(guī)定，經(jīng)判別本項目存在如下不規(guī)則項：1)拱形大空間在2～5層屬于樓板開洞，樓板不接續(xù)；2)逐級退臺效果導(dǎo)致塔樓縮進(jìn)大于25%，尺寸突變；3)拱形鋼桁架上設(shè)轉(zhuǎn)換柱，豎向抗側(cè)力不連續(xù)。除此之外，結(jié)構(gòu)還存在大跨度(45.6m)、大懸挑(22.5m)的復(fù)雜情況。

圖6 拱形鋼桁架P1+剪力墻

圖7 拱形鋼桁架P2+剪力墻+框架柱

圖8 拱形鋼桁架P3+剪力墻+框架柱

2.3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

本項目采用基于性能化的抗震設(shè)計方法，總體性能目標(biāo)定為C級。結(jié)構(gòu)體系中各部分構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表1所示。

結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo) 表1

3 結(jié)構(gòu)整體分析

由于結(jié)構(gòu)2～5層存在樓板不連續(xù)，因此在計算構(gòu)件內(nèi)力時采用帶樓板和不帶樓板兩種模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。小震指標(biāo)計算時采用帶樓板的模型，分別采用YJK和MIDAS/Gen兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計算分析，并進(jìn)行相互校核，主要計算結(jié)果見表2。由表2可見，兩種軟件計算結(jié)果較為接近。

兩種軟件計算結(jié)果對比 表2

在小震作用下，對P1和P2兩榀拱形鋼桁架整體受力分析(圖9)時發(fā)現(xiàn)，1#和2#拱頂位置鋼梁受力較復(fù)雜，采用壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計；P3由于在1#和2#拱位置處斷開，形成懸挑結(jié)構(gòu)，斜柱及懸挑根部桿件受力較大(圖10)；4#懸挑結(jié)構(gòu)在與剪力墻相連部位內(nèi)力較大，選擇在該剪力墻暗柱內(nèi)埋型鋼，以滿足受力需要；地下室頂板處，拱之間聯(lián)系梁受到較大壓力，采用壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，拱范圍內(nèi)梁受到較大拉力，采用拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計。

圖9 P2整體受力分析

圖10 P3整體受力分析

中震作用下，采用YJK軟件進(jìn)行中震彈性和中震不屈服計算，控制相應(yīng)構(gòu)件的性能化水準(zhǔn)，結(jié)果表明各拱形鋼桁架結(jié)構(gòu)、框架柱、剪力墻、框架梁及連梁均能滿足設(shè)定的性能化目標(biāo)。

大震作用下，采用PERFORM-3D進(jìn)行動力彈塑性分析，判斷結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在大震下對應(yīng)的性能水準(zhǔn)，結(jié)果表明各構(gòu)件均能滿足設(shè)定的性能化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)在大震下能滿足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)。

圖11 2#拱節(jié)點(diǎn)選取

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題分析

4.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元分析

本工程鋼桁架節(jié)點(diǎn)形式為全焊接節(jié)點(diǎn)，桿件截面類型較多，不同桿件多角度交匯，受力復(fù)雜。在分析中選取桁架節(jié)點(diǎn)中受力較大、交匯較多的懸挑桁架根部節(jié)點(diǎn)以及拱腳節(jié)點(diǎn)等幾個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，節(jié)點(diǎn)選取如圖11，12所示。

采用通用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行計算分析。節(jié)點(diǎn)驗算采用von Mises 強(qiáng)度準(zhǔn)則，鋼材選用Q355鋼，彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3；混凝土強(qiáng)度等級選用C40，彈性模量為3.25×104N/mm2，泊松比為0.2。節(jié)點(diǎn)全部采用實體單元模擬。

建立節(jié)點(diǎn)3有限元模型，網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖13所示。選取剪力墻底節(jié)點(diǎn)約束所有自由度，剪力墻頂約束平動自由度，其余桿端施加荷載?；炷良靶弯摌?gòu)件應(yīng)力分布如圖14所示。由圖14可知，在大震作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土的應(yīng)力均在5.7N/mm2以下，低于材料的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值(19.1N/mm2)，型鋼構(gòu)件應(yīng)力均在30N/mm2以下，遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度設(shè)計值(305N/mm2)，滿足不屈服的抗震性能目標(biāo)。在節(jié)點(diǎn)板連接處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是斜拉構(gòu)件與水平橫梁相連部位，設(shè)計中針對應(yīng)力較大的地方局部加大板厚。

圖12 4#拱節(jié)點(diǎn)選取

圖13 節(jié)點(diǎn)3有限元模型及邊界條件

圖14 節(jié)點(diǎn)3混凝土及型鋼構(gòu)件應(yīng)力分布/(N/mm2)

4.2 樓板應(yīng)力分析

本項目中的樓板，存在以下幾個問題：由于結(jié)構(gòu)存在較大的樓板開洞，易形成樓板弱連接部位；4#懸挑結(jié)構(gòu)懸挑長度較大以及拱形鋼桁架P3在1#和2#拱位置形成懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑部分樓板將受到較大的拉力作用；地下室頂板在拱范圍內(nèi)及拱之間受到較大的拉力和推力。

基于諸多不利影響，對樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，采用YJK軟件計算樓板在重力荷載以及中震作用下的應(yīng)力分布。本工程樓板厚度為120mm，屋頂層樓板厚度為150mm，地下室頂板厚180mm，混凝土強(qiáng)度等級均為C30。地下室頂板及3層樓板在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的應(yīng)力分布如圖15所示。

圖15 地下室頂板及3層樓板在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的應(yīng)力分布/(N/mm2)

由圖15可知，應(yīng)力值較大的區(qū)域主要有：地下室頂板在拱腳位置、4#懸挑結(jié)構(gòu)位置、樓板與樓梯間剪力墻相連的邊緣位置、桁架拉桿區(qū)域，因此，應(yīng)根據(jù)計算結(jié)果加大相應(yīng)位置的樓板配筋。通過對地下室頂板在拱腳位置、剪力墻四周及桁架弦桿四周拉應(yīng)力較大處加配斜筋(配置陰、陽角部鋼筋予以加強(qiáng)，見圖16)，并對樓板開洞較大的部分加大板厚，以保證整體水平剛度；通過對板弱連接部位及應(yīng)力較大部位采取加大板厚及配筋的措施，對4#懸挑結(jié)構(gòu)根部樓板采取布置后澆帶的措施以減少懸挑處變形過大對樓板造成的不利影響，對拉應(yīng)力較大的部位設(shè)置平面內(nèi)支撐，保證樓板滿足中震不屈服的性能目標(biāo)。

圖16 板角加強(qiáng)鋼筋構(gòu)造圖

圖17 典型樓板應(yīng)力分布/(N/mm2)

圖18 第一振型(fs=3.43Hz)

圖19 第四振型(fs=4.30Hz)

圖20 步行路線2示意圖

4.3 溫度應(yīng)力分析

由于本塔樓體型超長，縱向長度205m左右，且沒有伸縮縫，因此，在計算中需考慮溫度變化導(dǎo)致的附加荷載和應(yīng)力對建成結(jié)構(gòu)的影響。

基本溫度取珠海地區(qū)50 年重現(xiàn)期的月平均最高氣溫Tmax和月平均最低氣溫Tmin。由于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[2]表E.5和廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(DBJ15-101—2014)表E.4.4均沒有珠海市的基本氣溫值，故參考深圳市基本溫度的建議值，即Tmax=35℃，Tmin=8℃。結(jié)構(gòu)合攏溫度取全年平均溫度21℃，最大溫升工況及最大溫降工況分別為ΔTk=+35-21=14℃和ΔTk=8-21=-13℃，計算時取升溫15℃和降溫15℃工況。

典型樓板應(yīng)力分布如圖17所示。由圖17可知，剪力墻與樓板相連的周邊、洞口周邊、角部等區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，應(yīng)在施工時嚴(yán)格控制封帶溫度，同時在剪力墻周邊一跨、洞口周邊、角部等區(qū)域設(shè)置雙層雙向拉通鋼筋，在溫度應(yīng)力計算結(jié)果集中部位按計算結(jié)果配置鋼筋，抵抗溫度應(yīng)力帶來的影響[3]。

4.4 樓板舒適度分析

本工程采用MIDAS/Gen對3#拱及4#懸挑結(jié)構(gòu)位置處展廳樓板進(jìn)行舒適度分析。人行走過程產(chǎn)生人體質(zhì)量的運(yùn)動，可以采用步行荷載進(jìn)行時程分析模擬其過程，在有限元模型中考慮結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度與阻尼的影響，由分析結(jié)構(gòu)中控制點(diǎn)的振動加速度對樓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的舒適度評價。

對樓板振動分析模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到4#懸挑結(jié)構(gòu)及3#拱位置樓板豎向振動模態(tài)出現(xiàn)在第一振型(圖18)和第四振型(圖19)，對應(yīng)的自振頻率均滿足規(guī)范對樓板豎向基本自振頻率3Hz的最小要求。在自振模態(tài)響應(yīng)最大位置處各布置兩條行走路線，圖20為步行路線2示意圖，采用了MIDAS/Gen中提供的步行一步荷載函數(shù)(Baumann)對樓板進(jìn)行激勵，函數(shù)曲線如圖21所示。得到各點(diǎn)的最大豎向加速度amax為0.026m/s2(圖22)，小于0.15m/s2，滿足規(guī)范對樓板振動豎向加速度的限值要求。

4.5 施工模擬分析

采用MIDAS/Gen對結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工模擬分析，考慮1層為一個施工階段，核心筒先于鋼結(jié)構(gòu)一個施工階段，即先施工1～3層的核心筒，接著施工鋼結(jié)構(gòu)以及上部4層的核心筒，以此類推，共分為11個施工階段進(jìn)行模擬施工計算(圖23為階段7施工過程)。由于本塔樓縱向長度205m左右，且沒有伸縮縫，為了減少混凝土樓板收縮變形的影響，施工工序中預(yù)留2#拱4～6層鋼結(jié)構(gòu)部分在最后階段進(jìn)行合攏拼裝。

圖21 步行一步(Baumann)荷載函數(shù)曲線(行走路線2)

圖22 行走路線2上各點(diǎn)的加速度時程曲線(amax=0.026m/s2)

圖23 施工模擬階段模型(階段7)

圖24 4#拱兩種工況軸力對比/kN

通過對施工模擬和一次性加載(一次形成剛度)兩種工況進(jìn)行對比(圖24)可知，相對于一次形成剛度的結(jié)果，考慮施工次序后，拱形鋼桁架的內(nèi)力(軸力、彎矩)增幅較大，特別對于拱形鋼桁架下弦部位，增幅明顯；拱形鋼桁架上部的框架部分，內(nèi)力相對較小，這是由于一次形成剛度，拱形鋼桁架的受力考慮了上部框架的共同作用，而施工模擬工況下，弱化了上部框架結(jié)構(gòu)的共同作用。

施工模擬工況與正常使用狀態(tài)撓度對比 表3

圖25 施工模擬工況下?lián)隙戎?mm

施工模擬工況下整樓模型撓度見圖25。由圖25可以看出，結(jié)構(gòu)最大豎向撓度為65.1mm，位于懸挑拱3層樓板處。各個結(jié)構(gòu)部位在施工模擬工況下的撓度與正常使用狀態(tài)下的撓度對比見表3。由表3可知，由于施工模擬工況未考慮拱形鋼桁架與上部框架的共同作用，撓度大于正常使用狀態(tài)下的撓度，但各個部位的撓度均小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[4]中要求的撓度限值L/400，其中L為受彎構(gòu)件的跨度，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

5 結(jié)語

對珠海橫琴文化綜合服務(wù)中心項目結(jié)構(gòu)方案做了詳細(xì)的介紹，由于建筑功能要求較多且建筑形體較復(fù)雜，因此結(jié)構(gòu)方案比較復(fù)雜，存在樓板不連續(xù)、尺寸突變、豎向抗側(cè)力不連續(xù)、大跨度以及大懸挑等多項不規(guī)則和難度情況。

針對相關(guān)問題和特點(diǎn)，選取帶拱形鋼桁架的鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，對不同結(jié)構(gòu)部位的構(gòu)件設(shè)定合理的性能目標(biāo)，并通過對小震、中震、大震作用下結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析，找出薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，以期滿足既定的性能目標(biāo)。針對關(guān)鍵性問題，選取合理的計算模型進(jìn)行補(bǔ)充分析：對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的受力情況進(jìn)行有限元分析；分析樓板在各種不利工況下的應(yīng)力分布情況；考慮溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的不利影響；對樓板進(jìn)行合理的舒適度評價；考慮施工模擬工況下結(jié)構(gòu)的受力情況并與一次性加載進(jìn)行對比。施工圖階段將根據(jù)分析結(jié)果對薄弱部位采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，從而多方面保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。