夏世群,孫 慧,杜 濤,勞希君,唐 雙,黃 鑫,丁文魯
(青島北洋建筑設(shè)計有限公司,青島 266071)
煙臺八角灣國際會展中心項目位于煙臺市開發(fā)區(qū),南昌大街以南、貴陽大街以北、北京中路以東,東側(cè)距海邊約200m,總建筑面積約20萬m2,其中地上建筑面積約15萬m2,地下建筑面積約5萬m2,主要功能為會展中心及綜合文化活動中心。會展中心屋蓋平面形似海浪,綜合文化活動中心[1]形似晶瑩剔透的貝殼,在海浪涌動下輕盈地落于沙灘上,呈現(xiàn)出“城岸云浪,海上銀貝”的意境(圖1)。會展中心包含7個標(biāo)準(zhǔn)展廳、主登錄廳和次登錄廳:B1~B3展廳為單層展廳,無地下室;A1/A3及A2/A4為雙層展廳,帶有1層地下車庫。A展廳區(qū)與B展廳區(qū)的地坪錯高約14m(圖2),設(shè)置了獨立的永久支護與主樓脫開。利用場地錯高,在主登錄廳下方靠近B3展廳處還設(shè)置了多功能廳。展廳屋蓋平面投影最大長度約360m,最大寬度約270m。結(jié)合各展廳地坪錯高及屋面開洞位置,在各個標(biāo)準(zhǔn)展廳之間以及綜合文化活動中心之間設(shè)置了結(jié)構(gòu)縫(圖3),使其成為6個獨立單體。本文主要介紹A2/A4廳及主登錄廳(簡稱“AC廳”,即圖3中的陰影區(qū)域)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
圖1 建筑鳥瞰圖
圖2 展廳典型剖面簡圖
圖3 結(jié)構(gòu)縫及會展中心平面布置示意圖
AC廳地下1層為車庫,層高6.7m,局部設(shè)有管道夾層。地上的展廳區(qū)有兩層:地上1層是A2展廳,層高12.9m;地上2層是A4展廳,頂為波浪形的屋面,層高不小于22m。地上的主登錄廳區(qū)為1層通高,局部為1層的多功能廳。展廳和主登錄廳的局部設(shè)置了多個夾層。
AC廳采用鋼框架結(jié)構(gòu),最大樓蓋位于1層頂(圖4),平面尺寸約為192.8m(X向)×211.4m(Y向)。其中展廳區(qū)X向基本柱距分別為2.6,24.4,18,24.4,2.6,13m,左側(cè)23.5m跨的最外端通過滑動支座擱在A1/A3展廳的牛腿上,右側(cè)懸挑13m或與主登錄廳夾層相連;展廳Y向外圍柱距為9,12m或18m。因為展廳柱距較大且活荷載為20kN/m2,綜合考慮成本及建筑效果,展廳內(nèi)大跨度區(qū)域采用了橫向主桁架+縱向次梁的結(jié)構(gòu)形式,其他跨度不大的配套區(qū)采用主次梁結(jié)構(gòu),箱形鋼柱截面為□900×900×30×30,桁架桿件截面為H500×400×30×30。鋼材采用Q355。多功能廳平面尺寸為84m×48m,周圈X向柱距為4m,Y向柱距為12m,頂板覆土厚度約0.65m,此部分采用雙向桁架結(jié)構(gòu),箱形鋼柱截面為□1 400×1 000×50×50,桁架箱形弦桿截面為□600×500×36×36,桁架腹桿截面為H400×400×20×30。AC廳樓面均采用鋼筋桁架樓承板。結(jié)構(gòu)平面及剖面圖詳見圖4。
圖4 結(jié)構(gòu)平面圖及剖面圖
本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級,地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級;抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類,建筑抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g),設(shè)計地震分組為第二組,建筑場地類別為Ⅱ類,特征周期為0.40s;結(jié)構(gòu)耐火等級為一級。
100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓為0.60kN/m2,地面粗糙度類別為A類;100年重現(xiàn)期的雪壓為0.45kN/m2,雪荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)為Ⅱ類。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[2],煙臺基本氣溫最低為-8℃,最高為32℃,年平均氣溫12℃左右,考慮到太陽輻射的鋼結(jié)構(gòu)表面溫度增加12℃,結(jié)構(gòu)合攏溫度為15~20℃,最終計算時,地下室部分的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溫差按±15℃考慮,地上的鋼結(jié)構(gòu)部分溫差按±30℃考慮。
AC廳存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、組合平面、夾層、躍層柱等多條不規(guī)則項,屬于超限結(jié)構(gòu)[3]。參照《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)[4],判定其整體抗震性能目標(biāo)為C級,關(guān)鍵構(gòu)件(轉(zhuǎn)換桁架、大懸挑桁架、大跨度桁架、支承大懸挑或大跨度桁架的柱、躍層柱等)提高至B級,具體構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表1所示。
AC廳抗震性能設(shè)計目標(biāo) 表1
經(jīng)計算,地下1層的剪切剛度遠大于地上1層的兩倍,可將地下1層頂作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。AC廳結(jié)構(gòu)計算模型均為嵌固端之上的模型(圖5)。
圖5 AC廳結(jié)構(gòu)計算模型
考慮到鋼屋蓋與下部框架的協(xié)同作用,采用YJK(V2.0.3版)、MIDAS Gen(V2.1版)兩種軟件對結(jié)構(gòu)進行整體建模分析計算[5]。AC廳夾層范圍較小,統(tǒng)計設(shè)計指標(biāo)時將其作為層間構(gòu)件輸入,而施工圖設(shè)計時還將其作為普通樓層建模,取這兩種模型的包絡(luò)值進行設(shè)計。
整體建模計算時,對于大開洞周圍的樓板、狹長樓板等弱連接部位的樓板采用彈性樓板假定以反映其實際剛度。進行地震作用計算時,考慮偶然偏心、雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響及豎向地震作用(根據(jù)超限審查專家意見,設(shè)計基本豎向地震加速度提高到了0.15g的水準(zhǔn)),結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)取0.9,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。
本項目結(jié)構(gòu)空間剛度相對較小,計算模型中均存在局部振動,為了使得抗震有效質(zhì)量參與系數(shù)達到規(guī)范要求的90%以上,需適當(dāng)加大計算振型數(shù)量。兩種軟件均采用Ritz向量法求解振型,可避免不參與動態(tài)響應(yīng)的無效振型,計算振型數(shù)取45。
經(jīng)對比計算,YJK與MIDAS Gen兩種軟件計算結(jié)果基本吻合,兩個計算模型總質(zhì)量基本一致,結(jié)構(gòu)動力特性總體上接近,第1,2階振型分別為X,Y向的平動振型,第3階振型為扭轉(zhuǎn)振型。主要分析結(jié)果如表2所示。
AC廳整體計算結(jié)果 表2
按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[6]的要求,選取有效峰值、持續(xù)時間、頻譜特性等方面都匹配的5條天然波和2條人工波進行小震彈性時程分析,峰值加速度為規(guī)范規(guī)定的35cm/s2,主方向、次方向及豎向的峰值加速度比值為1.00∶0.85∶(0.65×1.5)。經(jīng)試算,7條地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線在主要振型周期點上相差不超過20%;每條地震波計算所得的底部剪力均介于反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%~135%之間;7條地震波計算所得的底部剪力平均值介于反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%~120%之間,因此所選地震波滿足規(guī)范要求,其地震反應(yīng)結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計依據(jù)的補充。
計算結(jié)果表明:采用時程分析法與反應(yīng)譜法分析計算的層間位移角及頂點位移基本一致;彈性時程地震波作用下的平均樓層剪力均小于反應(yīng)譜法計算值,可直接采用反應(yīng)譜法對結(jié)構(gòu)進行施工圖設(shè)計。
為驗算主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否達到中震、大震下的抗震性能目標(biāo),依據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)的相關(guān)規(guī)定,采用等效彈性的分析設(shè)計法對結(jié)構(gòu)進行了性能化分析。中震作用的地震影響系數(shù)最大值為0.23,特征周期為0.40s,阻尼比取0.04;大震作用的地震影響系數(shù)最大值為0.50,特征周期為0.45s,阻尼比取0.05。
采用YJK軟件進行中震彈性分析的計算結(jié)果表明,躍層柱、大懸挑桁架、大跨桁架、轉(zhuǎn)換桁架以及這些桁架下部的鋼柱等關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力比最大值為0.85,可達到“中震彈性”的抗震性能目標(biāo)。
中震不屈服分析的結(jié)果顯示,普通位置的鋼柱應(yīng)力比最大值為0.63,可達到“中震不屈服”的抗震性能目標(biāo)。鋼梁等耗能構(gòu)件的應(yīng)力比遠小于1.0,沒有進入屈服階段,高于預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。
大震不屈服分析的結(jié)果顯示,躍層柱、大懸挑桁架、大跨桁架、轉(zhuǎn)換桁架以及這些桁架下部的鋼柱等關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力比最大值為0.90,可達到“大震不屈服”的抗震性能目標(biāo)。
AC廳存在數(shù)項不規(guī)則,為了充分研究結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的動力特性和破壞模式,達到“大震不倒”的抗震設(shè)計目標(biāo),選取了符合規(guī)范要求的2條天然波和1條人工波,采用SAUSAGE軟件對地上模型進行了考慮豎向地震的動力彈塑性時程分析,鋼材的非線性材料模型采用雙線性隨動硬化模型,在循環(huán)過程中,無剛度退化,鋼材的強屈比設(shè)定為1.2,極限應(yīng)力所對應(yīng)的極限塑性應(yīng)變?yōu)?.025。
計算結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的最大層間位移角X向為1/102、Y向為1/103,小于結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角1/50的限值,能夠滿足“大震不倒”的性能要求。
從塑性變形發(fā)展情況(圖6)來看,鋼柱的“應(yīng)變/屈服應(yīng)變”均小于1.0,表明鋼柱未進入屈服階段;絕大部分鋼梁和桁架的“應(yīng)變/屈服應(yīng)變”也小于1.0,僅在個別的梁端大于1.0,表明絕大部分鋼梁和桁架也沒有進入屈服階段,僅僅在個別的梁端部位進入了屈服階段。
圖6 鋼柱、鋼梁的“應(yīng)變/屈服應(yīng)變”示意圖
構(gòu)件性能水平示意圖(圖7)顯示,僅有少數(shù)的普通鋼柱和鋼梁進入了輕度損壞狀態(tài),其他大部分構(gòu)件均為輕微損壞或無損壞,表明主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下整體受力性能良好,能夠滿足罕遇地震下的抗震性能目標(biāo)。這也表明鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能遠優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
圖7 構(gòu)件性能水平示意圖
屋面恒載取金屬屋面實際重量及屋面吊掛重量之和;屋面為不上人屋面,活荷載取0.5kN/m2;屋蓋設(shè)計時取百年一遇的風(fēng)荷載計算,風(fēng)吸工況下風(fēng)荷載取風(fēng)洞試驗與規(guī)范計算值的最大值,此外還考慮屋蓋的風(fēng)壓作用,進行包絡(luò)設(shè)計[7];考慮百年一遇的雪荷載,對屋蓋分別按全跨積雪均勻分布、全跨積雪不均勻分布、半跨積雪的均勻分布和雙跨雙坡屋面積雪不均勻分布四種積雪情況進行分析;溫差荷載取值為±30℃。
屋蓋結(jié)構(gòu)整體投影尺寸約為203.8m(X向)×184m(Y向),屋頂最大結(jié)構(gòu)高度約為49m(圖8)。X向基本柱距分別為2.6,66.8,2.6,13,12,45.6~64.4m不等;Y向柱距為9,12m和18m;四周采用小桁架外挑,最大懸挑長度為10.5~23m不等。
圖8 AC廳屋蓋結(jié)構(gòu)示意圖
AC廳屋蓋為自由曲面形態(tài),且局部造型曲率變化較大,屋蓋周圈多處懸挑超過20m;主登錄廳多處柱為躍層柱,柱高約25m,并且還有2根鋼柱是從多功能廳48m跨度的桁架上托轉(zhuǎn)而來。為加強結(jié)構(gòu)整體性,并達到建筑提出的室內(nèi)簡潔的效果,屋蓋采用平面桁架結(jié)構(gòu)體系[8]。大跨度桁架(X向)和柱頂桁架(Y向)形成主受力體系,當(dāng)Y向柱距為18m或12m時增設(shè)X向的次桁架搭接于柱頂桁架上,周圈外挑處設(shè)置懸挑桁架。桁架間按需布置次梁以保證桁架穩(wěn)定性,同時在桁架弦間布置水平支撐,以提高屋蓋抗扭性能及整體性。桁架桿件焊接于鋼柱,同時在節(jié)點處設(shè)置內(nèi)隔板以保證節(jié)點抗彎剛度。
屋蓋主桁架最大跨度為66.8m,桁架高度為3.5m,弦桿采用箱形截面□400×300×14×14,腹桿采用工字鋼H300×200×10×12(桁架桿件壁厚根據(jù)計算調(diào)整),桁架間次梁采用工字鋼,水平支撐采用圓管φ219×12。
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[9]的要求,大跨桁架在永久和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下產(chǎn)生的撓度(如有起拱應(yīng)減去起拱值)容許值為L/250,在重力荷載代表值與多遇豎向地震標(biāo)準(zhǔn)值下的撓度容許值為L/250,其中L為桁架的跨度,對于懸臂桁架,L為懸挑長度的2倍。
屋蓋構(gòu)件考慮其重要性采用不同的應(yīng)力比控制標(biāo)準(zhǔn),關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力比限值取0.80(大震不屈服計算時取0.90),其他桿件應(yīng)力比限值取0.85。
5.4.1 振型分析
對大跨鋼屋蓋分析時,需考慮下部結(jié)構(gòu)剛度[10]。屋面鋼桁架采用3D3S(V14.1版)軟件進行計算分析,并與MIDAS Gen軟件的振型分析結(jié)果進行比較,兩個模型在三向振型的質(zhì)量參與系數(shù)均達到90%以上,模型前6階的周期見表3。由表可見,兩種軟件計算結(jié)果基本一致。
屋蓋振動周期/s 表3
5.4.2 結(jié)構(gòu)變形
主桁架在恒、活載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下最大豎向撓跨比為1/443,懸挑桁架最大撓跨比為1/219;主桁架在重力荷載和豎向地震組合作用下最大撓跨比為1/452,懸挑桁架最大撓跨比為1/207;在風(fēng)吸荷載和豎向荷載的共同作用下,屋面豎向變形方向向上,主桁架的撓度有大幅減小,最大撓跨比為1/416,懸挑桁架最大撓跨比為1/204;主桁架在恒載、溫度作用標(biāo)準(zhǔn)組合下最大豎向撓跨比為1/439,懸挑桁架最大撓跨比為1/192,均滿足規(guī)范要求。
圖9為AC廳單側(cè)曲面變化示意圖,屋蓋凹陷處設(shè)有融雪裝置,但為保證在偶遇積雪較厚、融雪排水設(shè)備失靈的情況下屋面仍能安全有效地工作,設(shè)計時考慮極端天氣凹槽處積雪荷載為當(dāng)?shù)匕倌暌挥鲅┖奢d的3倍,對屋面結(jié)構(gòu)進行分析。經(jīng)計算,主桁架在恒載、雪載標(biāo)準(zhǔn)組合工況下最大豎向撓跨比為1/426,懸挑桁架最大撓跨比為1/220,均滿足規(guī)范要求。
圖9 AC廳單側(cè)曲面變化示意圖
5.4.3 應(yīng)力分析
非地震作用下屋蓋關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力比小于0.80,其他構(gòu)件應(yīng)力比均小于0.85,滿足設(shè)計要求;小震彈性作用下桁架桿件應(yīng)力比最大為0.45,中震彈性作用下桁架桿件應(yīng)力比最大為0.72,大震不屈服作用下桁架桿件應(yīng)力比最大為0.89,可滿足預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)。從應(yīng)力比數(shù)據(jù)(圖10、圖11)可知,非地震組合對本屋蓋起控制作用,地震不起控制作用。
圖10 非地震作用下屋面桿件應(yīng)力比分布圖
圖11 小震作用下屋面桿件應(yīng)力比分布圖
為保證關(guān)鍵節(jié)點安全可靠,采用ABAQUS(V6.14版)軟件進行節(jié)點有限元分析。
選取屋面桁架與鋼柱結(jié)構(gòu)連接節(jié)點作為分析對象,鋼柱設(shè)置加勁肋,三維模型見圖12。由于桿件主要以軸力控制為主,所以節(jié)點分析時忽略了剪力和彎矩的影響。鋼材采用Q355,根據(jù)節(jié)點板厚度,鋼材的屈服強度按《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591—2018)中表7選取,彈性模量為2.06×105N/mm2,泊松比為0.3。材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為雙折線模型,強化段的斜率為0.1E(E為彈性模量)。鋼材復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強度準(zhǔn)則采用von Mises屈服條件,非線性分析過程中采用等向強化準(zhǔn)則。
圖12 典型節(jié)點有限元模型
在中震彈性組合下節(jié)點應(yīng)力分布見圖13,節(jié)點核心區(qū)內(nèi)應(yīng)力分布比較均勻且應(yīng)力水平較低,局部最大應(yīng)力值287MPa,出現(xiàn)在斜腹桿翼緣端,即應(yīng)力集中區(qū)域。計算分析表明,除個別應(yīng)力集中較大外,大部分區(qū)域的應(yīng)力水平均較低,遠小于設(shè)計強度,滿足要求。
圖13 節(jié)點應(yīng)力云圖/MPa
(1)針對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、組合平面、夾層、躍層柱等多條不規(guī)則項,本項目采取抗震性能化設(shè)計,提高躍層柱、大跨度支撐柱等關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能目標(biāo),并對結(jié)構(gòu)的薄弱處采取了有效的措施。補充小震彈性時程分析和大震動力彈塑性時程分析,對薄弱部位進行加強,從而減少了不規(guī)則帶來的不利影響。
(2)本項目因其平面及豎向剛度不規(guī)則,設(shè)計時需考慮大跨度屋面結(jié)構(gòu)與底部主體結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用,分析時采用整體建模進行計算。
(3)屋面為自由曲面形態(tài),且局部造型曲率變化較大,屋蓋側(cè)邊懸挑較大,且建筑要求采用盡可能簡單干凈的結(jié)構(gòu),控制屋面結(jié)構(gòu)厚度,綜合考慮各種因素后,沿波浪方向布置屋蓋平面桁架體系,采用空間桿系有限元法計算,該屋蓋平面桁架體系受力簡單、經(jīng)濟合理、便于施工。
(4)煙臺地區(qū)雪荷載較大,可能會在屋蓋波浪形處形成一定的積雪厚度,設(shè)計時應(yīng)考慮積雪荷載最不利情況。