樊欽鑫， 孫亞琦， 鄒 翔， 謝 軍， 賈雨萌， 郭亞楠， 徐 瑞， 楊超杰

(1 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司， 北京 100120；2 成都淮州新城建設(shè)投資有限公司， 成都 610404)

1 工程概況

淮州新城國際會展中心位于成都市金堂縣，建筑面積約4.5萬m2，建筑高度35m，場地高差較大，東西兩側(cè)高差10m。建筑西側(cè)、北側(cè)、南側(cè)出入口位于2層，東側(cè)出入口位于1層。項目屬于一類高層，耐火等級為地上一級。建筑設(shè)計以“太陽神鳥”為設(shè)計理念。建筑采用圓環(huán)形體量，直徑由下至上約135～150m，契合太陽神鳥的基本輪廓，建筑效果圖見圖1[1]。

圖1 建筑效果圖

建筑功能主要是展廳、辦公會議、航空博物館等，無地下室，地上一共4層，首層層高10m(包括5m高夾層)，2層層高6m，3層層高5.5m，4層層高4～13.5m，屋面為輕質(zhì)鋁板和玻璃幕墻屋面。建筑典型剖面圖見圖2。

圖2 典型建筑剖面圖

本工程地形地貌屬于金堂西部淺丘平壩區(qū)，該區(qū)域由沿江兩岸的沖積平原和龍泉山脈邊緣的淺丘區(qū)組成。地形較起伏，相對高差較大，最大高差26.82m。場地未見影響場地穩(wěn)定性的崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象,該場地相對穩(wěn)定，為建筑抗震一般地段，適宜建筑。

本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，基礎(chǔ)采用獨立柱基、條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為③2層中風(fēng)化砂巖，承載力特征值fak為800kPa；局部基礎(chǔ)持力層為④1層中風(fēng)化礫巖，承載力特征值fak為1 200kPa；當遇到局部薄層強風(fēng)化巖層③1，采用混凝土強度等級為C15的素混凝土進行局部換填并設(shè)計基底標高,每邊寬出基礎(chǔ)200mm，處理深度<2 000mm。土質(zhì)承載力非常高，巖石基礎(chǔ)沉降很小，滿足規(guī)范對地基變形要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)

主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，安全等級為二級，建筑抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類；基本雪壓為0.10kN/m2；基本風(fēng)壓為0.30kN/m2(50年)，0.35kN/m2(100年),地面粗糙度類別為B類。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅰ1類，多遇地震Tg=0.35s，罕遇地震Tg=0.40s。結(jié)構(gòu)嵌固在基礎(chǔ)頂，東西兩側(cè)高差10m，高側(cè)采用永久支護擋土，支護與主體結(jié)構(gòu)完全脫開。

2.2 結(jié)構(gòu)選型及體系

本工程建筑形體復(fù)雜，柱間跨度及懸挑較大，柱網(wǎng)不規(guī)則，為圓形放射狀，同時本工程地處地震高烈度區(qū)，采用鋼結(jié)構(gòu)體系更為合適。為進一步研究結(jié)構(gòu)豎向剛度是否存在突變和扭轉(zhuǎn)問題，選取鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)與鋼框架結(jié)構(gòu)進行對比，見表1。

鋼框架-中心支撐與鋼框架結(jié)構(gòu)對比 表1

從表1中可以看出，鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)體系明顯優(yōu)于鋼框架結(jié)構(gòu)?？紤]到經(jīng)濟性、利用率、施工技術(shù)、周期、結(jié)構(gòu)整體控制指標等因素，本工程結(jié)構(gòu)體系采取鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)體系(鋼管柱+中心支撐+型鋼樓面梁+鋼筋桁架樓承板)。

采用鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)，底座采用常規(guī)梁、柱支撐體系，圓環(huán)內(nèi)主體、外殼采用空間鋼結(jié)構(gòu)體系。在環(huán)向屋脊的位置設(shè)置12根等分框架柱伸至屋面支承整個圓環(huán)，圓環(huán)邊界設(shè)置等分網(wǎng)格與底座框架柱連接，形成整體空間結(jié)構(gòu)。鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)整體模型及結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成模型見圖3，4。典型懸挑空間體系剖面圖見圖5。

圖3 結(jié)構(gòu)整體模型

圖4 整體結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成圖

圖5 典型懸挑空間體系剖面圖

主要構(gòu)件截面參數(shù)見表2。典型鋼筋桁架樓承板厚度120mm；在樓電梯間及外圍隔墻內(nèi)設(shè)置支撐，為了不影響建筑內(nèi)部空間效果，支撐寬度控制在200mm以內(nèi)，鋼材材質(zhì)為Q390B，Q345B。

主要構(gòu)件截面參數(shù) 表2

2.3 結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù)住建部《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(建質(zhì)〔2015〕67號)[2]、《四川抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標準》(DB51/T5058-2014)[3]規(guī)定,經(jīng)初步判斷，本工程需抗震設(shè)防專項審查內(nèi)容及主要超限情況如下：1)1層夾層的有效樓板寬度與該層相應(yīng)位置樓板典型寬度比值小于35%，平面扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；2)3層的有效樓板寬度與該層相應(yīng)位置樓板典型寬度比值為21%(小于35%)，平面扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；3)4層夾層為局部不規(guī)則。平面不規(guī)則超限示意圖見圖6。

圖6 平面不規(guī)則超限示意圖

根據(jù)《四川抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標準》(DB51/T5058-2014)要求，本工程存在多項特別不規(guī)則超限項：1)結(jié)構(gòu)不規(guī)則扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；2)屋面及4層樓層整體外挑尺寸a=13/8m>6m，見圖7；3)樓板局部不連續(xù)(1層夾層、3層的有效樓板寬度與該層相應(yīng)位置樓板典型寬度比值為35%)，見圖6，8。本工程屬于抗震設(shè)防超限高層建筑工程[4]。

圖7 豎向不規(guī)則超限示意圖

3 整體設(shè)計難點分析

3.1 建筑、結(jié)構(gòu)、幕墻參數(shù)一體化設(shè)計

為努力探尋建筑結(jié)構(gòu)合理的構(gòu)成，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)完美統(tǒng)一，通過Rhino+grasshopper軟件進行參數(shù)化設(shè)計，在滿足建筑空間及外形的同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格布置，追求合理的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)屋面采用36道徑向平面桁架+4道空間環(huán)桁架+菱形單層網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)體系[5]，以空間鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格定位為基準，對外維護系統(tǒng)的設(shè)計與施工全過程進行控制，實現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、幕墻參數(shù)一體化設(shè)計，見圖9，10。

圖8 局部不規(guī)則

圖9 主體建筑、結(jié)構(gòu)、幕墻一體化網(wǎng)格圖

圖10 單層網(wǎng)殼網(wǎng)格圖

為契合建筑芙蓉花的創(chuàng)意，中間單層網(wǎng)殼選擇葵花形網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的劃分既增強了網(wǎng)格布置的規(guī)則性，改善了邊界區(qū)域的桿件受力性能，又方便施工焊接及安裝，大大提高了屋面圍護結(jié)構(gòu)施工精度。能夠完美展現(xiàn)“技術(shù)與創(chuàng)新統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)成就建筑之美”的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計理念。

3.2 豎向剛度突變

由于標高16m以上外網(wǎng)格在樓層間的存在(圖11)，造成2層與3層層間剛度比接近0.9，豎向剛度接近突變；同時因為鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)為雙重抗側(cè)力體系，2層斜撐承擔(dān)的剪力占總剪力的15%，斜撐抗側(cè)力作用較小，不符合斜撐為雙重抗側(cè)力體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計第一道防線的理念。對2層進行如下優(yōu)化(圖12)：在外圍框架柱間增加支撐并延伸至2層(標高10～16m)，其余支撐未變化[6]。

圖11 結(jié)構(gòu)抗側(cè)體系立面圖

圖12 優(yōu)化前后支撐對比

優(yōu)化后的2層與3層層間剛度比接近1.0>0.9(圖13)，2層斜支撐承擔(dān)的樓層剪力占樓層總剪力的比值達到25%以上(表3)，保證了鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)為雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。

圖13 優(yōu)化前后層間剛度比對比

地震作用下斜支撐承擔(dān)的樓層剪力占樓層總剪力比值/% 表3

從圖13和表3中可看出，雖然剛度比滿足限值要求，但是出于安全角度，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計認為2層為薄弱部位層，對其地震作用標準值剪力應(yīng)乘以1.25的地震放大系數(shù)，并將16m標高以下的柱的鋼材強度等級提高到Q390[7]。

3.3 大跨度懸挑舒適度

標高21.5m處的屋蓋外圍懸挑最大8m，外網(wǎng)格斜撐作用不明顯，結(jié)構(gòu)豎向剛度較小。建筑使用功能為展廳，人流相對密集，對樓蓋振動舒適度要求較高。目前對樓蓋振動舒適度控制主要有兩個指標: 樓蓋豎向振動頻率和豎向振動加速度。大跨度懸挑部分樓蓋自身的第1階豎向頻率為2.5Hz，不滿足豎向振動頻率大于3Hz的要求，需要采用峰值加速度來衡量其舒適度。

采用MIDAS Gen進行動力時程分析，考慮單人質(zhì)量為75kg，人員密度約為1人/14m2，結(jié)合建筑功能采用了3種人行荷載模式進行分析：1)人行列荷載，每點輸入步行一步荷載；2)豎向位移最大點處單點連續(xù)步行；3)豎向位移最大點區(qū)域按照人群密度進行人群行走下連續(xù)步行(圖14)。

圖14 荷載模式

圖15為樓板最大豎向加速度。由圖15可見，樓層各工況下最大豎向加速度約為0.177m/s2，不大于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)中規(guī)定的0.190m/s2的限值，滿足樓蓋舒適度控制要求[8]。

圖15 樓板最大豎向加速度/(m/s2)

3.4 抗連續(xù)倒塌分析及加強措施

3層(標高16～21.5m)的屋蓋網(wǎng)殼作為3層頂外環(huán)懸挑梁的支撐結(jié)構(gòu)，承受著3層頂和屋蓋傳遞的荷載作用。3層屋蓋網(wǎng)殼主要桿件受壓，這是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的薄弱環(huán)節(jié)，故對此部分結(jié)構(gòu)補充抗連續(xù)倒塌計算。通過刪除3層的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(圖16)，不考慮其有利作用，進而驗算此狀態(tài)下3層頂外環(huán)懸挑梁和上部屋蓋的承載力和變形。

圖16 結(jié)構(gòu)拆除桿件示意圖

采用拆除構(gòu)件法進行抗連續(xù)倒塌設(shè)計：取消支承網(wǎng)格，采用彈性方法進行剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度和結(jié)構(gòu)整體大變形抗連續(xù)倒塌分析：在1.0D+0.5L作用下，結(jié)構(gòu)滿足正常使用要求，在2.0D+0.5L作用下，結(jié)構(gòu)滿足強度要求(取屈服強度的1.25倍)，其中D為恒荷載，L為活荷載。

結(jié)果表明：懸挑鋼梁桿件應(yīng)力最大430MPa，均小于1.25倍材料標準值，考慮20mm的起拱，結(jié)構(gòu)撓跨比為46mm，小于64mm，滿足預(yù)設(shè)控制指標，3層頂?shù)膽姨袅喝跃哂凶銐虻某休d能力和變形能力。即可以認為在2層網(wǎng)格失效的情況下，也不會引起結(jié)構(gòu)大范圍的連續(xù)倒塌，整體結(jié)構(gòu)具有較高的抗連續(xù)倒塌的能力[9]。

為了增加懸挑梁的安全度，提高結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力，減小懸挑跨度和框架柱面外計算長度，在框架柱端部采取加腋構(gòu)造措施(圖17)，懸挑梁端部彎矩可以降低約10%，框架柱平面外彎矩和位移可以降低約10%。

圖17 柱端部采取加腋構(gòu)造措施

4 主要分析結(jié)果

4.1 整體靜力設(shè)計

按照規(guī)范要求考慮各種荷載工況組合下結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)下的性能。其中荷載工況包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載以及溫度作用(鋼結(jié)構(gòu)屋面考慮+30℃，梁柱考慮+20℃，降溫考慮-20℃，要求施工合攏溫度在10～20℃)。

鋼結(jié)構(gòu)抗震等級為四級，鋼構(gòu)件采用Q345B或Q390B。所有荷載工況組合下，關(guān)鍵桿件應(yīng)力比小于0.85(大懸挑相關(guān)構(gòu)件、與支座連接構(gòu)件、網(wǎng)殼)，其余桿件應(yīng)力比小于0.9。構(gòu)件應(yīng)力比包絡(luò)圖見圖18。

圖18 構(gòu)件應(yīng)力比包絡(luò)圖

承載力計算時，屋面控制荷載組合為1.2D+ 1.4L+0.84[T-]+0.84W，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.89;單層網(wǎng)殼控制荷載組合為1.2D+0.98L+1.4[T+]+0.84W，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.53，滿足設(shè)計要求，其中[T-]為降溫作用，[T+]為升溫作用，W為風(fēng)荷載。

正常使用情況下，屋面在D+L工況下，Z方向的最大位移約為48mm，其短跨方向跨度為11.5m，相對支座的位移為25mm，撓度為1/484，滿足1/250的設(shè)計要求；單層網(wǎng)殼在D+L工況下，Z方向的最大位移約為9mm，其短跨方向長度為40 000mm，撓度為1/4 444，滿足1/400的設(shè)計要求(圖19)。在升溫、降溫控制工況下，屋面外圍的XY方向的最大位移約為26mm，其相對位移約為10mm，短跨方向長度為16 000mm，撓度為1/1 600，滿足1/250的設(shè)計要求；在升溫工況下，單榀桁架XY方向的最大位移約為22mm，相對位移約為8mm，其短跨方向長度為16 000mm，撓度為1/2 000，滿足1/400的設(shè)計要求(圖20)。

圖19 變形云圖/mm

圖20 升溫工況下屋面與桁架變形云圖/mm

在溫度作用下，設(shè)計中考慮環(huán)形結(jié)構(gòu)溫度作用對主體結(jié)構(gòu)的不利影響，溫度作用下變形主要方向是沿著結(jié)構(gòu)的徑向。而環(huán)向構(gòu)件的軸向內(nèi)力較大，在布置支撐時為避免約束結(jié)構(gòu)在溫度作用下變形，只在環(huán)向設(shè)置單斜桿支撐，同時加強環(huán)向鋼梁或鋼桁架軸向剛度，保證結(jié)構(gòu)抗扭剛度與溫度作用有效平衡。

桁架、單層網(wǎng)殼構(gòu)件長細比：壓桿120，拉桿150。其余構(gòu)件的長細比、寬厚比、徑厚比等滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 5001l—2010)的相關(guān)要求。

4.2 整體穩(wěn)定設(shè)計

單層網(wǎng)殼的跨度為40m，矢高為7.4m，矢跨比為1/5.4<1/5；屋面網(wǎng)格體系為平面徑向桁架+環(huán)向空間桁架結(jié)構(gòu)體系，整體性較好，沒有出現(xiàn)整體穩(wěn)定問題?，F(xiàn)采用兩榀主桁架之間的網(wǎng)格進行局部整體穩(wěn)定分析，網(wǎng)格尺寸為13m×16m；為考察單層網(wǎng)殼和屋面局部網(wǎng)格體系是否有整體失穩(wěn)的可能，選取了第1階屈曲模態(tài)(圖21)作為初始缺陷分布模態(tài)，初始缺陷取跨度的1/300。按照考慮幾何和材料非線性影響分別進行整體穩(wěn)定分析，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界點荷載值分別為結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)承載力的12.6和4.2倍，滿足規(guī)范要求[10]。

圖21 第1階屈曲模態(tài)

4.3 整體結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計

本工程屬于典型的復(fù)雜規(guī)則性超限：包括平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、豎向不規(guī)則、局部夾層及穿層柱不規(guī)則。針對多重復(fù)雜的結(jié)構(gòu)情況，采用YJK和MIDAS Gen計算軟件對結(jié)構(gòu)進行整體分析，在中震作用下，結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力及關(guān)鍵受力構(gòu)件(包括框架柱、與支撐連接框架梁柱、屋面與框架柱連接桁架相關(guān)構(gòu)件、關(guān)鍵節(jié)點)滿足性能指標對應(yīng)的彈性承載力驗算要求。在大震作用下，結(jié)構(gòu)僅部分框架梁及支撐進入塑性，鋼結(jié)構(gòu)抗震性能良好[1]。

4.4 屈曲約束支撐設(shè)計

支撐作為鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)的抗震第一道防線非常重要，中心支撐采用屈曲約束支撐(BRB，見圖22)，在小震作用下BRB處于彈性工作狀態(tài)，其為結(jié)構(gòu)提供附加剛度；設(shè)防、罕遇地震作用下，BRB為結(jié)構(gòu)提供剛度并耗散地震能量(圖23),減小其他構(gòu)件損傷，大震作用下BRB耗能附加阻尼比為1%左右，提高了結(jié)構(gòu)安全度。

圖22 BRB模型

圖23 大震作用下BRB滯回曲線

4.5 單層網(wǎng)殼圓柱節(jié)點設(shè)計

單層網(wǎng)殼的桿件截面較小，矩形管多桿交匯，節(jié)點受力復(fù)雜，相關(guān)焊接無法滿足受力要求，且傳統(tǒng)焊接球節(jié)點不滿足建筑感官要求，因此本工程采用鼓狀圓柱體節(jié)點(圖24)。

圖24 節(jié)點模型圖

節(jié)點應(yīng)力分布如圖25所示，節(jié)點區(qū)域的最大von Mises 等效應(yīng)力為175.746MPa，換算最大等效應(yīng)力比為0.5，滿足設(shè)計要求。

圖25 節(jié)點應(yīng)力分布圖/MPa

5 針對超限情況的主要加強措施

(1)針對平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、局部樓板不連續(xù)的措施

1)為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，在環(huán)向布置中心支撐，形成強支撐體系；2)對大開洞樓層(標高為5m和16m處樓層)，樓板構(gòu)造上厚度不小于120mm，配雙層雙向鋼筋網(wǎng)，配筋率不小于0.25%，樓板設(shè)計滿足中震彈性的性能化目標。

(2)針對懸挑體型收進不規(guī)則的措施

1)避免剛度及承載力突變，在3層懸挑處的斜角網(wǎng)格層減小斜網(wǎng)格構(gòu)件截面，并采用兩端鉸接處理，最大化降低斜網(wǎng)格對整體剛度的影響。2)提高2層(斜角網(wǎng)格下一樓層)樓層側(cè)向剛度，在外圍增加8道環(huán)向支撐，剛度比滿足規(guī)范要求，樓層地震剪力按照薄弱層乘以1.25的地震放大系數(shù)取值。提高2層(斜角網(wǎng)格下一樓層)框架柱承載能力，鋼材強度等級由Q345提高到Q390。3)驗算大懸挑結(jié)構(gòu)的豎向舒適度，并采取減震措施，針對大懸挑采用拆分法進行抗連續(xù)倒塌設(shè)計，并在框架柱采取加腋構(gòu)造措施[10]。

(3)其他措施

1)結(jié)構(gòu)體系：采用抗震性能較好的鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)具有良好屈服與耗能機制。計算分析：考慮恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度作用、地震作用組合工況下結(jié)構(gòu)的承載力和變形、整體穩(wěn)定設(shè)計滿足要求。2)小震作用下1，2層的穿層柱不僅應(yīng)滿足應(yīng)力比在0.8以內(nèi)，而且控制軸壓比也應(yīng)在0.4以內(nèi)(實現(xiàn)“強柱弱梁”)，并補充通高模型計算承載力，構(gòu)件設(shè)計滿足中震彈性的性能化目標。

6 結(jié)語

(1)對于復(fù)雜超限結(jié)構(gòu)，需要特別重視結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，應(yīng)根據(jù)項目形體復(fù)雜程度、內(nèi)部功能及結(jié)構(gòu)主要控制指標選取最優(yōu)的鋼框架+支撐結(jié)構(gòu)體系；并應(yīng)根據(jù)不規(guī)則性超限的情況，采取有針對性的措施，提高結(jié)構(gòu)的中震延性及大震抗倒塌能力。

(2)對于復(fù)雜大跨空間結(jié)構(gòu)，應(yīng)充分理解建筑的設(shè)計理念及內(nèi)在邏輯關(guān)系，實現(xiàn)“建筑、結(jié)構(gòu)、幕墻”參數(shù)一體化設(shè)計，并保證結(jié)構(gòu)靜力、整體穩(wěn)定及懸挑舒適度等指標滿足規(guī)范要求，這樣既成就了建筑之美，又安全可靠方便施工。

致謝：衷心感謝中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司結(jié)構(gòu)專家馮遠、吳小賓、劉宜豐、肖克艱、畢瓊、伍庶對本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的寶貴建議和意見。