劉桂然, 李夢露

(上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概況

第十屆中國花卉博覽會建設(shè)項目位于上海市崇明島中北部的東平國家森林公園及周邊地區(qū),復(fù)興館為主場館,用地面積約為5.7萬m2,期間承擔(dān)了35個省、直轄市、自治區(qū)及港澳臺地區(qū)的室內(nèi)布展功能[1]。

復(fù)興館為單層中型展覽建筑,建筑面積3.7萬m2,平面尺寸約303m×123m,地上局部三層,局部設(shè)置一層地下室。屋蓋造型為錯列波浪形屋面(圖1),取“波瀾壯闊”的復(fù)興之意。屋面高度為10～16m,建筑柱網(wǎng)尺寸18m×18m、18m×9m,上部結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系。

圖1 建筑實景圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年,結(jié)構(gòu)安全等級為一級,抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g),抗震設(shè)防類別為丙類,場地類別為上海Ⅲ類,基本風(fēng)壓為0.55kN/m2。

2 地基基礎(chǔ)及地下結(jié)構(gòu)設(shè)計

本工程局部地下室一層,地下室埋深約5.15m,無地下室基礎(chǔ)埋深約2.90m。對于有地下室范圍采用了樁基+筏板的基礎(chǔ)形式;對于無地下室區(qū)域,采用樁+承臺+基礎(chǔ)梁的基礎(chǔ)形式,基礎(chǔ)底板厚度為500mm。

地勘資料表明:第⑤2層灰色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土,層面埋深約27m,層厚5.50～11.0m,層頂標(biāo)高約-23.00～-26.79m,很濕,中密,中等壓縮性,含云母屑,土質(zhì)尚均勻,該層靜探比貫入阻力平均值為2.78MPa。本工程樁基設(shè)計時,選擇第⑤2層作為樁端持力層,樁型采用PHC預(yù)制管樁,樁直徑取500mm。無地下室范圍的樁長約30m,單樁抗壓承載力特征值為1 050kN;有地下室范圍的樁長約28m,單樁抗壓豎向承載力特征值為1 000kN,單樁抗拔承載力特征值為580kN。最大沉降量約為14mm。

地下室結(jié)構(gòu)局部結(jié)合建筑隔墻、樓電梯間墻設(shè)置混凝土墻,增加地下室整體剛度[2-3]。地下室頂板樓面采用梁板結(jié)構(gòu)體系。

3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)選型與布置

由于本場館柱網(wǎng)跨度較大、屋面結(jié)構(gòu)不規(guī)則,且有40%的預(yù)制率要求,綜合以上情況及建筑功能的要求,結(jié)構(gòu)采用了鋼框架結(jié)構(gòu)體系(圖2)。考慮建筑效果要求并根據(jù)本項目樓板較少、屋蓋在長向呈波浪形有利于溫度應(yīng)力釋放等特點,整體結(jié)構(gòu)未設(shè)縫。結(jié)構(gòu)平面和剖面圖見圖3和圖4,其中結(jié)構(gòu)二層為局部少量夾層。

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型

圖3 結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 結(jié)構(gòu)剖面圖

本工程框架柱采用圓鋼管柱,框架梁采用焊接H形截面或箱形截面,框架梁與框架柱均采用剛接。其中,框架柱為500×25～600×35方鋼管和600×25～900×30圓鋼管,框架梁截面為HM488×300×11×18～HM588×300×12×20。

經(jīng)判斷,結(jié)構(gòu)存在以下不規(guī)則項:不按樓面分區(qū)情況下考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為1.39、三層樓板的有效樓板面積占比為25%、屋面錯層、局部樓層存在穿層柱和夾層等。結(jié)構(gòu)不規(guī)則項共有三項,屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

3.2 結(jié)構(gòu)概念分析與計算假定

本項目上部結(jié)構(gòu)造型較為復(fù)雜,樓層特征非常規(guī),需要結(jié)合各個樓層具體的情況判斷,并確定用以模型計算的樓層假定。

由于二層面積較小(小于整層面積的30%),可認(rèn)定該層為夾層,整體指標(biāo)計算和判定時忽略夾層的影響,在內(nèi)力分析時考慮夾層的作用。三層面積略大于整層面積的30%,三層與屋面上下重疊面積為3492m2,其余面積為平屋面,與坡屋面低點相連;分析計算三層(高度10m處)和坡屋面(高度10～16m處)的變形和剛度。三層和屋面的變形存在一致性(圖5),且三層和屋面的剛度比僅為0.08。分析發(fā)現(xiàn),三層的各項結(jié)構(gòu)性能與屋面相協(xié)調(diào),因此將三層和屋面視為一個空間層,考察結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性指標(biāo)時,按整體考慮。

結(jié)構(gòu)存在較多穿層柱,且屋面有錯層,對于屋面各區(qū)域豎向構(gòu)件,不同位置豎向構(gòu)件在屋面處的頂部節(jié)點高差較大,抗側(cè)構(gòu)件的長度也有較大差異,最大層間位移與平均層間位移比不具有常規(guī)的參考意義。根據(jù)上述情況,本工程采用《抗規(guī)》[4]中統(tǒng)計方法,即在具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下,扭轉(zhuǎn)位移比采用樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件彈性水平位移的最大值與平均值的比值,即分區(qū)考察該層最大位移與層平均位移的比值。以該方法來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的準(zhǔn)確評估。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震分析與計算

結(jié)合本工程的實際情況,將主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)定義如下:穿層柱和樓板錯層處的框架柱定義為關(guān)鍵構(gòu)件,控制其設(shè)防地震下柱正截面不屈服,斜截面彈性;三層和屋面層樓板滿足設(shè)防地震下不屈服。

多遇地震作用下采用YJK軟件對結(jié)構(gòu)分析計算的主要指標(biāo)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)自振特性

根據(jù)表1所示的結(jié)構(gòu)自振特性分析結(jié)果,結(jié)構(gòu)的前2階振型均為平動,第3階為扭轉(zhuǎn),且周期比小于0.9;最大層間位移角為X向1/506、Y向1/432,滿足1/250的限值要求;剪重比(表2)均滿足大于1.6的限值要求。

扭轉(zhuǎn)位移比采用樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件彈性水平位移的最大值與平均值的比值,分區(qū)考察該層最大位移與層平均位移的比值(圖6)。根據(jù)表3結(jié)果,所有區(qū)域的扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.2,且小于不分區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果。

表3 結(jié)構(gòu)分區(qū)統(tǒng)計位移

圖6 三層平面布置示意圖及分區(qū)統(tǒng)計點編號

3.4 嵌固端選擇及設(shè)計

復(fù)興館的首層無地下室區(qū)域,為剛性地坪,除外圍幕墻處設(shè)置混凝土梁外,其余均無結(jié)構(gòu)梁板。首層的結(jié)構(gòu)布置如圖3(a)所示。

承臺頂面位于-2.00m標(biāo)高處,±0.00標(biāo)高至承臺頂面為混凝土柱腳,鋼柱下插至承臺頂面。根據(jù)《鋼準(zhǔn)》[5]中對于外包剛接柱腳的要求,外包混凝土厚度根據(jù)柱截面大小取200～300mm,承臺至首層的局部剖面如圖7所示。為判斷選擇混凝土柱墩頂面(±0.00標(biāo)高)作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的可行性,取單獨一榀框架結(jié)構(gòu),按照有無下部混凝土柱結(jié)構(gòu)模型,分析首層以下的混凝土柱對整體結(jié)構(gòu)的嵌固作用。

圖7 首層柱腳局部剖面圖

當(dāng)取單跨框架分析時,得到模型1A和模型1B(圖8)。其中,模型1A中鋼柱長12m,鋼柱截面為φ900×30和φ600×25,柱底均為固定支座;模型1B中鋼柱長12m,鋼柱截面同模型1A,鋼柱下端為2m長混凝土柱墩,總長14m,混凝土柱截面為1 400×1 400、1 000×1 000。施加1 000kN的水平力,考察鋼柱柱頂和±0.000標(biāo)高處柱的水平變形情況,具體分析結(jié)果如表4所示。

表4 單跨柱水平位移

圖8 模型1A、1B計算簡圖

取三跨框架,其中一跨在4.5m和10.0m標(biāo)高處有鋼梁,表示柱在樓層處受到約束。模型3A為純鋼柱在±0.00標(biāo)高處設(shè)固定端;模型3B為上部鋼柱,并考慮了承臺面(-2.00m標(biāo)高)至±0.00標(biāo)高間的混凝土柱墩,固定端設(shè)置于承臺面標(biāo)高。模型及分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 模型3A和模型3B水平荷載下變形圖/mm

根據(jù)以上分析結(jié)果,在單跨結(jié)構(gòu)驗證模型中,模型1A、1B的柱頂變形較接近,模型1B在±0.00標(biāo)高處的位移角小于1/9 999;在多跨結(jié)構(gòu)驗證模型中,當(dāng)±0.00標(biāo)高以上鋼柱截面相同時,有樓層約束的框架由于剛度較大,柱分配的剪力也更大,因此有樓層約束的混凝土柱墩需比無樓層約束的柱墩截面大15%～20%,此時能夠滿足在±0.00標(biāo)高處的位移和柱頂位移相近,且±0.00標(biāo)高處的位移角均小于1/9 999。因此,認(rèn)為在目前布置的混凝土柱截面前提下,可以取混凝土柱墩頂面(±0.00標(biāo)高)作為上部結(jié)構(gòu)的計算嵌固端[6]。

3.5 錯列波浪形屋面分析與設(shè)計

由于建筑對于屋面造型和使用功能的要求,屋面造型為多條錯列的波浪,屋面高度為10～16m不等,四個展館和三個主要通道處屋面均設(shè)置面積較大的采光屋面。由于上述大量的錯層和樓板開洞情況,屋面產(chǎn)生了大量穿層柱和錯層框架柱,對結(jié)構(gòu)體系和屋面整體性造成了一定的影響。

為保證屋面的整體性,需提高水平荷載下屋面結(jié)構(gòu)的整體剛度。通過分析結(jié)構(gòu)前幾階振型的局部振型確定影響整體性剛度的關(guān)鍵位置,設(shè)計時在這些位置設(shè)置水平拉桿,拉桿布置見圖3(c)中虛線框內(nèi)的6個交叉斜桿布置區(qū)域。

設(shè)置拉桿后,結(jié)構(gòu)的前十階振型均為整體振動,屋面局部振型被有效控制,且結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比也得到了較好的改善。因此,屋面拉桿對結(jié)構(gòu)整體剛度的實現(xiàn)起到了必要性作用。

對于屋面的平面不規(guī)則,分析了錯列波浪形屋面樓板在雙向多遇地震工況下的應(yīng)力情況,樓板應(yīng)力分析結(jié)果如圖10所示。

在小震工況下,屋面樓板平均拉應(yīng)力為0.1～0.7MPa,當(dāng)取中震彈性放大系數(shù)2.8時[7],能夠滿足混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。屋頂層在局部位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,局部最大拉應(yīng)力達(dá)到1.5MPa左右,由于出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位基本在樓層的角部或者樓板邊緣處,這些位置的樓板在恒荷載+活荷載下的應(yīng)力較小,豎向荷載工況下按計算需要,配置φ8@150板頂鋼筋即可滿足計算需要,計算無需板底鋼筋,因此在樓板角部和邊緣處布置板底通長鋼筋,由板底鋼筋的面積加上板中附加鋼筋的面積以滿足抗震要求。最終為了保證樓板雙向受力特性,屋面采用了鋼筋桁架樓板,樓板厚度120mm。

3.6 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

復(fù)興館屋面長度303m,寬度123m,整個屋面設(shè)計為不設(shè)縫的超長結(jié)構(gòu)。分析溫度作用下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力情況,室內(nèi)部分溫差取±25℃,室外部分溫差取±35℃[8-9]。屋面構(gòu)件在溫度作用下平均應(yīng)力為30～80MPa,局部最大應(yīng)力為120～130MPa;溫度組合工況下框架梁的最大應(yīng)力為306MPa,框架柱的最大應(yīng)力為216MPa(圖11),應(yīng)力滿足承載力要求。

圖11 溫度組合工況下結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力/MPa

經(jīng)分析,由于本項目屋蓋沿長向波浪形的特征,以及屋面較多開洞的影響,在保證屋面結(jié)構(gòu)整體剛度的前提下,極大改善了超高屋蓋結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。

3.7 關(guān)鍵豎向構(gòu)件的分析及設(shè)計

對于穿層柱和樓板錯層處的框架柱,提出抗震性能設(shè)計的要求,控制設(shè)防地震下柱正截面不屈服,斜截面彈性,柱應(yīng)力比<1.0。柱的鋼材強(qiáng)度取Q390B,經(jīng)中震驗算,框架柱最大應(yīng)力比約為0.98,可實現(xiàn)既定的抗震性能目標(biāo)。

3.8 多遇地震彈性時程分析

彈性時程分析中采用特征周期Tg=0.65s的3組天然地震波[10],加速度峰值為35cm/s2。3組地震波的地震影響系數(shù)曲線與反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)相比,在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上的偏差不大于20%。

由表5可以看出,所選擇的地震波符合規(guī)范要求,且動力時程分析的結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法的分析結(jié)果相近。在承載力設(shè)計時,將采用振型分解反應(yīng)譜法的計算結(jié)果。

表5 地震作用下基底剪力與振型反應(yīng)譜法結(jié)果比值/%

4 結(jié)論

本工程為存在多項不規(guī)則的多層建筑,設(shè)計中對關(guān)鍵構(gòu)件提出了合理的抗震性能目標(biāo)。通過分析和設(shè)計,并對薄弱位置進(jìn)行加強(qiáng),結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件可滿足預(yù)期目標(biāo)。

(1)通過對嵌固部位的專項分析,確定了合理的嵌固部位。

(2)由于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板開大洞或坡屋頂錯層造成的樓板不連續(xù),對樓板按彈性樓板分析,控制小震作用下樓板主拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk;并確保在中震作用參與的組合工況下,板內(nèi)鋼筋不屈服。

(3)對于樓板不連續(xù)的樓層,對其扭轉(zhuǎn)位移比按照實際情況采用分塊統(tǒng)計,控制每個區(qū)域內(nèi)的扭轉(zhuǎn)位移比不超過1.2。

(4)考慮主體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性,對整體模型進(jìn)行彈性時程分析,并在構(gòu)件承載力設(shè)計時,取彈性時程分析和振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的包絡(luò)值。

(5)對于關(guān)鍵鋼框架柱(穿層柱、錯層處框架柱),采用中震下正截面不屈服、斜截面彈性的抗震性能指標(biāo),滿足應(yīng)力比小于1.0的要求。