李光雨, 劉 寧, 高 峰

(深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，深圳 518031)

0 引言

大科學(xué)裝置,被稱為“科技強(qiáng)國(guó)之重器”[1],其作為國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,在提高我國(guó)自主創(chuàng)新能力方面意義重大,是我們?cè)趪?guó)際尖端科技上追超及領(lǐng)先的重要保證。比如外形猶如一個(gè)美麗的螺旋貝殼、坐落在上海張江高科技園區(qū)的上海光源;坐落在貴州省平塘縣的喀斯特洼坑中有著“超級(jí)天眼”之稱的500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡“FAST”等。

目前,我國(guó)民航飛機(jī)輪胎主要采用租用國(guó)外公司航空輪胎的方式,航空輪胎核心技術(shù)的自主可控勢(shì)在必行。在國(guó)家重大技術(shù)裝備辦公室和國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)支持下,2018年8月,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所合作啟動(dòng)可行性研究,最終目標(biāo)是通過(guò)基礎(chǔ)理論突破,實(shí)現(xiàn)高端輪胎關(guān)鍵技術(shù)自主可控,催生先進(jìn)輪胎制造等新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。項(xiàng)目選址于廣州黃埔區(qū),名稱為“航空輪胎大科學(xué)中心”。

1 工程概況

航空輪胎大科學(xué)中心項(xiàng)目主要由三大建筑單體組成:航空輪胎硬核科技中心、航空輪胎大科學(xué)裝置和航空輪胎博物館,分別承擔(dān)著輪胎的研究、檢測(cè)和展示功能,建筑總體效果見(jiàn)圖1,本文對(duì)其中最重要和結(jié)構(gòu)最有特點(diǎn)的建筑單體“航空輪胎大科學(xué)裝置”進(jìn)行論述。航空輪胎大科學(xué)裝置以當(dāng)代航空輪胎為設(shè)計(jì)切入點(diǎn),深入挖掘航空輪胎的科技元素,其以一平躺輪胎與一豎向輪胎(簡(jiǎn)稱水平圓和豎向圓)的造型為意向,契合大裝置工藝要求的24m凈高與13m凈高要求,立面采用鋁板+玻璃的材料,整體墻面與屋頂渾然一體,富含科技感。航空輪胎大科學(xué)裝置的建筑功能主要用于航空輪胎高加速動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)、航空輪胎摩擦磨損動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)、航空輪胎與起落架耦合動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)、航空輪胎落震沖擊動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)等設(shè)備的安置,并在建筑內(nèi)部設(shè)置三臺(tái)30t橋式起重機(jī)。

圖1 建筑總體效果圖

航空輪胎大科學(xué)裝置的建筑面積為10599m2,其中水平圓建筑高度為23.45m,直徑為90m;豎向圓建筑高度為52m,長(zhǎng)度為72m,寬度為21m。結(jié)構(gòu)三維模型見(jiàn)圖2,建筑剖面見(jiàn)圖3,標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖4。

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型

圖3 建筑剖面圖

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)[2],建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)為重點(diǎn)設(shè)防類[3],抗震設(shè)防烈度為7度[4],設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,場(chǎng)地特征周期為0.35s,50年一遇基本風(fēng)壓[5]為0.50kN/m2,地面粗糙度類別為B類。

2 結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)

本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu),為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在豎向圓與水平圓相交處設(shè)置防震縫,將結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分。豎向圓部分結(jié)構(gòu)體系為鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu),主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是鋼柱的計(jì)算長(zhǎng)度較大,在X向其實(shí)際無(wú)支撐高度為30m,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)設(shè)置斜撐增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度;在30m高度設(shè)置樓板,30m以上做成網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。水平圓部分結(jié)構(gòu)體系為鋼框架結(jié)構(gòu),其中部為通高大空間,最大柱跨為36.55m,大屋蓋設(shè)計(jì)為單向密肋鋼梁體系,吊車區(qū)設(shè)柱間支撐。設(shè)備基礎(chǔ)荷載較大,采用灌注樁基礎(chǔ),并通過(guò)設(shè)置隔振溝減小動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。幕墻造型復(fù)雜,結(jié)構(gòu)有條件實(shí)現(xiàn)其找形的位置盡量由主體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)而需要幕墻構(gòu)件找形處,幕墻找形桿件與主體結(jié)構(gòu)間連接做桁架式鉸接支座,減少對(duì)主體結(jié)構(gòu)梁柱的扭矩作用。

3 地基基礎(chǔ)

項(xiàng)目所在區(qū)域?yàn)樯狡碌?土的類別為中硬土,場(chǎng)地屬抗震一般地段。場(chǎng)地主要土(巖)層由上至下主要為:砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗片麻巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖、中風(fēng)化花崗片麻巖和微風(fēng)化花崗片麻巖,地質(zhì)典型剖面如圖5所示。

圖5 地質(zhì)典型剖面圖

航空輪胎大科學(xué)裝置用來(lái)做飛機(jī)輪胎的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),地面布置了10部大型試驗(yàn)臺(tái),模擬飛機(jī)起落、摩擦等,考慮動(dòng)力作用,試驗(yàn)對(duì)地面的沖擊荷載非常大。根據(jù)使用方提供的荷載,落震試驗(yàn)臺(tái)區(qū)域地面承載力要求達(dá)到600kN/m2,剛度試驗(yàn)臺(tái)區(qū)域地面承載力要求達(dá)到100kN/m2,其他試驗(yàn)臺(tái)區(qū)域地面承載力要求達(dá)到250kN/m2。提取代表性柱下軸力5 096kN,方案階段,根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[6]和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[7],考慮了天然基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)、旋挖灌注樁基礎(chǔ)三種方案,對(duì)比見(jiàn)表1。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),旋挖灌注樁基礎(chǔ)最適合本項(xiàng)目,因剛度試驗(yàn)臺(tái)區(qū)域荷載較小,可以采用天然基礎(chǔ),直接用砂質(zhì)黏性土做持力層?；A(chǔ)平面布置如圖6所示。

表1 基礎(chǔ)選型對(duì)比

圖6 基礎(chǔ)平面布置圖

試驗(yàn)臺(tái)區(qū)域模擬飛機(jī)起落試驗(yàn)時(shí),對(duì)地面產(chǎn)生的巨大動(dòng)力荷載,會(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生類似地震的振動(dòng)作用;同時(shí)主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下,產(chǎn)生的風(fēng)致振動(dòng),對(duì)試驗(yàn)精度也可能產(chǎn)生影響。為了減小主體結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)臺(tái)之間的相互干擾,試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)與主體基礎(chǔ)間應(yīng)完全分離。根據(jù)《工程隔振設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50463—2019)[8],并參考國(guó)標(biāo)圖集隔震構(gòu)造[9]做法及張?jiān)鲇10]對(duì)精密儀器車間隔振溝的隔振效應(yīng)研究,在試驗(yàn)臺(tái)周邊設(shè)置連續(xù)隔振溝,隔振溝做法如圖7所示,混凝土構(gòu)件按二b類環(huán)境進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)[11]。

圖7 隔振溝示意圖

4 豎向圓部分

4.1 框架柱

防震縫左側(cè)豎向圓中部為空曠區(qū)域,用來(lái)進(jìn)行飛機(jī)輪胎落震試驗(yàn),試驗(yàn)區(qū)上方設(shè)置高位吊車,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是鋼柱的計(jì)算長(zhǎng)度較大,在X向其鋼柱的實(shí)際無(wú)支撐高度為30m,位移角需滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[12]中關(guān)于有橋式起重機(jī)框架在風(fēng)荷載下位移角不大于1/400的要求。前期做了多種方案對(duì)比,首先考慮了格構(gòu)柱方案,可采用雙肢型鋼格構(gòu)柱或鋼管混凝土格構(gòu)柱[13],柱肢距根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在高度的1/15～1/9,取2m,經(jīng)計(jì)算,正好滿足長(zhǎng)細(xì)比要求,但若按格構(gòu)柱布置,在承臺(tái)及柱腳占用空間后,剩余空間無(wú)法滿足設(shè)備坑布置要求,格構(gòu)柱方案無(wú)法實(shí)現(xiàn),最終選擇箱形柱方案?？紤]到要布置吊車,需要沿縱向設(shè)置柱間支撐,同時(shí)在建筑端頭橫向也可以設(shè)置支撐,結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)為鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu),并滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[12]中強(qiáng)支撐框架的要求,如式(1)所示,這樣框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)就可以按無(wú)側(cè)移框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)確定,柱截面也可以做得比較小。

(1)

式中:Sb為支撐結(jié)構(gòu)的層側(cè)移剛度,即施加于結(jié)構(gòu)上的水平力與其產(chǎn)生的層間位移角的比值,N;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度,N/mm2;ΣNbi、ΣN0i分別為第i層層間所有框架柱用無(wú)側(cè)移框架和有側(cè)移框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)算得的軸壓桿穩(wěn)定承載力之和,N。

經(jīng)核算,吊車區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)柱設(shè)計(jì)成箱形柱,截面□1 200×800×40×40,可滿足長(zhǎng)細(xì)比及承載力要求,格構(gòu)柱和箱形柱截面方案如圖8所示。

圖8 吊車區(qū)柱子方案

4.2 屋蓋結(jié)構(gòu)

30m標(biāo)高為建筑的實(shí)際屋頂,30～52m標(biāo)高主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑的輪胎造型。30m以上區(qū)域的結(jié)構(gòu),做了三個(gè)方案進(jìn)行比較,如圖9所示,對(duì)應(yīng)的方案比較見(jiàn)表2。通過(guò)表2可以看出,方案三更適合本項(xiàng)目,該方案利用建筑需要在中部設(shè)置設(shè)備間的條件,延伸中部四根柱子,并增設(shè)柱周支撐,形成筒體,作為網(wǎng)殼的中部支座。此方案不但符合形效結(jié)構(gòu)[14]的設(shè)計(jì)理念,穩(wěn)定性也更優(yōu),同時(shí)也滿足了建筑屋頂大空間設(shè)羽毛球場(chǎng)供員工體育鍛煉的需求。

表2 豎向圓屋蓋方案對(duì)比

圖9 屋蓋方案

4.3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)

(1)豎向圓結(jié)構(gòu)模型主要計(jì)算指標(biāo)如表3所示。從表3可以看出,結(jié)構(gòu)周期比、位移比均滿足規(guī)范要求,說(shuō)明結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的抗扭轉(zhuǎn)能力;位移角、剛重比均滿足規(guī)范要求,說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度適中;但1層的剛度比和承載力比不滿足規(guī)范要求,根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)[15](簡(jiǎn)稱高層民用鋼結(jié)構(gòu)規(guī)程)中3.3.3條第2款規(guī)定,結(jié)構(gòu)模型計(jì)算時(shí),首層地震剪力應(yīng)乘以放大系數(shù)1.15。結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的層間位移角見(jiàn)圖10。由圖10可以看出,層間位移角均較小,結(jié)構(gòu)剛度裕量較大。

表3 豎向圓結(jié)構(gòu)模型主要計(jì)算指標(biāo)

圖10 地震和風(fēng)荷載作用下層間位移角曲線

(2)從表4計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),不考慮屋頂以上網(wǎng)殼部分,整個(gè)6層框架支撐結(jié)構(gòu)中,框架部分傾覆力矩百分比均小于50%。說(shuō)明大部分水平荷載由支撐承擔(dān),同時(shí)框架也承擔(dān)了適當(dāng)比例的水平荷載,支撐的布置數(shù)量比較適當(dāng)。

表4 框架部分傾覆力矩百分比/%

4.4 結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)

根據(jù)高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)程中3.8條的要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的高度、規(guī)則性及重要性,此項(xiàng)目性能化目標(biāo)定為C,其對(duì)應(yīng)的具體細(xì)化要求如表5所示。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算得知,小、中、大震烈度下的最大層間位移角依次為1/2 163、1/1 122、1/344,結(jié)構(gòu)層間位移角均可以滿足性能目標(biāo)要求;中部躍層柱、1～2層的柱和斜撐是關(guān)鍵構(gòu)件,承載力均可以滿足性能目標(biāo)要求;首層代表性位置的構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11,可看出有一定的裕量。同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)采取加強(qiáng)措施:采用梁端翼緣擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn);梁端豎向加肋;因大部分樓層樓板不連續(xù),對(duì)有條件加樓板的區(qū)域盡量增加樓板;樓板適當(dāng)加厚,并采用雙層雙向配筋,配筋率不小于0.25%;加強(qiáng)上部網(wǎng)殼與下部結(jié)構(gòu)之間的連接,在30m標(biāo)高樓面沿網(wǎng)殼支座底做截面為□1 000×400×20×30的箱形大梁。

表5 關(guān)鍵構(gòu)件性能目標(biāo)C具體細(xì)化要求

圖11 首層代表性位置的構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.5 屋蓋網(wǎng)殼變形分析

屋蓋單層網(wǎng)殼形式采用單向斜桿正交正放網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為2.5m,除最下排網(wǎng)格桿件采用φ299×14圓鋼管外,其他桿件均采用φ245×10圓鋼管,桿件之間的連接均為相貫節(jié)點(diǎn),桿件間連接為固接,面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度取桿件幾何長(zhǎng)度的90%,面外計(jì)算長(zhǎng)度取桿件幾何長(zhǎng)度的1.6倍。荷載考慮恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震作用及溫度作用。按建設(shè)方預(yù)估的進(jìn)度計(jì)劃,結(jié)構(gòu)合攏時(shí)期溫度在25℃左右,廣州市最低氣溫6℃,最高氣溫36℃,則考慮溫度荷載為±20℃。經(jīng)計(jì)算,恒荷載+活荷載標(biāo)準(zhǔn)值下網(wǎng)殼的最大豎向位移約25mm(圖12(a)),撓度為1/833,滿足規(guī)范1/400限值要求;風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下網(wǎng)殼的最大水平位移約53mm(圖12(b)),撓度為1/301,滿足規(guī)范1/250限值要求。

圖12 網(wǎng)殼變形/mm

單層網(wǎng)殼必須進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,本項(xiàng)目進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí),初始幾何缺陷取跨度的1/300,屈曲模態(tài)數(shù)量取8,第一階屈曲模態(tài)如圖13所示,以橫向(即短向)變形為主,各模態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表6。由表6可以看出,屋頂網(wǎng)殼前8階模態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)均大于《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[16]4.3.4條文說(shuō)明中要求的安全系數(shù)最小值4.2,因此穩(wěn)定性滿足要求。

表6 屋頂網(wǎng)殼前8階模態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)

圖13 網(wǎng)殼的第一階屈曲模態(tài)

4.6 屋蓋網(wǎng)殼對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)主體結(jié)構(gòu)設(shè)置網(wǎng)殼前后分別進(jìn)行了分析,結(jié)構(gòu)的變化如表7所示。由表7可見(jiàn),設(shè)置網(wǎng)殼后,結(jié)構(gòu)質(zhì)量、風(fēng)荷載下剪力、風(fēng)荷載下位移、柱和支撐及轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力比均變大,但因?yàn)橹芷谧冮L(zhǎng),地震作用下的剪力和位移反而稍有減小。

表7 設(shè)置網(wǎng)殼前后結(jié)構(gòu)的變化

4.7 屋蓋網(wǎng)殼與主體結(jié)構(gòu)之間的傳力分析

屋蓋網(wǎng)殼底部特別是弧形部分,存在較大的水平推力,為了保證網(wǎng)殼底部支座能把反力可靠傳至下部主體豎向構(gòu)件,在30m標(biāo)高樓面沿網(wǎng)殼支座區(qū)域設(shè)置截面為□1 000×400×20×30的箱形轉(zhuǎn)換鋼梁,如圖14所示,并滿鋪140mm厚混凝土板,采用雙層雙向配筋,配筋率不小于0.25%。網(wǎng)殼支座內(nèi)力取鉸接與剛接的包絡(luò)計(jì)算結(jié)果,典型桿件支座內(nèi)力如圖15所示,支座做法示意如圖16所示。

圖14 網(wǎng)殼水平力傳力途徑示意

圖15 典型桿件支座內(nèi)力

圖16 典型桿件支座做法示意

分析發(fā)現(xiàn),網(wǎng)殼內(nèi)力一部分先傳給樓層梁板,然后再傳至柱和斜撐,另一部分則直接傳遞到與之相連的柱和斜撐。

5 水平圓部分

5.1 屋蓋大跨區(qū)域結(jié)構(gòu)

防震縫右側(cè)水平圓中部分為兩個(gè)空曠區(qū)域,分別設(shè)置兩臺(tái)30t吊車,跨度分別為36.55m和26.55m,中部單層柱頂高度為20m,地面層設(shè)置航空輪胎剛度試驗(yàn)臺(tái)和磨損試驗(yàn)臺(tái),周邊設(shè)夾層做控制室,吊車位置的相關(guān)空間關(guān)系如圖17所示。主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是中部屋頂跨度較大,鋼柱的計(jì)算長(zhǎng)度較長(zhǎng),中部柱在X向其鋼柱的實(shí)際無(wú)支撐高度為20m。對(duì)于大跨屋蓋,前期做了多方案對(duì)比,對(duì)中部的36.55m×52m最大柱跨區(qū)域進(jìn)行研究,因短向跨度小于40m,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),做網(wǎng)架不具備優(yōu)勢(shì),因此主要考慮了交叉桁架方案和單向?qū)嵏沽悍桨?圖18、表8)。由圖18、表8可以看出,原建筑設(shè)計(jì)高度為23.45m,若采用交叉桁架方案,吊車凈空不滿足要求,需要增加建筑高度,增加后建筑高度超過(guò)24m,相關(guān)的消防、通風(fēng)做法均要比原設(shè)計(jì)提高,且對(duì)原建筑效果也有影響,綜合考慮,最終選擇了單向?qū)嵏沽悍桨浮?/p>

表8 水平圓屋蓋方案對(duì)比

圖17 吊車位置相關(guān)空間關(guān)系

圖18 大跨水平屋蓋方案

5.2 屋蓋風(fēng)荷載分析

水平圓部分的屋蓋接近于平屋蓋,不設(shè)置混凝土板,上面為鋁板幕墻,對(duì)風(fēng)荷載特別是風(fēng)吸力比較敏感。參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[5]表8.3.1中項(xiàng)次36,體型系數(shù)取-1.0,根據(jù)式(2)計(jì)算得出風(fēng)吸力標(biāo)準(zhǔn)值為-1.41kN/m2,將此荷載作為附加工況,并注意,此工況與恒荷載組合時(shí),風(fēng)吸力分項(xiàng)系數(shù)取1.5,恒荷載的分項(xiàng)系數(shù)取0.9。

ωk=βzμsμzω0

(2)

式中:ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù);μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);ω0為基本風(fēng)壓,kN/m2。

5.3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)

水平圓結(jié)構(gòu)模型主要計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表9。從表9可以看出,除了偶然偏心地震作用下最大位移比不滿足規(guī)范要求外,其他指標(biāo)均可滿足,X向最大位移比1.31雖然大于1.2,但遠(yuǎn)小于1.5,且對(duì)應(yīng)的X向最大層間位移角為1/2 597,遠(yuǎn)小于規(guī)范的限值1/250,因此可認(rèn)為結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的抗扭轉(zhuǎn)能力。

表9 水平圓結(jié)構(gòu)模型主要計(jì)算指標(biāo)

5.4 大跨屋蓋節(jié)點(diǎn)做法

參考《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》(16G519)[17],根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),屋頂大跨實(shí)腹梁與邊梁之間采用鉸接,與柱之間采用剛接,具體做法如圖19、圖20所示,現(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖21所示。

圖19 屋頂梁梁鉸接節(jié)點(diǎn)

圖20 屋頂梁柱剛接節(jié)點(diǎn)

圖21 現(xiàn)場(chǎng)梁柱連接節(jié)點(diǎn)施工照片

6 吊車相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)置了3臺(tái)30t吊車,吊車的空間關(guān)系見(jiàn)圖3、圖4及圖17。確定吊車梁的標(biāo)高時(shí),要綜合考慮吊鉤凈空要求、吊車梁高度、軌道高度、吊車高度及吊車安裝時(shí)需要的上部?jī)艨找蟮?。水平圓區(qū)域梁下凈空不滿足吊車安裝要求,通過(guò)模擬吊車實(shí)際安裝過(guò)程,調(diào)整屋頂次梁的位置,保證中間區(qū)域有3m×4m的梁格,利用此梁格空間實(shí)現(xiàn)了吊車安裝。參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[18]中吊車設(shè)計(jì)的內(nèi)容,并根據(jù)吊車的相關(guān)參數(shù),跨度最大的吊車區(qū)的吊車梁內(nèi)力計(jì)算如表10所示,根據(jù)此內(nèi)力,查找圖集《12m實(shí)腹式鋼吊車梁中級(jí)工作制(A4～A5) 345鋼》(05G514-3)[19](簡(jiǎn)稱05G514-3圖集)和《吊車軌道聯(lián)結(jié)及車擋(適用于鋼吊車梁)》(05G525)[20](簡(jiǎn)稱05G525圖集),選用吊車梁相關(guān)構(gòu)件,如表11、表12所示。吊車梁典型節(jié)點(diǎn)如圖22、圖23所示。

表10 吊車梁內(nèi)力設(shè)計(jì)值

表11 吊車梁及相關(guān)構(gòu)件選用信息

表12 吊車軌道聯(lián)結(jié)及車擋選用信息

圖22 吊車梁節(jié)點(diǎn)

圖23 現(xiàn)場(chǎng)吊車梁施工照片

7 幕墻相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目建筑效果是形似一平躺輪胎與一豎向輪胎的兩個(gè)圓的組合造型,整個(gè)主體外圍用幕墻包裹。胎圈必須有外鼓才能體現(xiàn)其輪胎的效果,外鼓區(qū)域通過(guò)幕墻找形來(lái)實(shí)現(xiàn)。找形桿件在外鼓不同位置處到主體結(jié)構(gòu)的距離長(zhǎng)短不一,最長(zhǎng)接近3m,若找形桿件直接從主體結(jié)構(gòu)焊接懸挑,根部彎矩在主體結(jié)構(gòu)邊梁上產(chǎn)生很大的扭矩,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)極為不利。通過(guò)研究找形桿件的特點(diǎn),在找形懸挑桿件間拉斜桿,形成桁架的效果,找形桿件與主體結(jié)構(gòu)相連處改為鉸接,釋放根部彎矩,這樣對(duì)主體結(jié)構(gòu)邊梁基本上不產(chǎn)生扭矩作用,受力狀況簡(jiǎn)單、合理,如圖24～26所示。幕墻桿件計(jì)算時(shí),建立包含主體結(jié)構(gòu)的整體模型,同時(shí)核算幕墻構(gòu)件和主體構(gòu)件承載力。

圖24 幕墻找形系統(tǒng)

圖25 幕墻剖面示意

圖26 幕墻安裝施工現(xiàn)場(chǎng)

8 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析

豎向圓結(jié)構(gòu)高度達(dá)49.2m,屬于高層鋼結(jié)構(gòu),需設(shè)計(jì)為埋入式、外包式或外露式剛接柱腳,埋入式和外包式施工非常麻煩,50m以下的高層可設(shè)計(jì)為外露式剛接柱腳,則施工相對(duì)簡(jiǎn)單。豎向圓和水平圓之間設(shè)了250mm寬防震縫,防震縫處為雙柱,按此尺寸間距無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙柱的柱腳各自獨(dú)立,需要設(shè)計(jì)為聯(lián)合柱腳。傳統(tǒng)做法是鋼柱柱腳底板為整體,底板以上柱子間各自獨(dú)立,若按此設(shè)計(jì),第一無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙柱的共同受力,第二無(wú)法利用雙柱剛度疊加的優(yōu)勢(shì),存在材料浪費(fèi),且難以準(zhǔn)確分析柱子各自受力時(shí)多種工況下對(duì)柱腳的實(shí)際作用,存在安全隱患。

針對(duì)以上問(wèn)題,研究了一種經(jīng)濟(jì)、安全,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作安裝簡(jiǎn)便的雙鋼柱聯(lián)合外露式剛接柱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。對(duì)柱根部1.5倍柱截面高度范圍內(nèi)進(jìn)行整體性處理:首先在兩個(gè)鋼柱相對(duì)面焊接抗剪栓釘,然后將兩個(gè)鋼柱在此高度范圍通過(guò)柱間連接板焊接在一起,再通過(guò)環(huán)板繞雙柱一周,環(huán)板與鋼柱間用角焊縫連接,最后通過(guò)預(yù)留的澆筑孔往柱內(nèi)及柱間澆筑C40混凝土。對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析,有限元分析時(shí)取最不利內(nèi)力組合,圖27為聯(lián)合處理前后該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖,可以看出,雙柱聯(lián)合之后結(jié)果滿足承載力要求,與雙柱聯(lián)合之前相比柱根部應(yīng)力明顯減小。圖28為柱腳施工現(xiàn)場(chǎng),圖29為雙柱柱腳節(jié)點(diǎn)詳圖。

圖27 柱腳節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖/(N/mm2)

圖28 柱腳施工現(xiàn)場(chǎng)

圖29 雙柱柱腳節(jié)點(diǎn)詳圖

9 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目目前已投入使用,實(shí)際效果完全體現(xiàn)出了建筑的意向,使用方反映良好。本項(xiàng)目的航空輪胎大科學(xué)裝置建筑實(shí)際上是一個(gè)用于航空輪胎試驗(yàn)的大跨度超高鋼結(jié)構(gòu)廠房,但又與普通廠房不同,其同時(shí)兼具產(chǎn)業(yè)吸引、文化展示、科普教育等功能。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),不但要考慮試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行時(shí),需要的空間尺度、特殊振動(dòng)等,也要考慮建筑的造型。針對(duì)大跨、超高,利用吊車支撐設(shè)計(jì)為強(qiáng)支撐框架來(lái)減小柱截面;針對(duì)建筑輪胎造型,屋面設(shè)計(jì)為柱面網(wǎng)殼,實(shí)現(xiàn)建筑效果的同時(shí)也節(jié)約了材料;針對(duì)防震縫處的雙柱,設(shè)計(jì)了雙柱聯(lián)合剛接柱腳,充分利用雙柱疊合剛度,使柱根部應(yīng)力大為減小。