第十屆中國(guó)花卉博覽會(huì)復(fù)興館結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

劉桂然, 李夢(mèng)露

(上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概況

第十屆中國(guó)花卉博覽會(huì)建設(shè)項(xiàng)目位于上海市崇明島中北部的東平國(guó)家森林公園及周邊地區(qū),復(fù)興館為主場(chǎng)館,用地面積約為5.7萬(wàn)m2,期間承擔(dān)了35個(gè)省、直轄市、自治區(qū)及港澳臺(tái)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(wàn)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(cuò)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(shí)景圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g),抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi),場(chǎng)地類(lèi)別為上海Ⅲ類(lèi),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(jì)

本工程局部地下室一層,地下室埋深約5.15m,無(wú)地下室基礎(chǔ)埋深約2.90m。對(duì)于有地下室范圍采用了樁基+筏板的基礎(chǔ)形式;對(duì)于無(wú)地下室區(qū)域,采用樁+承臺(tái)+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(jì)時(shí),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(wú)地下室范圍的樁長(zhǎng)約30m,單樁抗壓承載力特征值為1 050kN;有地下室范圍的樁長(zhǎng)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(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)選型與布置

由于本場(chǎng)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)?？紤]建筑效果要求并根據(jù)本項(xiàng)目樓板較少、屋蓋在長(zhǎng)向呈波浪形有利于溫度應(yīng)力釋放等特點(diǎn),整體結(jié)構(gòu)未設(shè)縫。結(jié)構(gòu)平面和剖面圖見(jiàn)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(xiàng):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(cuò)層、局部樓層存在穿層柱和夾層等。結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)共有三項(xiàng),屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

3.2 結(jié)構(gòu)概念分析與計(jì)算假定

本項(xiàng)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(gè)樓層具體的情況判斷,并確定用以模型計(jì)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(jì)算和判定時(shí)忽略?shī)A層的影響,在內(nèi)力分析時(shí)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(diǎn)相連;分析計(jì)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(xiàng)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(gè)空間層,考察結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性指標(biāo)時(shí),按整體考慮。

結(jié)構(gòu)存在較多穿層柱,且屋面有錯(cuò)層,對(duì)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(diǎn)高差較大,抗側(cè)構(gòu)件的長(zhǎng)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(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的準(zhǔn)確評(píng)估。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震分析與計(jì)算

結(jié)合本工程的實(shí)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(cuò)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(mǎn)足設(shè)防地震下不屈服。

多遇地震作用下采用YJK軟件對(duì)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的主要指標(biāo)見(jiàn)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(dòng),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(mǎn)足1/250的限值要求;剪重比(表2)均滿(mǎn)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(jì)結(jié)果。

表3 結(jié)構(gòu)分區(qū)統(tǒng)計(jì)位移

圖6 三層平面布置示意圖及分區(qū)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)編號(hào)

3.4 嵌固端選擇及設(shè)計(jì)

復(fù)興館的首層無(wú)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(wú)結(jié)構(gòu)梁板。首層的結(jié)構(gòu)布置如圖3(a)所示。

承臺(tái)頂面位于-2.00m標(biāo)高處,±0.00標(biāo)高至承臺(tái)頂面為混凝土柱腳,鋼柱下插至承臺(tái)頂面。根據(jù)《鋼準(zhǔn)》[5]中對(duì)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(tái)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(dú)一榀框架結(jié)構(gòu),按照有無(wú)下部混凝土柱結(jié)構(gòu)模型,分析首層以下的混凝土柱對(duì)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(shí),得到模型1A和模型1B(圖8)。其中,模型1A中鋼柱長(zhǎng)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(zhǎng)12m,鋼柱截面同模型1A,鋼柱下端為2m長(zhǎng)混凝土柱墩,總長(zhǎng)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(jì)算簡(jiǎn)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(tái)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(tái)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(yàn)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(yàn)證模型中,當(dāng)±0.00標(biāo)高以上鋼柱截面相同時(shí),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(wú)樓層約束的柱墩截面大15%～20%,此時(shí)能夠滿(mǎn)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(jì)算嵌固端[6]。

3.5 錯(cuò)列波浪形屋面分析與設(shè)計(jì)

由于建筑對(duì)于屋面造型和使用功能的要求,屋面造型為多條錯(cuò)列的波浪,屋面高度為10～16m不等,四個(gè)展館和三個(gè)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(cuò)層和樓板開(kāi)洞情況,屋面產(chǎn)生了大量穿層柱和錯(cuò)層框架柱,對(duì)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(guò)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(jì)時(shí)在這些位置設(shè)置水平拉桿,拉桿布置見(jiàn)圖3(c)中虛線(xiàn)框內(nèi)的6個(gè)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(dòng),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(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的實(shí)現(xiàn)起到了必要性作用。

對(duì)于屋面的平面不規(guī)則,分析了錯(cuò)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(shí)[7],能夠滿(mǎn)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(jì)算需要,配置φ8@150板頂鋼筋即可滿(mǎn)足計(jì)算需要,計(jì)算無(wú)需板底鋼筋,因此在樓板角部和邊緣處布置板底通長(zhǎng)鋼筋,由板底鋼筋的面積加上板中附加鋼筋的面積以滿(mǎn)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(zhǎng)度303m,寬度123m,整個(gè)屋面設(shè)計(jì)為不設(shè)縫的超長(zhǎng)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(mǎn)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(xiàng)目屋蓋沿長(zhǎng)向波浪形的特征,以及屋面較多開(kāi)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(jì)

對(duì)于穿層柱和樓板錯(cuò)層處的框架柱,提出抗震性能設(shè)計(jì)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(yàn)算,框架柱最大應(yīng)力比約為0.98,可實(shí)現(xiàn)既定的抗震性能目標(biāo)。

3.8 多遇地震彈性時(shí)程分析

彈性時(shí)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(xiàn)與反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)相比,在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)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(dòng)力時(shí)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(jì)時(shí),將采用振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)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(xiàng)不規(guī)則的多層建筑,設(shè)計(jì)中對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件提出了合理的抗震性能目標(biāo)。通過(guò)分析和設(shè)計(jì),并對(duì)薄弱位置進(jìn)行加強(qiáng),結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件可滿(mǎn)足預(yù)期目標(biāo)。

(1)通過(guò)對(duì)嵌固部位的專(zhuān)項(xiàng)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(kāi)大洞或坡屋頂錯(cuò)層造成的樓板不連續(xù),對(duì)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(duì)于樓板不連續(xù)的樓層,對(duì)其扭轉(zhuǎn)位移比按照實(shí)際情況采用分塊統(tǒng)計(jì),控制每個(gè)區(qū)域內(nèi)的扭轉(zhuǎn)位移比不超過(guò)1.2。

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

(5)對(duì)于關(guān)鍵鋼框架柱(穿層柱、錯(cuò)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(mǎn)足應(yīng)力比小于1.0的要求。