珠海無人船基地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

申廣宇

（深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司 深圳518000）

1 工程概況

珠海無人船基地位于廣東省珠海市高新區(qū)唐家港南、情侶路北側(cè)，是一座集辦公、產(chǎn)業(yè)研發(fā)、多功能廳為一體的綜合體。項(xiàng)目總建筑面積52 230.18 m2，平面尺寸為97 m×141 m。設(shè)1 層地下室，層高5 m，主要功能是停車場(chǎng)、設(shè)備機(jī)房，下設(shè)核（常）6 級(jí)人防；地上建筑共 9 層，層高分別為 6.5 m、4.2 m、6 m、4 m（2 層）、5.2 m（2 層）、5.8 m 和 5.4 m，主體高度 46.3 m，主要功能為辦公、研發(fā)、及產(chǎn)品展示。建筑等級(jí)為一級(jí)，耐火等級(jí)為一級(jí)。整體造型為兩條船，船頭和船尾相連，建筑效果如圖1 所示。根據(jù)建筑造型，建筑基底小，層層外挑，越往上外挑得越長(zhǎng)，具體如圖2 所示。兩條船在船尾融為一體，在船頭通過跨度為46 m 的連廊相連。根據(jù)平面布局，在P、N 軸設(shè)抗震縫兼變形縫，將結(jié)構(gòu)分為左船頭、右船頭、船尾，連廊4 部分，典型平面圖如圖3 所示。

2 設(shè)計(jì)條件

無人船主體設(shè)計(jì)使用年限是50 年，抗震設(shè)防烈度為7 度，結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)是二級(jí)，基本風(fēng)壓是0.85 kN/m2（50 年重現(xiàn)期），地面的粗糙度是A 類，抗震設(shè)防類別是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，設(shè)計(jì)分組是第二組，地震加速度是0.1g（按新區(qū)劃圖?。?，場(chǎng)地類別是Ⅲ類，特征周期是0.55 s，阻尼比對(duì)風(fēng)荷載取0.02，對(duì)地震作用取0.04，周期折減系數(shù)取0.9，嵌固端取地下室頂板。

圖1 整體效果Fig.1 Overall Rendering

圖2 建筑輪廓線及基底示意Fig.2 Outline of the Building and Basement

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 地質(zhì)條件

根據(jù)珠海市建筑工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司提供的《無人船基地建設(shè)場(chǎng)地巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告》，場(chǎng)地主要土（巖）層由上至下主要為：①雜填土，成分不均勻，呈松散狀，為高壓縮性土，土體不均勻，全場(chǎng)分布，fak=80 kPa；②淤泥質(zhì)土，流、軟塑，飽和，主要成分為黏粒，光澤反應(yīng)光滑，細(xì)膩，搖振無反應(yīng)，干強(qiáng)度為中等，韌性低，屬于高壓縮性土，全場(chǎng)分布，fak=50 kPa；③礫質(zhì)黏性土，是花崗巖風(fēng)化后的殘積土，濕潤(rùn)，可、硬塑狀，干強(qiáng)度比較高，韌性較小，土質(zhì)不均勻，屬中壓縮性土，fak=210 kPa；④全風(fēng)化花崗巖，硬塑，可辨原巖結(jié)構(gòu)，風(fēng)化程度不均勻，分布覆蓋全場(chǎng)地，歸為極軟巖，巖體的基本質(zhì)量等級(jí)是Ⅴ級(jí)，fak=330 kPa；⑤強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖體極其破碎，裂隙非常發(fā)育，歸為極軟巖，巖體的基本質(zhì)量等級(jí)是Ⅴ級(jí)，分布覆蓋全場(chǎng)地，fak=450 kPa；⑥中風(fēng)化花崗巖，巖石的質(zhì)量是極差～較差，歸為軟～較軟巖，巖體的基本質(zhì)量等級(jí)是Ⅳ級(jí)，整個(gè)場(chǎng)地都有揭露，fak=2 500 kPa。

地下水位較淺，勘察時(shí)測(cè)出水位穩(wěn)定在0.30～3.20 m，相應(yīng)標(biāo)高為-0.28～5.30 m，地下水位隨季節(jié)產(chǎn)生變化。

3.2 基礎(chǔ)及地下室設(shè)計(jì)

由于場(chǎng)地地下水埋藏較淺，場(chǎng)地上部為雜填土和淤泥質(zhì)土或淤泥，不能采用天然地基淺基礎(chǔ)；從場(chǎng)地巖土條件、施工難度、施工和建筑物的安全等綜合分析后，決定采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)。塔樓范圍內(nèi)采用直徑500 mm 的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁，樁端的持力層是第5 層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，有效樁長(zhǎng)大約為16～22 m，單樁豎向承壓承載力特征值為2 300 kN，塔樓外局部采用抗拔樁抗浮，抗拔承載力特征值為400 kN。地下室底板采用400厚防水板，地下室頂板結(jié)構(gòu)為加腋大板結(jié)構(gòu)，多數(shù)框架梁截面為500 mm×1 000 mm、500 mm×800 mm，頂板多數(shù)板厚為250/500 mm，局部大跨度加厚至350/600 mm，非人防區(qū)的塔樓范圍內(nèi)板厚為180 mm。

4 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 左船頭、右船頭設(shè)計(jì)

左右船頭共4 層，建筑高度為23.8 m。結(jié)構(gòu)體系是方形鋼管混凝土柱、鋼梁帶支撐框架、現(xiàn)澆混凝土樓板結(jié)構(gòu)，方鋼管柱大部分截面是 800×800×25、600×600×20，內(nèi)灌注C40 自密實(shí)混凝土，這樣大大提高了鋼柱的承載能力，增加了鋼柱的剛度和延性；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，內(nèi)灌混凝土能吸收大量的熱，延緩鋼結(jié)構(gòu)溫度升高的時(shí)間，就算鋼柱部分屈服了，混凝土仍有一定的承載能力；由于內(nèi)灌注混凝土，減少了鋼結(jié)構(gòu)與空氣接觸的面積，可以提高鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力［1，2］。故在鋼管結(jié)構(gòu)中，可適當(dāng)灌注混凝土。

左船頭中部為大跨度框架，跨度為21 m，該框架梁截面取 H 1 200×400×20×35，框架梁兩端都設(shè)置了 4 m的懸挑梁，平面如圖4 所示。初始方案時(shí)，大跨框架兩端無懸挑梁，由于跨度太大，梁跨中應(yīng)力超限，擾度也不滿足規(guī)范要求［3］，框架柱為大偏心受壓。后決定在兩端增加懸挑端，這樣可加大框架梁的支座負(fù)彎矩，并且減少該梁的跨中彎矩，使鋼梁受力更均勻，框柱受力更合理。調(diào)整后，框架梁擾度僅為27 mm（1/777），應(yīng)力比為0.64。

圖4 左船頭第3 層平面Fig.4 The Third Floor Plan of the Front-left Building

左右船頭北面端頭，根據(jù)建筑造型，結(jié)構(gòu)需懸挑17.25 m，如圖4 所示。設(shè)計(jì)之初便進(jìn)行了方案比較，其中的2 個(gè)方案如圖5 所示。方案1 結(jié)合建筑外皮幕墻設(shè)計(jì)，先從柱側(cè)邊設(shè)置橫向懸挑桁架，再沿橫向懸挑桁架端部設(shè)置兩榀縱向懸挑桁架；方案2 直接沿鋼柱中心懸挑桁架，且根據(jù)建筑造型，底部可以設(shè)置斜撐，進(jìn)一步減小桁架懸挑長(zhǎng)度。方案1 后續(xù)幕墻無需設(shè)支撐體系，不占用建筑空間，但是通過轉(zhuǎn)換將荷載傳導(dǎo)至豎向構(gòu)件傳力不直接，經(jīng)濟(jì)性差，用鋼量約為501 t；方案2 會(huì)占用一定的建筑空間，但并不影響使用功能，傳力直接，經(jīng)濟(jì)性好，用鋼量約為375 t。綜合分析，決定采用方案2，結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土框架中心支撐結(jié)構(gòu)，剖面如圖6 所示。桁架高度定為2.550 m，懸挑部分桁架腹桿沿同一方向布置，豎向荷載作用下腹桿主要為受拉構(gòu)件，腹桿截面尺寸大部分取□400×300×18×18 等。桁架的應(yīng)力分布情況如圖7 所示，考慮到該桁架是懸挑結(jié)構(gòu)，控制應(yīng)力比小于0.7。

圖5 船頭懸挑桁架Fig.5 Steel Cantilevered Truss of the Prow

圖6 船頭懸挑桁架立面Fig.6 Steel Cantilevered Truss Elevation of the Pow

圖7 船頭懸挑桁架應(yīng)力分布Fig.7 Stress Distribution of Steel Cantilevered Truss of the Pow

4.2 連廊設(shè)計(jì)

左右船頭在3、4 層設(shè)置1 道連廊相連，連廊跨度46 m，采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架高度6.3 m，立面如圖8 所示。桁架上下弦桿截面為□550×300×18，中間的腹桿為□400×300×14，靠近支座處腹桿為□550×300×18。

圖8 連廊桁架Fig.8 Corridor Truss

因兩側(cè)船體振動(dòng)特性存在差別，為減小二者之間的相互影響，連廊與左船體采用鉸接支座，與右船體采用滑動(dòng)支座連接，如圖8 所示。支座采用左右船頭的柱子上伸出牛腿，具體構(gòu)造如圖9、圖10 所示，支座長(zhǎng)度經(jīng)計(jì)算確定。根據(jù)《建筑氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)（廣東省標(biāo)準(zhǔn)）：DBJ 15-1-90》，珠海地區(qū)屬于亞熱帶海洋性氣候，年平均氣溫22.4℃，最熱的月（7 月）平均氣溫是28.6℃，極端最高溫度達(dá)到38.5℃；最冷月（1 月）平均氣溫14.5℃，極端最低氣溫2.5℃。取施工合龍溫度為12～25℃，考慮施工時(shí)維護(hù)幕墻尚未安裝，結(jié)構(gòu)裸露在室外時(shí)，考慮太陽日照輻射，溫升時(shí)結(jié)構(gòu)表面溫度增加11℃［4-6］。鋼結(jié)構(gòu)升溫 37.5℃，降溫 22.5℃，計(jì)算得出溫度作用下桁架的最大變形為19 mm。另考慮到，支座柱在罕遇地震下的水平位移是121 mm。溫度變形與罕遇地震變形不同時(shí)考慮，最終計(jì)算出滑動(dòng)支座的X向可滑移長(zhǎng)度為±250 mm。連廊應(yīng)力分布情況如圖11 所示，控制應(yīng)力比小于0.8。

圖9 連廊固定支座Fig.9 Fixed Support of Corridor Truss

4.3 船尾設(shè)計(jì)

船尾部分地上9 層，地下設(shè)1 層地下室，建筑屋面高度44.40 m。結(jié)構(gòu)體系采用矩形鋼管混凝土柱、鋼梁帶支撐框架、現(xiàn)澆混凝土樓板結(jié)構(gòu)。由于建筑高度比較高，鋼框架結(jié)構(gòu)剛度有點(diǎn)偏弱，結(jié)合建筑布置，在樓電梯井位置設(shè)置支撐，形成筒體效果以增加結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，如圖12 所示，柱間跨度較小時(shí)采用單斜撐，跨度較大時(shí)采用K 型支撐。鋼框架柱截面由□750×750×35、□600×600×25 逐漸變?yōu)椤?00×500×20、□400×400×16。

圖10 連廊滑動(dòng)支座Fig.10 Slip Support of Corridor Truss

圖11 連廊應(yīng)力分布圖Fig.11 Stress Distripution of Corridor Truss

圖12 船尾整體模型Fig.12 Overall Model of the Stern

船尾 12～13 軸交 G～L 軸，設(shè)置了 4 根貫穿 3 層躍層柱；柱截面為□750×750×35，柱長(zhǎng)度為 16.6 m，采用有限元求出躍層柱屈曲模態(tài)，利用屈曲模態(tài)采用歐拉屈曲公式確定該柱的計(jì)算長(zhǎng)度=19 208 mm，再在整體模型中修改此柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1.16。經(jīng)計(jì)算，該柱應(yīng)力比為0.4。

船體5～9 層兩側(cè)翼層層外挑，越往上，外挑越長(zhǎng)，最大懸挑達(dá)到15 m 左右；船體南面與船體內(nèi)側(cè)翼也存在類似懸挑，最大懸挑達(dá)到10 m。針對(duì)這些懸挑，如果單純采用鋼梁懸挑，優(yōu)點(diǎn)是不影響建筑使用功能，但缺點(diǎn)也很明顯：桿件內(nèi)力分布不均勻，材料利用率低，桿件斷面大，懸挑梁截面為H1500×400，懸挑端部豎桿截面□800×300，整體結(jié)構(gòu)為空腹桁架受力模式，整體的模型如圖13a 所示，單榀用鋼量為73 t。針對(duì)上述問題，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)方案，5～6 層采用整層桁架懸挑，7～9 層設(shè)置豎向桿件，整體模型如圖13b 所示，雖然犧牲了一定的建筑使用功能，但是從構(gòu)件受力角度考慮，內(nèi)力分布較均勻，材料利用率高，內(nèi)力峰值較小，結(jié)構(gòu)安全性更好，整體結(jié)構(gòu)形成空間桁架體系，單榀用鋼量為42 t。船尾桁架剖面如圖14 所示。桁架的上弦桿截面大小為□600×400×20，桁架的下弦桿截面大小為□600×500×20，腹桿的截面大小為□500×400×25，7～9 層懸挑梁的截面大小為 H600×300×12×20。計(jì)算應(yīng)力如圖15 所示，應(yīng)力比控制在0.75 以內(nèi)。

圖13 船尾整體模型Fig.13 Overall Model of the Stern

圖14 船尾懸挑桁架立面Fig.14 Cantilever Truss Elevation of the Stern

圖15 船尾桁架內(nèi)力Fig.15 Stress Distribution of the Truss of the stern

5 幾個(gè)關(guān)鍵問題的解決

5.1 樓板舒適度分析

本工程船頭船尾均為大懸挑結(jié)構(gòu)，連廊跨度也很大，其豎向自振頻率與人行激勵(lì)相接近，有必要進(jìn)行舒適度分析?，F(xiàn)以船頭為例進(jìn)行說明。由結(jié)構(gòu)分析可知船頭在第14 模態(tài)主要表現(xiàn)為懸挑部分的豎向振動(dòng)（見圖16），頻率為3.08 Hz ＞3 Hz，滿足規(guī)范要求。由于該頻率屬于易與人行頻率產(chǎn)生共振的區(qū)域，因此對(duì)船頭懸挑進(jìn)行豎向振動(dòng)加速度補(bǔ)充驗(yàn)算，驗(yàn)算樓板豎向加速度主要考慮人行荷載，人行荷載取連續(xù)行走荷載及跳躍荷載，分別考慮單人、多人連續(xù)行走及單人、多人跳躍荷載［7-10］，計(jì)算所得各激勵(lì)荷載頻率分別為 1.6 Hz、2.0 Hz和2.4 Hz 時(shí)，結(jié)構(gòu)豎向加度度峰值如表1、表2 所示。

圖16 船頭豎向局部振動(dòng)Fig.16 Vertical Local Vibration of the Bow

表1 連續(xù)走步荷載作用下結(jié)構(gòu)豎向加速度峰值Tab.1 Peak Value of Vertical Acceleration of Structure under Continuous Walking Load（m/s2）

表2 跳躍荷載作用下結(jié)構(gòu)豎向加速度峰值Tab.2 Peak Value of Vertical Acceleration of Structure under Jumping Load （m/s2）

樓板的豎向自振頻率是3 Hz 時(shí)，其對(duì)應(yīng)著加速度峰值的限值為0.06 m/s2。由以上分析可知船頭懸挑處樓板豎向加速度峰值均滿足規(guī)范要求。

5.2 施工順序分析

本工程中的大懸挑桁架、連廊桁架，由于桁架作為整體受力，相當(dāng)于一根懸挑梁或者梁，故只能在上層的上弦桿、下層的下弦桿以及相應(yīng)的腹桿施工完成后，方可拆除下面的施工支撐。本工程在樓電梯井周邊設(shè)置的中心支撐，主要目的是抵抗側(cè)向力，增加體系側(cè)向剛度，故應(yīng)在主體梁板柱結(jié)構(gòu)施工完成后，再施工中心支撐［11］。在建模計(jì)算時(shí)，也定義中心支撐的施工順序要在主體結(jié)構(gòu)完成后進(jìn)行。

6 結(jié)論

懸挑鋼桁架承載力高、自重輕、傳力直接，既經(jīng)濟(jì)，又完美地與建筑造型融為一體。

帶支撐的框架增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，因此減弱了在風(fēng)荷載作用下的側(cè)移，減少了P-△效應(yīng)，增加了建筑物的舒適度。

將連廊與主體的連接設(shè)置成滑動(dòng)支座，有效地避免了結(jié)構(gòu)平面的不規(guī)則性，使得結(jié)構(gòu)受力分析簡(jiǎn)單、明了、可靠，分析與實(shí)際相符合。可自由滑動(dòng)長(zhǎng)度需考慮結(jié)構(gòu)整體位移、構(gòu)件自身的收縮變形及安裝誤差，并適當(dāng)留一點(diǎn)富余。

通過對(duì)大懸挑、大跨度部位的樓板舒適度分析，表明樓板滿足舒適度要求。

通過合理地設(shè)置施工加載順序，優(yōu)化構(gòu)件的內(nèi)力設(shè)計(jì)。