新國(guó)展二期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)*

李 芊, 宋子魁, 鈕亞楠, 常 婷, 蘇伏龍, 郝振宇, 張 琳, 韓 巍

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

新國(guó)展二期項(xiàng)目位于北京市順義區(qū)臨空經(jīng)濟(jì)區(qū),北至安華街,南至新國(guó)展一期地塊。項(xiàng)目為落實(shí)首都“四個(gè)中心”戰(zhàn)略定位,服務(wù)國(guó)際交往中心建設(shè)、承擔(dān)重大外交外事活動(dòng)的大型會(huì)展綜合體,主要由展覽中心、會(huì)議中心、酒店、多功能附屬配套設(shè)施等組成(圖1)。項(xiàng)目總建筑面積約61.1萬(wàn)m2,地上建筑面積約43.8萬(wàn)m2,地下建筑面積約17.3萬(wàn)m2。展覽中心位于場(chǎng)地中央,會(huì)議中心、酒店設(shè)置于場(chǎng)地北側(cè),在東側(cè)、北側(cè)、南側(cè)設(shè)置三個(gè)登錄廳作為觀眾主要出入口,東登錄廳為主登錄廳,會(huì)議中心及酒店主入口位于建筑北側(cè)。結(jié)構(gòu)整體地下一層,層高6.3m;局部地下二層,層高4.0m。地上設(shè)防震縫分為相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元,如圖2所示。

圖1 項(xiàng)目整體鳥(niǎo)瞰圖

圖2 新國(guó)展二期各結(jié)構(gòu)單體防震縫示意圖

展覽中心主要由2個(gè)無(wú)柱展廳、7個(gè)有柱展廳、連橋、東登錄廳、北登錄廳和南登錄廳組成。9個(gè)展廳地上2層,無(wú)柱展廳最大屋面高度26.15m,有柱展廳最大屋面高度21.95m,展廳均采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)+大跨度鋼屋蓋。東登錄廳地上3層,最大建筑高度38.15m,采用鋼框架結(jié)構(gòu)。北登錄廳地上2層,最大建筑高度23.85m,采用鋼框架結(jié)構(gòu)。南登錄廳地上3層,最大建筑高度23.85m,采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。會(huì)議中心,地上4層,最大建筑高度40.15m,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。酒店地上8層,最大建筑高度45m,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

本工程設(shè)計(jì)工作年限50年。展廳、東登錄廳、北登錄廳、連橋、會(huì)議中心抗震設(shè)防類別為乙類[1],結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí);南登錄廳、酒店抗震設(shè)防類別為丙類,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。抗震設(shè)防烈度8度(0.2g)第二組[2],建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類(Tg=0.55s)?；炷两Y(jié)構(gòu)阻尼比為0.05,鋼結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04。基本風(fēng)壓w0取0.45kN/m2,對(duì)風(fēng)敏感部位承載力按基本風(fēng)壓的1.1倍設(shè)計(jì)[3],地面粗糙度類別為B類。

2 展廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

展廳單個(gè)平面尺寸為100.8m×245m,分為序廳、功能用房、展區(qū)三部分。2個(gè)無(wú)柱展廳凈高16m(至屋架下弦),為多功能展廳可兼辦體育及演出活動(dòng)。7個(gè)有柱展廳凈高13m,為普通展廳,展區(qū)中央設(shè)4個(gè)混凝土柱,柱距36～48m。各展廳主體均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),屋蓋為鋼桁架結(jié)構(gòu)。

2.1 展廳大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)柱展廳鋼屋蓋采用三角形立體管桁架+輕型金屬屋面板(圖3、圖4),沿展館縱向18m柱距布置11榀99.3m跨主桁架,主桁架兩端采用固定鉸支座與下部混凝土結(jié)構(gòu)相連。為增加屋蓋整體穩(wěn)定性,沿縱向設(shè)有兩道三角形立體桁架作為拉結(jié)桁架,南北兩端設(shè)立體邊桁架,另設(shè)有3道上弦水平支撐。屋蓋檁條采用H型鋼,通過(guò)檁托與屋蓋整體脫開(kāi),為釋放溫度應(yīng)力,檁條一端設(shè)長(zhǎng)圓孔。主桁架結(jié)合屋面排水坡度,桁架端部高3.9m,跨中高6m,桁架兩上弦間距6m。桁架下弦桿采用Q345GJ,其余桿件均為Q355B。屋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)算用鋼量約為153kg/m2。

圖3 無(wú)柱展廳結(jié)構(gòu)三維模型圖

圖4 無(wú)柱展廳單榀管桁架結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖

有柱展廳鋼屋蓋采用平面桁架+輕型金屬屋面板(圖5),沿展區(qū)中央縱向設(shè)置一榀5跨連續(xù)主桁架,主桁架兩端與混凝土柱剛接,中間設(shè)固定鉸支座與混凝土柱相連。沿展館縱向12m柱距布置17榀49.8m跨次桁架,次桁架支座采用固定鉸支座。通過(guò)沿縱向設(shè)置兩道平面拉結(jié)桁架、兩道邊桁架和水平支撐體系以增強(qiáng)屋蓋整體穩(wěn)定性。主桁架高6m,次桁架高3～6m,桿件均采用工字形截面,鋼材采用Q355B。屋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)算用鋼量約為96.3kg/m2。

圖5 有柱展廳三維模型圖

展廳屋蓋采用金屬屋面,綜合考慮設(shè)備吊掛等荷載,屋蓋恒載取1.5kN/m2,風(fēng)荷載按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[3]及風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果包絡(luò)取值,為±0.5kN/m2,特殊造型位置按風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果取值。溫度荷載取升溫26℃,降溫33℃。

各工況組合下,主要受力構(gòu)件(桁架上、下弦,支座附近腹桿)應(yīng)力比小于0.9,次要受力構(gòu)件(腹桿、水平支撐、檁條)應(yīng)力比小于0.95,撓跨比小于1/300,結(jié)構(gòu)承載力及剛度滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[4]要求。

2.2 鋼屋蓋非線性承載力分析

對(duì)各展廳鋼屋蓋進(jìn)行了考慮雙非線性的承載力分析[5]。以無(wú)柱展廳為例,荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、活載和風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。分析中鋼材采用理想彈塑性模型。計(jì)算模型按照結(jié)構(gòu)第一階屈曲模態(tài)施加l/300的初始缺陷(l為桁架跨度)[6]。

選取立體桁架下弦跨中節(jié)點(diǎn)作為典型節(jié)點(diǎn),其荷載-位移曲線見(jiàn)圖6,同時(shí)考慮幾何非線性和材料非線性,結(jié)構(gòu)極限荷載為荷載標(biāo)準(zhǔn)值的4倍,滿足安全系數(shù)K>2的要求[6]。隨著荷載的增加,結(jié)構(gòu)的剛度也逐漸變小。

圖6 典型節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線

2.3 鋼屋蓋抗連續(xù)倒塌分析

無(wú)柱展廳兼辦體育及演出活動(dòng),大空間區(qū)域人員密集,結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的安全性。設(shè)計(jì)對(duì)鋼屋蓋桁架關(guān)鍵部位進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析。

分別選取主桁架跨中上弦桿、下弦桿及支座處斜腹桿作為關(guān)鍵構(gòu)件,位置見(jiàn)圖4。采用拆除構(gòu)件法分別拆除關(guān)鍵構(gòu)件后對(duì)剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性靜力分析,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 抗連續(xù)倒塌計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,拆除跨中上、下弦桿后,剩余桁架桿件及周邊相連構(gòu)件最大應(yīng)力均小于鋼材屈服強(qiáng)度,承載力滿足要求。當(dāng)拆除支座處斜腹桿后,桁架端部近似于空腹桁架結(jié)構(gòu)體系,上弦桿端部除受軸力外,還需承受較大彎矩,因此其應(yīng)力水平遠(yuǎn)超限值。

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)[7]3.9.6條規(guī)定,當(dāng)拆除某構(gòu)件不能滿足結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)要求時(shí),在該構(gòu)件表面附加80kN/m2偶然撞擊荷載,此時(shí)其承載力應(yīng)滿足Rd≥SGK+0.6SQk+SAD,其中Rd為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值,SGK為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng),SQk為活荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng),SAD為側(cè)向偶然作用設(shè)計(jì)值效應(yīng)。經(jīng)計(jì)算,對(duì)支座處腹桿施加側(cè)向偶然作用力后,該桿件最大應(yīng)力為207.2MPa,小于鋼材屈服強(qiáng)度355MPa,因此屋蓋鋼結(jié)構(gòu)滿足抗連續(xù)倒塌要求。

3 東登錄廳結(jié)構(gòu)體系和超限概述

東登錄廳由主樓結(jié)構(gòu)和屋蓋結(jié)構(gòu)組成(圖7)。主樓結(jié)構(gòu)典型剖面如圖8所示,采用鋼框架結(jié)構(gòu)。二層頂多功能展廳57m大跨度樓蓋采用箱形組合鋼梁,樓板采用疊合板。

圖7 東登錄廳三維模型圖

屋蓋結(jié)構(gòu)平面尺寸長(zhǎng)267m,西側(cè)寬117m,東側(cè)寬164m,為平面桁架結(jié)構(gòu)。屋蓋支撐結(jié)構(gòu)主要由框架柱、落地鋼拱桁架、屋蓋弧形桁架組成。室外部分主受力桁架為縱向桁架,一端支承于鋼拱上,一端支承于弧形桁架上;室內(nèi)部分主受力桁架為跨向桁架;西側(cè)落地段主受力桁架為縱向桁架,一端落于三道跨向桁架上,一端落于僅提供豎向支承的支座上(圖9)。

圖9 東登錄廳屋蓋局部結(jié)構(gòu)示意圖

東登錄廳存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)、剛度突變等不規(guī)則項(xiàng),且鋼拱跨度148m,總體判定為體型特別不規(guī)則的超限高層建筑[8]。針對(duì)不規(guī)則情況,對(duì)整體結(jié)構(gòu)采用多種軟件進(jìn)行彈性對(duì)比分析,進(jìn)行小震彈性時(shí)程包絡(luò)設(shè)計(jì)。計(jì)算得出,各工況組合下,主要受力構(gòu)件(框架柱、梁、主桁架、鋼拱)應(yīng)力比小于0.85,次要受力構(gòu)件(次梁、次桁架、檁條)應(yīng)力比小于0.9。鋼框架位移角小于1/300,樓(屋)蓋撓跨比小于1/300,鋼拱、屋蓋弧形桁架撓跨比小于1/800,結(jié)構(gòu)承載力及剛度均滿足規(guī)范要求。大跨度樓蓋考慮單人行走、人群自由行走共4種工況[9-10]進(jìn)行舒適度分析,加速度峰值均小于限值0.15m/s2,滿足規(guī)范要求。

對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì),性能目標(biāo)為C級(jí)。對(duì)各關(guān)鍵部位設(shè)定性能目標(biāo):主要豎向構(gòu)件滿足中震彈性、大震不屈服;大跨重載樓蓋及屋蓋結(jié)構(gòu)主受力構(gòu)件滿足中震彈性、大震不破壞;主樓框架結(jié)構(gòu)的普通豎向構(gòu)件滿足中震彈性。罕遇地震各工況下框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/93,鋼拱最大位移角為1/107,滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

4 北登錄廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)體系

北登錄廳主體平面尺寸63m×100m,采用鋼框架結(jié)構(gòu)(圖10)。北側(cè)屋蓋為大跨度金屬屋面,平面尺寸為63m×35m,采用平面桁架結(jié)構(gòu)體系,南北向布置35m跨主桁架,主桁架高3m,桿件均采用工字形截面。東西向設(shè)有三道單側(cè)拉結(jié)桁架,全屋面布置交叉撐桿以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性及穩(wěn)定性。

圖10 北登錄廳三維模型圖

4.2 與會(huì)議中心、酒店相連通廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

北登錄廳與會(huì)議中心、酒店相連通廊結(jié)構(gòu)跨度約30m,采用主次梁結(jié)構(gòu)形式。通廊鋼梁與北登錄廳主梁鉸接,與會(huì)議中心及酒店連接端設(shè)置單向滑動(dòng)鋼支座,鋼支座沿通廊方向滑動(dòng)。通廊樓面為120mm厚混凝土板,屋面為金屬屋面。圖11為會(huì)議中心通廊結(jié)構(gòu)布置及主要計(jì)算結(jié)果,酒店通廊與此相似。

圖11 會(huì)議中心通廊結(jié)構(gòu)布置及計(jì)算結(jié)果

通廊鋼梁最大應(yīng)力比為0.78,恒載、活載標(biāo)準(zhǔn)組合下考慮起拱后撓跨比為l/750,小于限值l/400,滿足規(guī)范要求。考慮豎向地震作用,分別進(jìn)行小震彈性和中震不屈服分析,支座計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。支座設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3,其中支座位移量按中震不屈服取值控制。

表2 地震作用下8.4m標(biāo)高處支座計(jì)算結(jié)果

表3 8.4m標(biāo)高處單向滑動(dòng)球型鉸支座設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)單向滑動(dòng)鋼支座進(jìn)行實(shí)體有限元分析,圖12為應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。由圖12可以看出,在1倍荷載作用下,支座最大應(yīng)力約為299MPa;在2倍荷載作用下,支座最大應(yīng)力超過(guò)340MPa的單元數(shù)量較少,主要出現(xiàn)在上座板內(nèi)邊夾角處。由此可見(jiàn),鋼支座強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 單向滑動(dòng)鋼支座應(yīng)力云圖/MPa

5 連橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 結(jié)構(gòu)體系

地上展廳和登錄廳之間設(shè)置9個(gè)跨度約為72m的鋼結(jié)構(gòu)連橋。如圖13所示,單個(gè)連橋兩側(cè)各有一榀W形桁架,桁架高度為6.25m。連橋上、下平面設(shè)有水平撐桿以增加整體穩(wěn)定性。連橋樓面為150mm厚混凝土板,屋面為金屬屋面板。連橋采用摩擦擺支座置于兩側(cè)單體的鋼骨混凝土牛腿上(圖14)。摩擦擺支座計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 摩擦擺支座計(jì)算參數(shù)

圖13 連橋三維模型圖

圖14 連橋與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)

連橋桁架構(gòu)件均采用組焊方鋼管,鋼材采用Q355B(板厚<30mm)和Q420B(板厚≥30mm)。

5.2 小震承載力驗(yàn)算

對(duì)連橋進(jìn)行小震反應(yīng)譜分析,選用摩擦擺支座的線性特征值。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.03。前三階周期分別為T(mén)1=1.12s(Y向平動(dòng))、T2=0.83s(X向平動(dòng))和T3=0.63s(扭轉(zhuǎn))。桁架應(yīng)力比控制在0.8以內(nèi),屋面造型鋼架部分應(yīng)力比控制在0.95以內(nèi),均滿足設(shè)計(jì)要求。恒載和活載作用下?lián)峡绫葹閘/570,滿足規(guī)范對(duì)于結(jié)構(gòu)變形的要求(小于限值l/400)。小震下摩擦擺支座的變形量約為6mm,結(jié)果表明,小震下支座剛開(kāi)始滑動(dòng)。

5.3 大震支座變形驗(yàn)算

大震分析時(shí),摩擦擺支座的水平位移增大,非線性特征明顯,因此采用時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算,選用摩擦擺支座的非線性特征值,即根據(jù)初始剛度KP、動(dòng)摩擦系數(shù)μ、曲率半徑R隨支座水平位移D積分[11]。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04,周期折減系數(shù)取1.0。

選擇7條地震波進(jìn)行大震彈性時(shí)程分析,包括2條人工波和5條天然波。7條地震波作用下的支座相對(duì)位移平均值為169mm。由計(jì)算結(jié)果可知,摩擦擺支座設(shè)計(jì)允許滑動(dòng)量±200mm滿足大震下支座變形要求。

6 結(jié)語(yǔ)

新國(guó)展二期為包含展覽、會(huì)議、酒店、商業(yè)等多功能的大型會(huì)展綜合體,合理設(shè)置防震縫將各結(jié)構(gòu)單體分開(kāi)設(shè)計(jì)。針對(duì)各展廳、登錄廳等大跨度屋蓋,溫度作用影響、整體穩(wěn)定性、抗倒塌能力是設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)東登錄廳超限結(jié)構(gòu),需要合理制定抗震性能目標(biāo)。根據(jù)性能化設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析,考察罕遇地震作用下主體結(jié)構(gòu)抗震性能及關(guān)鍵構(gòu)件損傷情況。針對(duì)各區(qū)大跨度樓蓋需進(jìn)行樓板振動(dòng)分析,驗(yàn)算樓板舒適度。本工程各單體之間設(shè)置眾多連橋相連,跨度從20m到72m不等。采用鋼梁、鋼桁架等多種結(jié)構(gòu)形式,采用滑動(dòng)鋼支座、摩擦擺支座等多種連接方式滿足各結(jié)構(gòu)單體變形要求。限于篇幅,本文僅選取了幾個(gè)典型結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了介紹,希望能對(duì)類似工程起到一定借鑒作用。