華安縣“五館一中心”復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳躍輝，藍(lán)鵬飛

(廈門合立道工程設(shè)計集團(tuán)股份有限公司， 廈門 361006)

1 工程概況

華安縣“五館一中心”(圖1)位于漳州市華安縣，共由東、西兩個單體組成，西側(cè)單體為科技館、博物館和圖書館，東側(cè)單體為檔案館、文化館和全民健身活動中心，各館之間通過2層連廊和平臺連接。各館設(shè)1層地下室，地下室為車庫(局部六級人防)及設(shè)備用房。本工程總建筑面積3.1萬m2，場地總體呈現(xiàn)北高南低，北側(cè)道路在建筑2層樓面附近，高程為103.3m；南側(cè)道路在地下室底板面，高程為94.3m，南北地勢高差9m。各館建筑層數(shù)：科技館、博物館為4層，層高分別為6.5，6.0，5.5，4.8m；圖書館為3層，層高分別為5.8，6.0，4.8m；檔案館、文化館為4層，層高分別為6.5，6.0，4.8，4.8m；全民健身活動中心為2層，層高分別為5.8，10.8m；地下室層高均為5m。

圖1 建筑鳥瞰圖

建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，設(shè)計地震分組第二組，場地類別Ⅱ類，特征周期Tg=0.40s?；撅L(fēng)壓0.4kN/m2，地面粗糙度B類。

全民健身活動中心2層的籃球館采用鋼框架體系，斜柱采用鋼結(jié)構(gòu)焊接矩形鋼管柱，其截面為600×800×40，鋼材為Q345B；屋面梁采用焊接H型鋼梁，梁截面為H1 000×400×20×35，鋼材為Q345B。其余各館采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要框架柱截面為600×600,混凝土強度等級為C40；主要框架梁截面為300×800，混凝土強度等級為C30。主要結(jié)構(gòu)布置平面圖見圖2、圖3。

圖2 西側(cè)單體2層結(jié)構(gòu)布置平面圖

圖3 東側(cè)單體2層結(jié)構(gòu)布置平面圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的難題及解決方案

2.1 建筑高度的判定

根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)[1]附錄A，建筑高度以各樓附近的室外道路起算。各館建筑高度：科技館、博物館為23.50m，圖書館為22.35m，檔案館、文化館為22.75m，全民健身活動中心為22.15m，各館的建筑高度均在24m以下。但由于場地南北高差達(dá)9m，以最不利點即南側(cè)室外消防車道標(biāo)高起算，北側(cè)單體建筑高度則需增加地下室層高5m，科技館、博物館、檔案館、文化館的建筑高度>24m，應(yīng)定性為高層結(jié)構(gòu)，場地高差與建筑的關(guān)系見圖4。同時主樓基礎(chǔ)埋深應(yīng)取相應(yīng)位置室外地面最低點并滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[2]第5.1.4條規(guī)定。

圖4 西側(cè)單體南北方向剖面圖

2.2 嵌固端的選擇和多塔判定

本工程地下室北側(cè)為全埋式，南側(cè)為敞開式，直接鄰路。結(jié)構(gòu)計算時需要判定嵌固端所在的位置和上部多棟高層是否屬于多塔。

由于南側(cè)地下室外露，沒有土體約束作用，而土體約束作用是限制上部結(jié)構(gòu)位移和承受上部結(jié)構(gòu)水平力的必備條件，因此非全埋式地下室頂板不能作為嵌固端[3]，本工程嵌固端應(yīng)下移至地下室底板。但考慮地下室周邊土體約束作用和地下室鋼筋混凝土墻柱剛度影響，地下室總側(cè)向剛度一般情況下不會小于上部結(jié)構(gòu)的3倍[4]。因此對非全埋地下室上部多棟高層，類似于地下室剛體上的多塔，高層之間互相影響很小，計算上可以按嵌固端在地下1層的單棟高層計算，不必按考慮相互影響的多塔整體計算[3]。

2.3 結(jié)構(gòu)防震縫的設(shè)置

本工程通過2層連廊和平臺將各館聯(lián)系起來，連廊和平臺作為各館之間的共享空間和疏散通道。原設(shè)計擬在北側(cè)2層平臺中部設(shè)置一道南北向防震縫(圖5)，從而使結(jié)構(gòu)形成東、西兩個單體，避免形成4塔結(jié)構(gòu)，否則結(jié)構(gòu)抗震分析過于復(fù)雜。由于東、西兩側(cè)室外道路從從地下1層延伸到地上2層，設(shè)縫后東、西兩個單體會出現(xiàn)一側(cè)有土一側(cè)沒土的情況，需解決東西向土推力不平衡的問題。

圖5 2層平面斷縫示意圖

為避免東、西側(cè)土推力不平衡，設(shè)計取消在北側(cè)2層平臺中部設(shè)置防震縫，各館通過2層連廊和平臺形成整體結(jié)構(gòu)，東、西兩側(cè)土推力互相抵消。由于1層北側(cè)有混凝土墻，同時南側(cè)增設(shè)了一部分混凝土墻，整體剛度較大(層間位移角1/2 500左右),結(jié)構(gòu)計算仍可劃分為東、西兩個計算單體。但應(yīng)補充南北方向的分塔計算，并進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，連接處樓板應(yīng)進(jìn)行樓板應(yīng)力分析。1層柱墻按框架和框剪兩種模型包絡(luò)設(shè)計。

2.4 南北方向土推力不平衡

由于場地地勢北高南低，北側(cè)室外道路在建筑地面2層，南側(cè)室外道路在地下室底板面標(biāo)高，南北場地高差達(dá)9m，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮南北方向土推力不平衡的問題。

結(jié)構(gòu)計算時將北側(cè)土推力施加于主體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)北側(cè)柱、墻配筋超筋嚴(yán)重，應(yīng)考慮北側(cè)土體推力由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)。北側(cè)高邊坡采用永久性擋土墻，支護(hù)樁采用樁徑為900mm灌注樁+預(yù)應(yīng)力管錨索的形式。

博物館里采用直譯法的有“華僑是革命之母”（“Overseas Chinese is the mother of the revolution.”）“中國現(xiàn)代軍官的搖籃”（“the cradle of China's modern military officer”）等。在這兩句話中，直譯體現(xiàn)了漢語修辭的美感，并且更好地傳達(dá)原文意義，保留原文風(fēng)格。另外，“抗日戰(zhàn)爭”被直譯成“Anti-Japanese War”，但經(jīng)過筆者查詢，翻譯成“the War of Resistance Against Japan”會更加恰當(dāng)。

2.5 結(jié)構(gòu)不規(guī)則

本工程建筑以梯田為造型意向，外立面以橫向曲線線條為構(gòu)成元素，層層退臺。結(jié)構(gòu)存在平面不規(guī)則、豎向不規(guī)則、斜柱、穿層柱等多項不規(guī)則。本項目于2017年1月20日通過福建省住建廳組織的抗震專項審查，根據(jù)專家組意見采取如下抗震措施：

(1)性能目標(biāo)：全民健身活動中心的籃球館周邊結(jié)構(gòu)鋼柱按中震彈性設(shè)計。

(2)每根穿層柱所承受的剪力應(yīng)至少取相應(yīng)樓層框架部分承受剪力平均值的1.2倍，且尚應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。

(3)斜柱根部水平拉力應(yīng)由相應(yīng)連接的框架梁承擔(dān)。

3 結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果匯總及比較

3.1 多遇地震作用下的計算

多遇地震作用下的計算結(jié)果(以東側(cè)單體為例)見表1。由表1可見，PMSAP和YJK兩種軟件的計算結(jié)果基本吻合，各項指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求。

東側(cè)單體小震計算結(jié)果 表1

3.2 彈性時程分析

采用七條地震波(兩條人工波RH2TG04，RH4TG04；五條天然波USER1～USER5)進(jìn)行彈性時程分析，作為多遇地震下的補充計算，以東側(cè)單體為例，計算結(jié)果見圖6。結(jié)果顯示：每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果的65%，多條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果的80%[5]，振型分解反應(yīng)譜法底部剪力及樓層剪力計算結(jié)果大于多條時程曲線計算結(jié)果的平均值。

圖6 樓層剪力包絡(luò)圖

4 關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計

4.1 斜柱根部水平拉力計算

根據(jù)超限專審意見，斜柱根部水平拉力應(yīng)由相應(yīng)連接的框架梁承擔(dān)。以科技館、博物館框架柱底內(nèi)力最大的斜柱為例進(jìn)行計算，此斜柱柱底軸力NK=4 713kN、水平方向拉力Nx=2 636kN, 與此斜柱相梁的框架梁按偏心受拉構(gòu)件復(fù)核需要的受拉鋼筋，受拉鋼筋面積為3 110mm2。即此斜柱根部的框架梁截面上下側(cè)每側(cè)應(yīng)至少配置622鋼筋以承擔(dān)此斜柱水平拉力。結(jié)構(gòu)計算時，與斜柱連接的框架梁相鄰樓板按彈性板考慮，梁按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計[6]。斜柱拉力示意見圖7。

圖7 斜柱拉力示意圖

4.2 2層連廊樓板應(yīng)力計算

圖8 連廊樓板樓板應(yīng)力分析云圖/(N/mm2)

5 籃球館鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

全民健身活動中心的籃球館屋面為大跨度鋼結(jié)構(gòu)，東西方向跨度32m，南北方向跨度40m，四周為單跨內(nèi)斜柱，柱高10.8m。結(jié)構(gòu)跨度大，節(jié)點受力復(fù)雜，設(shè)計應(yīng)對該部分的受力認(rèn)真分析，確保結(jié)構(gòu)的安全性。

5.1 結(jié)構(gòu)體系

籃球館采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)，梁柱剛接以形成鋼框架整體結(jié)構(gòu)。在豎向相鄰斜柱頂端設(shè)置剛接拉梁，減小其計算長度，同時提高框架抗側(cè)剛度[7]，以加強結(jié)構(gòu)整體性，形成雙向剛接鋼框架結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)布置見圖9。

圖9 籃球館BIM模型透視圖

5.2 斜柱設(shè)計

斜柱層高10.8m，斜柱大部分為穿層柱，同時作為屋面大跨梁支承鋼柱，考慮斜柱的重要性，作為籃球館整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承重構(gòu)件，斜柱抗震等級按提高一級考慮，為三級，并按照中震彈性進(jìn)行性能化設(shè)計。斜柱穩(wěn)定驗算采用屈曲分析方法確定斜柱計算長度。屈曲分析方法采用的是整體模型法，從而得到計算桿件的臨界承載力。然后通過歐拉公式來反算桿件的計算長度，再將計算長度指定給計算模型中的對應(yīng)桿件，從而完成桿件的穩(wěn)定分析[8]。

5.3 大跨屋面梁設(shè)計

大跨屋面梁采用焊接H型鋼梁，考慮屋面大跨結(jié)構(gòu)重要性，屋面鋼梁撓度按照L/400控制(其中L為屋面梁跨度)，同時考慮屋面為壓型鋼板屋面，水平結(jié)構(gòu)剛度較弱，在結(jié)構(gòu)上增設(shè)水平支撐，以加強屋蓋剛度，從而提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。鋼梁應(yīng)補充舒適度計算。

5.4 結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定分析

由于籃球館屋面為大跨屋面，外圍框架躍層斜柱為主體結(jié)構(gòu)重要的承重構(gòu)件，為確保斜柱屈曲穩(wěn)定性滿足結(jié)構(gòu)受力要求，對整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行屈曲穩(wěn)定分析。經(jīng)YJK軟件屈曲分析計算，結(jié)構(gòu)前10階線性屈曲模態(tài)的臨界荷載系數(shù)見表2。

屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù) 表2

經(jīng)分析各階結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)，得出：1)斜柱等主要構(gòu)件屈曲均滯后于結(jié)構(gòu)整體屈曲；2)整體結(jié)構(gòu)的線性屈曲臨界荷載系數(shù)均大于10，第1階臨界荷載系數(shù)為46.121，整體結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性。

5.5 連接節(jié)點

上部鋼結(jié)構(gòu)焊接矩形鋼管柱與下部混凝土結(jié)構(gòu)采用勁性鋼骨混凝土柱過渡，使下部混凝土結(jié)構(gòu)層過渡到上部純鋼結(jié)構(gòu)，并提高下部混凝土柱的受拉承載力及延性。節(jié)點做法見圖10。

圖10 鋼管柱與勁性混凝土柱過渡節(jié)點做法

5.6 典型鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點有限元分析

本工程中籃球館屋頂節(jié)點為大跨鋼結(jié)構(gòu)焊接H型鋼梁與斜鋼管框架柱連接節(jié)點，節(jié)點中存在多角度鋼梁與鋼管斜柱匯交，連接節(jié)點受力性能復(fù)雜且對整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和剛度影響至關(guān)重要[9]。為保證鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計的安全可靠性，本文選取典型節(jié)點(圖11)，采用有限元軟件ABAQUS建立該節(jié)點的有限元模型并進(jìn)行數(shù)值分析。分析時鋼材本構(gòu)采用韓林海建議的5段式模型[10]。

圖11 鋼構(gòu)節(jié)點模型示意圖

分析模型梁長取為鋼梁截面高度的3倍，斜鋼柱長度從節(jié)點區(qū)往下取1m，鋼柱底部為固定約束。按照三種工況荷載作用進(jìn)行加載分析對比：工況一，取主體結(jié)構(gòu)小震計算模型(YJK)相應(yīng)桿件包絡(luò)設(shè)計內(nèi)力施加在鋼梁上；工況二，取桿件在大震作用下的內(nèi)力值(經(jīng)對比約為工況一內(nèi)力值的1.5倍)施加在鋼梁上；工況三，按考慮極限破壞荷載施加(約為工況一內(nèi)力值的2倍)。有限元分析計算結(jié)果如下：

(1)連接節(jié)點域的柱身應(yīng)力分布見圖12。最大應(yīng)力出現(xiàn)在柱底固定支座的受壓區(qū)，工況一至工況三作用下柱身最大應(yīng)力分別為113.1,169.9，227.5MPa。連接構(gòu)件的強度均處于彈性階段，節(jié)點區(qū)的應(yīng)力更小，強度儲備大于柱子，符合“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

圖12 柱身應(yīng)力示意圖/MPa

(2)梁柱連接處節(jié)點應(yīng)力云圖見圖13，在工況一作用下，節(jié)點的應(yīng)力均處于彈性階段，最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在主梁下翼緣處，節(jié)點連接滿足受力要求；在工況二作用下，主梁的下翼緣局部出現(xiàn)屈服進(jìn)入塑性；在工況三作用下，主梁下翼緣的塑性屈服區(qū)范圍繼續(xù)增大。綜上所述，在設(shè)計時應(yīng)對鋼梁下翼緣梁柱連接端部進(jìn)行構(gòu)造加強處理，以保證梁柱連接節(jié)點受力安全可靠。

圖13 梁柱連接處節(jié)點應(yīng)力云圖/MPa

6 結(jié)論

(1)山地建筑的建筑高度的判定在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)按最不利點起算，基礎(chǔ)埋深應(yīng)取相應(yīng)位置室外地面最低點。

(2)部分露出地面的非全埋地下室頂板不能作為結(jié)構(gòu)計算的嵌固端，需下移至四周有土體約束的地下室樓板位置才能作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。

(3)非全埋地下室上部有多棟塔樓時，考慮地下室整體剛度相對上部高層的剛度大得多，多塔之間相互影響較小，可不必按多塔整體計算。

(4)地勢高差造成的土推力由邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，建筑主體結(jié)構(gòu)不宜承擔(dān)過大的土側(cè)推力。

(5)對超限結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計，確保關(guān)鍵構(gòu)件安全可靠。

(6)對復(fù)雜鋼構(gòu)連接節(jié)點應(yīng)采用有限元分析，確保實現(xiàn)“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的設(shè)計要求。