橫琴新區(qū)文化綜合服務(wù)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林坤洪， 周小偉， 廖述江， 鮑明喜， 覃建華

(深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 深圳 518031)

1 工程概況

橫琴新區(qū)文化綜合服務(wù)中心位于珠海市橫琴新區(qū)琴飛道西側(cè)，總建筑面積約為142 560m2。建筑設(shè)計(jì)從城市角度出發(fā)，通過(guò)順應(yīng)山水格局，形成北高南低的城市空間形態(tài)，建筑效果圖見(jiàn)圖1。建筑由北至南，形成跨度34.2m的圖書(shū)館、跨度45.6m的文化館、跨度45.6m的科技館三個(gè)拱形大空間，以及一個(gè)22.5m的懸挑空間結(jié)構(gòu)，功能分區(qū)見(jiàn)圖2。

建筑整體平面為矩形，尺寸約為89m×205m。主體結(jié)構(gòu)地上共9層，1～4層層高均為6.0m，5～9層層高均為4.5m。結(jié)構(gòu)沿南北方向從南到北依次收進(jìn)，主體結(jié)構(gòu)地上3～9層形成逐級(jí)退臺(tái)效果，屋面標(biāo)高分別為18.000m(3層)、28.500m(5層)、37.500m(7層)、46.500m(9層)。

圖1 橫琴新區(qū)文化綜合服務(wù)中心效果圖

圖2 橫琴新區(qū)文化綜合服務(wù)中心功能分區(qū)示意圖

圖3 剪力墻+框架柱

圖4 拱形鋼桁架+聯(lián)系梁

圖5 拱形鋼桁架+剪力墻+框架柱+轉(zhuǎn)換柱

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，抗震措施按8度、地震作用按7度設(shè)計(jì)，基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0.55s?；A(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁端持力層選粗砂層，樁端阻力特征值為4 000kPa，有效樁長(zhǎng)約20～38m。

2 結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

建筑通過(guò)布置四個(gè)橫向貫通的交通分隔帶，在縱向上隔離出三個(gè)拱形大空間以及一個(gè)懸挑空間，并在其上布置建筑功能。結(jié)合該特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)在交通帶上布置剪力墻以滿足抗側(cè)要求并起到加強(qiáng)空間聯(lián)系的作用，在縱向上采用三個(gè)拱形鋼桁架(由北至南分別為1#，2#，3#拱)及一個(gè)懸挑鋼桁架(4#懸挑)，并在其上設(shè)立轉(zhuǎn)換柱以實(shí)現(xiàn)建筑功能要求。結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成如圖3～5所示。

結(jié)構(gòu)在縱向上共設(shè)立8榀拱形鋼桁架-剪力墻結(jié)構(gòu)，并通過(guò)橫向鋼梁聯(lián)系成整體。由于建筑使用功能要求，有4榀為完整拱形鋼桁架P1和4片剪力墻(圖6)，有2榀為完整拱形鋼桁架P2和懸挑處1片剪力墻(圖7)，剩下2榀拱形鋼桁架P3在1#和2#拱空間中斷開(kāi)，3#拱空間仍為完整拱形鋼桁架并通過(guò)剪力墻與懸挑拱桁架連接(圖8)。

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況

本項(xiàng)目地上9層，結(jié)構(gòu)屋面高度46.5m。依據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[1]及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))的規(guī)定，經(jīng)判別本項(xiàng)目存在如下不規(guī)則項(xiàng)：1)拱形大空間在2～5層屬于樓板開(kāi)洞，樓板不接續(xù)；2)逐級(jí)退臺(tái)效果導(dǎo)致塔樓縮進(jìn)大于25%，尺寸突變；3)拱形鋼桁架上設(shè)轉(zhuǎn)換柱，豎向抗側(cè)力不連續(xù)。除此之外，結(jié)構(gòu)還存在大跨度(45.6m)、大懸挑(22.5m)的復(fù)雜情況。

圖6 拱形鋼桁架P1+剪力墻

圖7 拱形鋼桁架P2+剪力墻+框架柱

圖8 拱形鋼桁架P3+剪力墻+框架柱

2.3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

本項(xiàng)目采用基于性能化的抗震設(shè)計(jì)方法，總體性能目標(biāo)定為C級(jí)。結(jié)構(gòu)體系中各部分構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表1所示。

結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo) 表1

3 結(jié)構(gòu)整體分析

由于結(jié)構(gòu)2～5層存在樓板不連續(xù)，因此在計(jì)算構(gòu)件內(nèi)力時(shí)采用帶樓板和不帶樓板兩種模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。小震指標(biāo)計(jì)算時(shí)采用帶樓板的模型，分別采用YJK和MIDAS/Gen兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，并進(jìn)行相互校核，主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，兩種軟件計(jì)算結(jié)果較為接近。

兩種軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表2

在小震作用下，對(duì)P1和P2兩榀拱形鋼桁架整體受力分析(圖9)時(shí)發(fā)現(xiàn)，1#和2#拱頂位置鋼梁受力較復(fù)雜，采用壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)；P3由于在1#和2#拱位置處斷開(kāi)，形成懸挑結(jié)構(gòu)，斜柱及懸挑根部桿件受力較大(圖10)；4#懸挑結(jié)構(gòu)在與剪力墻相連部位內(nèi)力較大，選擇在該剪力墻暗柱內(nèi)埋型鋼，以滿足受力需要；地下室頂板處，拱之間聯(lián)系梁受到較大壓力，采用壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，拱范圍內(nèi)梁受到較大拉力，采用拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖9 P2整體受力分析

圖10 P3整體受力分析

中震作用下，采用YJK軟件進(jìn)行中震彈性和中震不屈服計(jì)算，控制相應(yīng)構(gòu)件的性能化水準(zhǔn)，結(jié)果表明各拱形鋼桁架結(jié)構(gòu)、框架柱、剪力墻、框架梁及連梁均能滿足設(shè)定的性能化目標(biāo)。

大震作用下，采用PERFORM-3D進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，判斷結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在大震下對(duì)應(yīng)的性能水準(zhǔn)，結(jié)果表明各構(gòu)件均能滿足設(shè)定的性能化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)在大震下能滿足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)。

圖11 2#拱節(jié)點(diǎn)選取

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題分析

4.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元分析

本工程鋼桁架節(jié)點(diǎn)形式為全焊接節(jié)點(diǎn)，桿件截面類(lèi)型較多，不同桿件多角度交匯，受力復(fù)雜。在分析中選取桁架節(jié)點(diǎn)中受力較大、交匯較多的懸挑桁架根部節(jié)點(diǎn)以及拱腳節(jié)點(diǎn)等幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，節(jié)點(diǎn)選取如圖11，12所示。

采用通用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算分析。節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算采用von Mises 強(qiáng)度準(zhǔn)則，鋼材選用Q355鋼，彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3；混凝土強(qiáng)度等級(jí)選用C40，彈性模量為3.25×104N/mm2，泊松比為0.2。節(jié)點(diǎn)全部采用實(shí)體單元模擬。

建立節(jié)點(diǎn)3有限元模型，網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖13所示。選取剪力墻底節(jié)點(diǎn)約束所有自由度，剪力墻頂約束平動(dòng)自由度，其余桿端施加荷載?；炷良靶弯摌?gòu)件應(yīng)力分布如圖14所示。由圖14可知，在大震作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土的應(yīng)力均在5.7N/mm2以下，低于材料的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(19.1N/mm2)，型鋼構(gòu)件應(yīng)力均在30N/mm2以下，遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(305N/mm2)，滿足不屈服的抗震性能目標(biāo)。在節(jié)點(diǎn)板連接處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是斜拉構(gòu)件與水平橫梁相連部位，設(shè)計(jì)中針對(duì)應(yīng)力較大的地方局部加大板厚。

圖12 4#拱節(jié)點(diǎn)選取

圖13 節(jié)點(diǎn)3有限元模型及邊界條件

圖14 節(jié)點(diǎn)3混凝土及型鋼構(gòu)件應(yīng)力分布/(N/mm2)

4.2 樓板應(yīng)力分析

本項(xiàng)目中的樓板，存在以下幾個(gè)問(wèn)題：由于結(jié)構(gòu)存在較大的樓板開(kāi)洞，易形成樓板弱連接部位；4#懸挑結(jié)構(gòu)懸挑長(zhǎng)度較大以及拱形鋼桁架P3在1#和2#拱位置形成懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑部分樓板將受到較大的拉力作用；地下室頂板在拱范圍內(nèi)及拱之間受到較大的拉力和推力。

基于諸多不利影響，對(duì)樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，采用YJK軟件計(jì)算樓板在重力荷載以及中震作用下的應(yīng)力分布。本工程樓板厚度為120mm，屋頂層樓板厚度為150mm，地下室頂板厚180mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。地下室頂板及3層樓板在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的應(yīng)力分布如圖15所示。

圖15 地下室頂板及3層樓板在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的應(yīng)力分布/(N/mm2)

由圖15可知，應(yīng)力值較大的區(qū)域主要有：地下室頂板在拱腳位置、4#懸挑結(jié)構(gòu)位置、樓板與樓梯間剪力墻相連的邊緣位置、桁架拉桿區(qū)域，因此，應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果加大相應(yīng)位置的樓板配筋。通過(guò)對(duì)地下室頂板在拱腳位置、剪力墻四周及桁架弦桿四周拉應(yīng)力較大處加配斜筋(配置陰、陽(yáng)角部鋼筋予以加強(qiáng)，見(jiàn)圖16)，并對(duì)樓板開(kāi)洞較大的部分加大板厚，以保證整體水平剛度；通過(guò)對(duì)板弱連接部位及應(yīng)力較大部位采取加大板厚及配筋的措施，對(duì)4#懸挑結(jié)構(gòu)根部樓板采取布置后澆帶的措施以減少懸挑處變形過(guò)大對(duì)樓板造成的不利影響，對(duì)拉應(yīng)力較大的部位設(shè)置平面內(nèi)支撐，保證樓板滿足中震不屈服的性能目標(biāo)。

圖16 板角加強(qiáng)鋼筋構(gòu)造圖

圖17 典型樓板應(yīng)力分布/(N/mm2)

圖18 第一振型(fs=3.43Hz)

圖19 第四振型(fs=4.30Hz)

圖20 步行路線2示意圖

4.3 溫度應(yīng)力分析

由于本塔樓體型超長(zhǎng)，縱向長(zhǎng)度205m左右，且沒(méi)有伸縮縫，因此，在計(jì)算中需考慮溫度變化導(dǎo)致的附加荷載和應(yīng)力對(duì)建成結(jié)構(gòu)的影響。

基本溫度取珠海地區(qū)50 年重現(xiàn)期的月平均最高氣溫Tmax和月平均最低氣溫Tmin。由于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[2]表E.5和廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(DBJ15-101—2014)表E.4.4均沒(méi)有珠海市的基本氣溫值，故參考深圳市基本溫度的建議值，即Tmax=35℃，Tmin=8℃。結(jié)構(gòu)合攏溫度取全年平均溫度21℃，最大溫升工況及最大溫降工況分別為ΔTk=+35-21=14℃和ΔTk=8-21=-13℃，計(jì)算時(shí)取升溫15℃和降溫15℃工況。

典型樓板應(yīng)力分布如圖17所示。由圖17可知，剪力墻與樓板相連的周邊、洞口周邊、角部等區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，應(yīng)在施工時(shí)嚴(yán)格控制封帶溫度，同時(shí)在剪力墻周邊一跨、洞口周邊、角部等區(qū)域設(shè)置雙層雙向拉通鋼筋，在溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果集中部位按計(jì)算結(jié)果配置鋼筋，抵抗溫度應(yīng)力帶來(lái)的影響[3]。

4.4 樓板舒適度分析

本工程采用MIDAS/Gen對(duì)3#拱及4#懸挑結(jié)構(gòu)位置處展廳樓板進(jìn)行舒適度分析。人行走過(guò)程產(chǎn)生人體質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)，可以采用步行荷載進(jìn)行時(shí)程分析模擬其過(guò)程，在有限元模型中考慮結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度與阻尼的影響，由分析結(jié)構(gòu)中控制點(diǎn)的振動(dòng)加速度對(duì)樓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的舒適度評(píng)價(jià)。

對(duì)樓板振動(dòng)分析模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到4#懸挑結(jié)構(gòu)及3#拱位置樓板豎向振動(dòng)模態(tài)出現(xiàn)在第一振型(圖18)和第四振型(圖19)，對(duì)應(yīng)的自振頻率均滿足規(guī)范對(duì)樓板豎向基本自振頻率3Hz的最小要求。在自振模態(tài)響應(yīng)最大位置處各布置兩條行走路線，圖20為步行路線2示意圖，采用了MIDAS/Gen中提供的步行一步荷載函數(shù)(Baumann)對(duì)樓板進(jìn)行激勵(lì)，函數(shù)曲線如圖21所示。得到各點(diǎn)的最大豎向加速度amax為0.026m/s2(圖22)，小于0.15m/s2，滿足規(guī)范對(duì)樓板振動(dòng)豎向加速度的限值要求。

4.5 施工模擬分析

采用MIDAS/Gen對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工模擬分析，考慮1層為一個(gè)施工階段，核心筒先于鋼結(jié)構(gòu)一個(gè)施工階段，即先施工1～3層的核心筒，接著施工鋼結(jié)構(gòu)以及上部4層的核心筒，以此類(lèi)推，共分為11個(gè)施工階段進(jìn)行模擬施工計(jì)算(圖23為階段7施工過(guò)程)。由于本塔樓縱向長(zhǎng)度205m左右，且沒(méi)有伸縮縫，為了減少混凝土樓板收縮變形的影響，施工工序中預(yù)留2#拱4～6層鋼結(jié)構(gòu)部分在最后階段進(jìn)行合攏拼裝。

圖21 步行一步(Baumann)荷載函數(shù)曲線(行走路線2)

圖22 行走路線2上各點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線(amax=0.026m/s2)

圖23 施工模擬階段模型(階段7)

圖24 4#拱兩種工況軸力對(duì)比/kN

通過(guò)對(duì)施工模擬和一次性加載(一次形成剛度)兩種工況進(jìn)行對(duì)比(圖24)可知，相對(duì)于一次形成剛度的結(jié)果，考慮施工次序后，拱形鋼桁架的內(nèi)力(軸力、彎矩)增幅較大，特別對(duì)于拱形鋼桁架下弦部位，增幅明顯；拱形鋼桁架上部的框架部分，內(nèi)力相對(duì)較小，這是由于一次形成剛度，拱形鋼桁架的受力考慮了上部框架的共同作用，而施工模擬工況下，弱化了上部框架結(jié)構(gòu)的共同作用。

施工模擬工況與正常使用狀態(tài)撓度對(duì)比 表3

圖25 施工模擬工況下?lián)隙戎?mm

施工模擬工況下整樓模型撓度見(jiàn)圖25。由圖25可以看出，結(jié)構(gòu)最大豎向撓度為65.1mm，位于懸挑拱3層樓板處。各個(gè)結(jié)構(gòu)部位在施工模擬工況下的撓度與正常使用狀態(tài)下的撓度對(duì)比見(jiàn)表3。由表3可知，由于施工模擬工況未考慮拱形鋼桁架與上部框架的共同作用，撓度大于正常使用狀態(tài)下的撓度，但各個(gè)部位的撓度均小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[4]中要求的撓度限值L/400，其中L為受彎構(gòu)件的跨度，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)珠海橫琴文化綜合服務(wù)中心項(xiàng)目結(jié)構(gòu)方案做了詳細(xì)的介紹，由于建筑功能要求較多且建筑形體較復(fù)雜，因此結(jié)構(gòu)方案比較復(fù)雜，存在樓板不連續(xù)、尺寸突變、豎向抗側(cè)力不連續(xù)、大跨度以及大懸挑等多項(xiàng)不規(guī)則和難度情況。

針對(duì)相關(guān)問(wèn)題和特點(diǎn)，選取帶拱形鋼桁架的鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，對(duì)不同結(jié)構(gòu)部位的構(gòu)件設(shè)定合理的性能目標(biāo)，并通過(guò)對(duì)小震、中震、大震作用下結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析，找出薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，以期滿足既定的性能目標(biāo)。針對(duì)關(guān)鍵性問(wèn)題，選取合理的計(jì)算模型進(jìn)行補(bǔ)充分析：對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的受力情況進(jìn)行有限元分析；分析樓板在各種不利工況下的應(yīng)力分布情況；考慮溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響；對(duì)樓板進(jìn)行合理的舒適度評(píng)價(jià)；考慮施工模擬工況下結(jié)構(gòu)的受力情況并與一次性加載進(jìn)行對(duì)比。施工圖階段將根據(jù)分析結(jié)果對(duì)薄弱部位采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，從而多方面保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。