天津光年城-城市展館單側(cè)大懸挑圓環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計

江 洋， 孫 珂， 賀 陽， 楊 勇， 陳彬磊， 康 釗

(1 北京市建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京 100045； 2 中國電子工程設(shè)計院有限公司， 北京 100840；3 中國建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013)

0 概述

天津光年城位于天津市東北部，毗鄰濱海新區(qū)，占地3 500萬m2，是京津兩市加強經(jīng)濟和社會合作、促進雙城聯(lián)動發(fā)展的重大示范項目，也是天津未來科技城重要的現(xiàn)代服務(wù)業(yè)功能板塊。展館位于天津光年城一號島規(guī)劃范圍東北部分的西南角，為天津光年城示范區(qū)提供對外展示空間。

展館的地上部分有三層，主要使用功能為門廳、展廳、多功能廳、VIP接待及少量的辦公管理用房。展館地下一層，設(shè)有地下展廳和設(shè)備機房等。整個展館為一個半覆土建筑，建筑首層被草坡覆蓋，二層、三層露出草坡。整體建筑效果見圖1。

圖1 天津光年城-城市展館整體建筑效果圖

1 項目概況

1.1 結(jié)構(gòu)選型

地上三層為跨度38.3m的鋼結(jié)構(gòu)懸挑圓環(huán)，懸挑結(jié)構(gòu)重量通過樓電梯核心筒傳至基礎(chǔ)底板，核心筒為鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)[1-6]，其余部分由鋼筋混凝土剪力墻和鋼筋混凝土梁組成，見圖2和圖3。項目地下一層區(qū)域采用樁筏基礎(chǔ)，樓電梯核心筒下筏板厚3.0m，無地下室區(qū)域采用樁基承臺+防水板基礎(chǔ)。

圖2 展館主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)場照片

圖3 天津光年城-城市展館結(jié)構(gòu)形式示意

1.2 關(guān)鍵構(gòu)件

1.2.1 懸挑圓環(huán)

三層懸挑圓環(huán)：主懸挑結(jié)構(gòu)原設(shè)計為空間箱形梁(1 500～4 600)mm(寬)×5 200mm(高)，該方案整體性好、抗扭剛度強。考慮實施階段焊縫長度較長等問題，經(jīng)多輪論證后，主受力構(gòu)件改為整體截面的空間鋼桁架。懸挑圓環(huán)及鋼板墻采用Q420鋼材，二次懸挑梁采用Q355鋼材，混凝土墻的混凝土強度等級為C40。為提高桁架根部的抗扭剛度，懸挑桁架圓環(huán)結(jié)構(gòu)在圓環(huán)根部增設(shè)一圈鋼板，側(cè)面鋼板厚30mm，上下鋼板厚40mm。二次懸挑梁最大懸挑長度約6m，主要構(gòu)件為H400/800×300×14×25(GL03)和H400/700×300×14×25(GL01)的H形鋼。如圖4～6所示。

圖4 懸挑圓環(huán)剖面圖

1.2.2 鋼板剪力墻

為了保證建筑平面布置及功能要求，結(jié)構(gòu)核心筒剪力墻厚度僅為400mm，從基礎(chǔ)至頂部均采用鋼板混凝土剪力墻。懸挑桁架環(huán)與核心筒連接部位，采用雙鋼板-混凝土組合剪力墻。同時為了經(jīng)濟性，在受力較小部位通過鋼板厚度減小和變?yōu)閱武摪寤炷良袅頊p少用鋼量。

圖5 三層主受力構(gòu)件演變過程

圖6 三層桁架現(xiàn)場照片及設(shè)計展開圖

如圖7所示，區(qū)域1、區(qū)域2為外包雙鋼板-混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)，區(qū)域1單側(cè)鋼板厚度為40mm，區(qū)域2單側(cè)鋼板厚度為20mm；區(qū)域3為鋼板混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)置鋼板厚度為20mm。

圖7 雙鋼板-混凝土組合剪力墻示意

1.2.3 首層門廳大跨梁

如圖8所示，由于專業(yè)需求，建筑首層大廳36m跨弧形框架梁上需設(shè)置11個1m×1m暖通風(fēng)洞。為保證安全性，該大跨框架梁(圖9)內(nèi)增設(shè)鋼骨，并作為關(guān)鍵構(gòu)件進行性能化設(shè)計。

圖8 首層36m跨框架梁

圖9 首層36m跨框架梁示意

1.3 性能目標

本項目存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、大跨度懸挑等不規(guī)則類型，屬于嚴重不規(guī)則的建筑，考慮到懸挑構(gòu)件安全冗余度低，震害破壞后修復(fù)難等原因，結(jié)構(gòu)性能目標定為B級，表1為關(guān)鍵構(gòu)件的性能目標。

關(guān)鍵構(gòu)件性能目標 表1

1.4 相關(guān)設(shè)計措施

(1)鋼板組合剪力墻抗震構(gòu)造措施提高一級。

(2)如圖10所示，在懸挑空間桁架根部設(shè)置周圈鋼板，提高根部節(jié)點的剛度及承載能力。采用有限元軟件進行節(jié)點分析，保證其滿足性能目標。限于篇幅，懸挑根部節(jié)點等節(jié)點分析另行文闡述。

圖10 懸挑圓環(huán)根部節(jié)點構(gòu)造大樣

(3)節(jié)點有限元分析時不考慮雙鋼板區(qū)域混凝土作用，純鋼板應(yīng)滿足承載力要求。

(4)加強單雙鋼板過渡區(qū)域節(jié)點構(gòu)造。

(5)核心筒下基礎(chǔ)設(shè)計時不考慮地下一層～地上二層對其的有利作用，只分析有三層懸挑圓環(huán)和核心筒時基樁受力情況，詳見4.2節(jié)。

(6)首層36m跨框架梁增設(shè)鋼骨，與其相連的墻柱亦增設(shè)鋼骨，性能目標同大跨框架梁。

2 設(shè)計條件和分析方法

2.1 設(shè)計條件

2.1.1 設(shè)計參數(shù)

本工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.20g，水平地震影響系數(shù)最大值為0.16，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑場地類別為Ⅳ類，設(shè)計地震分組為第二組，場地特征周期為0.75s，場地地基土層地震液化程度判定為非液化場地[7]。

2.1.2 荷載取值

為減輕結(jié)構(gòu)荷載，三層屋面采用輕鋼屋面，結(jié)構(gòu)找坡。其余樓層按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[8](簡稱荷載規(guī)范)取值。三層地面活載按走廊3.5kN/m2取值，屋面按不上人屋面考慮。懸挑圓環(huán)最終荷載取值如圖11所示。

圖11 懸挑圓環(huán)最終荷載取值示意

2.2 分析模型及分析方法

針對該工程結(jié)構(gòu)特點，采取以下分析方法：

(1)采用四種不同分析軟件PKPM-SATWE，SPAS-PMSAP，MIDAS Gen，SAUSAGE對力學(xué)模型進行整體計算和校核，分析模型如圖12所示。

圖12 四種軟件分析模型圖

(2)采用一組人工波和兩組天然波，進行彈性動力時程分析，并將時程分析包絡(luò)結(jié)果與規(guī)范反應(yīng)譜分析結(jié)果相比較，取其包絡(luò)值進行設(shè)計。

(3)采用SPAS-PMSAP，MIDAS Gen軟件進行構(gòu)件中震和大震性能目標的等效彈性計算，以滿足抗震性能目標要求。

(4)采用SAUSAGE軟件進行罕遇地震下的動力彈塑性時程分析，確保結(jié)構(gòu)大震不倒，構(gòu)件損傷符合抗震設(shè)計要求。

(5)采用MIDAS Gen軟件進行懸挑根部節(jié)點分析，保證節(jié)點區(qū)域安全性。

(6)采用MIDAS Gen軟件進行三層樓蓋舒適度分析，確保其滿足正常使用的舒適度。

3 計算結(jié)果

3.1 自振模態(tài)

結(jié)構(gòu)的自振特性是結(jié)構(gòu)的固有屬性，直接反映結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量的分布。采用振型反應(yīng)譜時為滿足X，Y，Z三個方向質(zhì)量參與系數(shù)均在90%以上，本工程采用Ritz向量對自振特性進行計算。

采用SPAS-PMSAP，MIDAS Gen計算的結(jié)構(gòu)整體前3階周期及振型分布結(jié)果如表2和圖13所示?？芍瑑煞N軟件計算結(jié)果基本一致，前3階振型均以三層懸挑圓環(huán)振動為主。由于結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則，以下給出數(shù)據(jù)均為未考慮剛性樓板假定的結(jié)果。

圖13 整體結(jié)構(gòu)前3階振型分布

3.2 結(jié)構(gòu)撓度及解決措施

鋼結(jié)構(gòu)樓蓋變形限值[6]：1.0恒載+1.0活載下?lián)隙认拗礚/400為192mm，1.0活載下?lián)隙认拗礚/500為153mm，其中L為懸挑跨度38.3m的2倍。

結(jié)構(gòu)自振特性 表2

如圖14所示，本項目按340mm(1.0恒載+0.5活載作用)起拱。1.0恒載+1.0活載下變形減去起拱值后，最大撓度為35mm；1.0活載下最大撓度為85mm，可滿足前述撓度限值要求。

圖14 1.0恒載+1.0活載下?lián)隙仍茍D/mm

3.3 性能化設(shè)計

3.3.1 性能設(shè)計

對于關(guān)鍵構(gòu)件的性能目標驗證：采用兩種不同的分析軟件SPAS-PMSAP，MIDAS Gen對關(guān)鍵鋼構(gòu)件進行校核；反應(yīng)譜模態(tài)組合采用CQC法，并根據(jù)小震時程計算結(jié)果來放大地震力。雙向地震與豎向地震作用組合，地震作用分項系數(shù)為水平向1.3、豎向0.5，或水平向0.5、豎向1.3。

兩種計算軟件分析結(jié)果對比見表3。圖15(a)，(b)給出了小震時各模型構(gòu)件應(yīng)力分析結(jié)果，大震及中震時應(yīng)力分布與小震時類似，不再贅述。圖15(c)給出了大震時有限元節(jié)點(桁架與核心筒連接區(qū)域)細節(jié)分析結(jié)果，由圖可知單元應(yīng)力滿足規(guī)范要求，其余工況下也均滿足。

圖15 構(gòu)件應(yīng)力計算結(jié)果

表3中不同模型計算結(jié)果表明，懸挑圓環(huán)和鋼板剪力墻可滿足中震彈性、大震不屈服的性能目標。

表3 軟件SPAS-PMSAP，MIDAS Gen應(yīng)力分析結(jié)果對比

從圖15可知，應(yīng)力比最大處出現(xiàn)在純桁架與外包鋼板加強區(qū)的連接部位，因此除受力最大的桁架根部位置外，純桁架區(qū)域的構(gòu)件安全性也需關(guān)注。

3.3.2 大震彈塑性分析

罕遇地震下結(jié)構(gòu)反應(yīng)計算采用的地震波按規(guī)范要求選擇：8度最大峰值加速度400cm/s2；多組時程波的平均加速度反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)主要周期點上與規(guī)范反應(yīng)譜相差不大于20%；有效持續(xù)時間為結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍。選取三組地震波，計算結(jié)果取三組地震波的包絡(luò)值。

三組地震波均分別以X向、Y向、Z向作為主輸入方向進行罕遇地震彈塑性時程分析。作為對比，對同一計算模型進行了小震彈性時程分析，此時各組地震波峰值加速度取70cm/s2。結(jié)構(gòu)基底剪力、層間位移角等主要結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算結(jié)果如圖16及表4所示。由表4計算結(jié)果可見，大震彈塑性時程基底剪力是小震彈性時程計算結(jié)果的5.43～5.64倍，小于大震和小震峰值加速度的比值5.71，說明結(jié)構(gòu)在大震作用下?lián)p傷耗能，剛度初步退化，同時也說明彈塑性基底剪力在合理范圍內(nèi)，計算結(jié)果是可靠的。由圖16可知，人工波作用下X，Y向彈塑性層間位移角計算最大值分別為1/140和1/148，均小于規(guī)范限值1/100，滿足大震不倒的性能要求。

圖16 人工波作用下彈塑性層間位移角

X向基底剪力 表4

提取罕遇地震波作用下構(gòu)件損傷情況，判斷構(gòu)件是否滿足抗震性能目標。如圖17所示，鋼板剪力墻輕微損傷，大部分損傷因子小于0.1，滿足關(guān)鍵構(gòu)件性能要求。連接中間鋼板剪力墻與普通剪力墻的連梁在大震作用下出現(xiàn)輕度損壞或中度損壞，存在耗能效果，滿足耗能構(gòu)件性能要求。三層懸挑大桁架仍處于彈性階段，下部懸挑梁及框架梁出現(xiàn)損傷，滿足性能目標要求。

圖17 墻梁柱損傷情況(包絡(luò)值)

3.4 三層樓蓋舒適度分析

從表2可知本項目豎向振動頻率小于規(guī)范[9-10]建議的3Hz。當結(jié)構(gòu)的自振頻率小于規(guī)范建議的頻率，人的舒適度可通過豎向振動峰值加速度來評判。本項目實施時，《建筑樓蓋振動舒適度技術(shù)標準》(JGJ/T 441—2019)[9]未發(fā)布，故遵循《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[10]第3.7.7條對樓蓋豎向加速度的要求，舒適度采用主要控制加速度的方法，加速度限值取0.07m/s2(自振頻率不大于2Hz)。

采用MIDAS Gen來進行人行激勵下的豎向加速度分析。項目執(zhí)行時，國內(nèi)時程曲線暫未發(fā)布，采用MIDAS Gen中的IABSE激勵曲線，分為單人連續(xù)步行和多人連續(xù)步行兩種激勵來進行分析，結(jié)果如表5所示。可以看出：在單人連續(xù)步行荷載工況下，減振前豎向振動峰值加速度出現(xiàn)在最遠端，數(shù)值為0.355m/s2。TMD設(shè)置圖如圖18所示。采用TMD減振后，豎向振動峰值加速度為0.069m/s2，能夠滿足小于0.07m/s2的振動峰值加速度要求，減振率達到80.6%；在多人連續(xù)步行荷載工況下，減振前豎向振動峰值加速度為0.256m/s2，采用TMD減振后，豎向振動峰值加速度為0.057m/s2，能夠滿足小于0.07m/s2的振動加速度要求，減振率可達77.7%。

圖18 TMD設(shè)置

4 基礎(chǔ)設(shè)計

4.1 整體樁筏受力分析

本工程將樁建入整體MIDAS Gen模型(圖19)和PKPM-SATWE模型。通過業(yè)主提供的試樁報告中P-Δ(荷載-位移)曲線來確定基樁樁位處的豎向變形剛度，得到變形協(xié)調(diào)下的豎向荷載下樁反力圖(限于篇幅，只給出MIDAS Gen計算結(jié)果)，如圖20所示。1.0恒載+1.0活載標準組合下，MIDAS Gen計算結(jié)果：樁最大壓力標準值約為2 679kN，最小壓力標準值約為437kN，無拉力；PKPM-SATWE計算結(jié)果：樁最大壓力標準值約為2 535kN，最小壓力標準值約為500kN，無拉力。軟件分析結(jié)果顯示樁反力小于樁基承載力，滿足要求[11]。

豎向振動峰值加速度對比 表5

圖19 MIDAS Gen基礎(chǔ)整體模型

圖20 1.0恒載+1.0活載標準組合下樁反力/kN

4.2 僅核心筒樁筏受力分析

為了保證核心筒下基礎(chǔ)的可靠性及安全性，忽略周圈結(jié)構(gòu)的作用，僅留核心筒來計算復(fù)核核心筒下樁筏基礎(chǔ)，計算模型如圖21所示，計算結(jié)果如圖22所示。1.0恒載+1.0活載標準組合下，樁最大壓力標準值約為1 815kN，最小壓力標準值約為-153kN，拉力遠小于抗拔承載力，滿足要求。

圖21 模型示意

圖22 1.0恒載+1.0活載標準組合下樁豎向反力/kN

5 結(jié)論

本工程為單側(cè)大懸挑圓環(huán)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中應(yīng)用概念設(shè)計和抗震性能化設(shè)計方法，采用多種計算軟件對比分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)該類結(jié)構(gòu)主要以豎向振動為主，建議采用Ritz向量進行分析，充分考慮豎向振型，滿足振型質(zhì)量參與系數(shù)90%以上。

(2)根據(jù)受力特點，空間桁架懸挑圓環(huán)及鋼板剪力墻作為關(guān)鍵受力構(gòu)件，滿足中震彈性、大震不屈服性能目標。

(3)懸挑圓環(huán)根部受力集中，同時承擔較大彎矩和扭矩。對根部設(shè)置加強區(qū)域，采用外包鋼板來提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和強度。同時需注意加強區(qū)域與非加強區(qū)域過渡構(gòu)件的安全性。豎向構(gòu)件采用鋼板-混凝土剪力墻，便于連接傳力。

(4)大懸挑圓環(huán)豎向自振頻率小，采用豎向振動峰值加速度作為評判人行激勵下的樓蓋舒適度指標，并采用TMD減振以滿足舒適度要求。

(5)基礎(chǔ)設(shè)計時考慮上部偏心荷載特點，通過合理布置樁、加強基礎(chǔ)底板剛度，使單樁受力更均勻，減小傾斜變形。