淺談摩天輪下商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
——以愛摩輪商業(yè)廣場工程為例

陳 清

（福建博宇建筑設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州 350001）

1 工程概況

愛摩輪商業(yè)廣場位于福州市晉安區(qū)東區(qū)板塊，項(xiàng)目用地南側(cè)為晉安湖公園，西側(cè)為后浦路，北側(cè)為住宅小區(qū)（已建）。工程總建筑面積為23657.00m2，其中地上建筑面積為10774.37m2，地下建筑面積為12882.63m2，建筑占地面積為6483.15m2，主要建筑包括1 座1-2F 的商業(yè)廣場、娛樂及配套建筑、摩天輪。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

該工程為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.08，場地土類別為III類，場地特征周期Tg=0.65s。地面粗糙度B 類，基本風(fēng)壓0.7kN/m2（50年一遇）。地下一層，地面以上二層，屋面結(jié)構(gòu)面標(biāo)高10.800m；在屋面上設(shè)置摩天輪，支承摩天輪的四個(gè)框架柱采用鋼管混凝土柱，四個(gè)鋼管混凝土柱的距離為32×58m；摩天輪直徑107m，摩天輪高度110m，吊廂運(yùn)行速度0.2m/s，轉(zhuǎn)速每圈28min（效果圖見圖1）。

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008[6]條文說明第6.0.5 條，本工程商業(yè)建筑面積大于17000m2，故建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級按一級，重要性系數(shù)取值1.1，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震等級二級。大跨度型鋼混凝土梁、型鋼混凝土柱及鋼管混凝土柱抗震等級一級。樁基設(shè)計(jì)等級甲級，據(jù)地勘報(bào)告，經(jīng)多方案比較，該工程鋼管混凝土柱下采用沖（鉆）孔灌注樁，其余柱下采用PHC 預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，該工程采用YJK 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算分析。

圖1 建筑效果圖

3 摩天輪柱腳內(nèi)力分析及電算輸入

摩天輪結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)箱型立柱和中心銷軸組成，立柱鉸接于主體結(jié)構(gòu)上，故立柱柱底支座反力主要由水平力和豎向力組成。最初摩天輪設(shè)計(jì)單位僅提供極限承載狀態(tài)和正常工作狀態(tài)下的支座反力包絡(luò)值，雖然知道了支座反力極值，但是實(shí)際上摩天輪在自重、風(fēng)荷載、地震作用工況下，四個(gè)柱腳的反力方向和數(shù)值是截然不同的，僅知道柱腳反力包絡(luò)值無法在計(jì)算軟件中進(jìn)行整體的計(jì)算分析。基此，摩天輪設(shè)計(jì)單位又重新提出了各單工況下支座反力，各單工況分別為恒荷載、活荷載、活荷載（1/偏載）、正風(fēng)荷載、側(cè)風(fēng)荷載，45°斜風(fēng)荷載，正向地震作用、側(cè)向地震作用、斜向地震作用、豎向地震作用。

YJK 計(jì)算軟件中的荷載輸入主要有恒載和活載輸入，而要想摩天輪立柱柱底風(fēng)荷載和地震作用工況下的支座反力參與主體結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，則應(yīng)在自定義工況中選擇相應(yīng)的工況類型添加設(shè)置。在荷載輸入前還需對摩天輪的支座反力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）摩天輪設(shè)計(jì)單位采用的分析軟件為美國的ANSYS 有限元軟件，其坐標(biāo)軸命名方式與YJK 不同，荷載輸入時(shí)應(yīng)注意坐標(biāo)軸方向保持一致。

（2）摩天輪設(shè)計(jì)單位提供的荷載均為支座反力，將荷載輸入YJK計(jì)算模型當(dāng)中的時(shí)候應(yīng)為作用力，故應(yīng)將廠家提供的荷載乘以-1。

（3）YJK 計(jì)算程序的正向風(fēng)方向?yàn)橛赡现帘?，故?yīng)注意輸入風(fēng)荷載工況時(shí)荷載方向是否一致。

（4）在YJK 前處理參數(shù)設(shè)置里的荷載組合表中應(yīng)勾選“采用自定義組合”，并生成默認(rèn)數(shù)據(jù)，得到新的組合表用于后續(xù)計(jì)算。

4 摩天輪立柱下的主體結(jié)構(gòu)柱方案

由于摩天輪僅四根立柱，柱下的內(nèi)力較大，結(jié)合以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，支撐摩天輪立柱的結(jié)構(gòu)柱形式可考慮采用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱。型鋼混凝土柱外包的混凝土可以阻止其中型鋼的局部屈曲，使鋼骨的鋼材強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，節(jié)省鋼材50%以上，外包混凝土解決了鋼結(jié)構(gòu)防腐和防火問題。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)柱相比，由于混凝土的約束作用，柱的抗剪和抗彎承載力提升顯著。但是型鋼柱對施工單位的技術(shù)和管理能力要求較高，既要求進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的制作及現(xiàn)場安裝，又要求現(xiàn)場支模板、綁扎鋼筋和澆筑混凝土，施工工序較多，工程質(zhì)量不易把控。

鋼管混凝土柱是利用橫向鋼管，對鋼管內(nèi)混凝土施加側(cè)向約束，使混凝土處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，內(nèi)填微膨脹混凝土反過來又提供支撐作用阻止薄壁鋼管受壓時(shí)的局部屈曲，增強(qiáng)了鋼管壁的穩(wěn)定性，使鋼管的抗壓強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，提高鋼管柱的抗剪抗彎承載力，避免單純的高強(qiáng)混凝土生產(chǎn)難度大，低延性、脆性破壞等缺點(diǎn)；鋼管混凝土柱與普通的鋼筋混凝土柱相比，由于承載能力大幅提高，且沒有軸壓比的限制，柱的截面尺寸顯著減小，與型鋼混凝土柱相比，截面面積也可減小很多，可滿足建筑空間功能使用需求；鋼管內(nèi)的混凝土由于鋼管的約束作用，受壓時(shí)的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?；由于和混凝土共同作用采用薄壁鋼管，避免了使用厚鋼板，更有利于鋼?gòu)件的加工制作和現(xiàn)場焊接施工；在火災(zāi)環(huán)境中，鋼管內(nèi)的混凝土材料熱傳導(dǎo)系數(shù)較鋼構(gòu)小很多，故延長了鋼管柱的耐火極限，防火性能優(yōu)于純鋼結(jié)構(gòu)。但是鋼管柱的鋼管在制作和施工過程也具有一定難度，本工程圓形鋼管柱直徑較大，規(guī)范對焊接后的鋼管垂直度有嚴(yán)格要求，這就需要現(xiàn)場焊接時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施，注意焊接的順序和焊接時(shí)的變形影響；鋼管柱內(nèi)的混凝土施工屬于隱蔽工程，混凝土質(zhì)量無法直接目測，只能依靠施工人員的責(zé)任心和嚴(yán)格現(xiàn)場監(jiān)督管理，如果超聲監(jiān)測發(fā)現(xiàn)混凝土缺陷，存在缺陷補(bǔ)強(qiáng)困難等問題。

本工程摩天輪鋼立柱傳遞至主體結(jié)構(gòu)的拉壓力及水平力較大。對于型鋼混凝土柱，為了保證其具有良好的延性和耗能能力，規(guī)范對其提出了軸壓比的限值。而鋼管混凝土柱作為壓彎構(gòu)件在軸壓比較大時(shí)，仍具有一定抗彎能力。因此從受力性能上，鋼管混凝土柱的承載力和延性比型鋼混凝土柱好，該工程最終采用鋼管混凝土柱方案。

5 鋼管混凝土柱及型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先鋼管混凝土柱的截面尺寸設(shè)計(jì)與摩天輪的柱腳埋件尺寸及內(nèi)力關(guān)系密切，摩天輪柱腳底板直徑1900mm，螺栓群的直徑為1700mm，立柱底最大水平力設(shè)計(jì)值為17950kN，為了滿足摩天輪的柱腳預(yù)埋需求且盡量減小對下部建筑使用空間的影響，鋼管混凝土柱在接近屋面時(shí)直徑為2000mm，其余樓層直徑采用1500mm，并按1∶7坡度進(jìn)行過渡設(shè)計(jì)，鋼管壁厚30mm，變截面處設(shè)置30mm 內(nèi)隔板，柱內(nèi)填充C60 微膨脹細(xì)石砼，經(jīng)計(jì)算分析，鋼管柱的最大軸壓比為0.28，最大剪力設(shè)計(jì)值與受剪承載力比值為0.40，具有足夠的安全儲備，同時(shí)采取加強(qiáng)鋼管柱周邊的框架梁配筋率和型鋼混凝土梁的含鋼率等措施。

由于建筑方案需求，屋面形成大跨框架結(jié)構(gòu)，屋面板上具有景觀覆土及摩天輪運(yùn)行施工等荷載作用，荷載效應(yīng)較大，且鋼管柱間的框架梁還承擔(dān)著傳遞摩天輪柱腳水平力的作用，因此結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮在大跨度結(jié)構(gòu)和四個(gè)鋼管柱間框架梁采用型鋼混凝土梁柱作為主要受力構(gòu)件（屋面結(jié)構(gòu)平面見圖2），利用型鋼構(gòu)件的高強(qiáng)度、高剛度特點(diǎn)以保證大跨度框架具有較高的承載能力及延性，相對于普通混凝土梁，采用型鋼梁能有效降低結(jié)構(gòu)梁高，滿足建筑設(shè)備專業(yè)對空間凈高的使用要求。對于大跨度的型鋼混凝土構(gòu)件，提高其抗震等級，在滿足計(jì)算要求的情況下，型鋼混凝土構(gòu)件含鋼率按不小于5%控制，加強(qiáng)大跨度相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋做為安全儲備。

圖2 屋面層結(jié)構(gòu)平面圖

6 屋面樓板應(yīng)力計(jì)算分析

摩天輪鋼立柱柱底的Y 向水平力較大，對于Y 向立柱間的屋面板需承擔(dān)水平力的傳遞和變形協(xié)調(diào)任務(wù)，故會引起樓板局部應(yīng)力的增大和集中。因此，對樓板應(yīng)力分析是該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，除對樓板進(jìn)行豎向承載能力計(jì)算外，還需對屋面樓板進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算。在X 向風(fēng)荷載和地震工況下，屋面樓板應(yīng)力分布情況較為均勻，在Y 向風(fēng)荷載和地震工況下，應(yīng)力較大部位則主要集中于鋼管柱周邊樓板以及洞口周邊區(qū)域樓板，通過分析計(jì)算結(jié)果可知，X、Y 向屋面樓板拉應(yīng)力最大值均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)對于局部應(yīng)力較大部位可采取加大板厚、加強(qiáng)配筋等措施，樓板出現(xiàn)開裂可能性較小。另本工程建筑平面為圓形，直徑總長約85m，中庭開洞直徑約13m，主體結(jié)構(gòu)未設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010 第8.1.1 條，現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為55m，已超過規(guī)范限值[1-5]。

基于以上幾點(diǎn)原因，為了提高屋面樓板的剛度、承載力及抗裂性能，本工程屋面板厚度取150mm，配置雙層雙向鋼筋網(wǎng)，配筋率不小于0.25%，屋面梁板混凝土強(qiáng)度取C40。同時(shí)在Y 向鋼管柱間區(qū)域樓板設(shè)置4000×300mm 樓板加強(qiáng)帶，保證應(yīng)力集中區(qū)域樓板不開裂，樓板加強(qiáng)帶配筋大樣，見圖3。

圖3 屋面鋼管柱間樓板加強(qiáng)帶配筋大樣

7 結(jié)束語

（1）摩天輪四個(gè)鋼立柱下柱底內(nèi)力復(fù)雜，在各工況荷載作用下，柱底內(nèi)力的方向和數(shù)值差異較大。同時(shí)，由于摩天輪結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算軟件不同，因此如何考慮摩天輪柱底內(nèi)力在YJK 計(jì)算軟件中的輸入和主體結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算分析，也是本工程設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)之一。

（2）對于摩天輪立柱下結(jié)構(gòu)柱方案，型鋼混凝土柱和鋼管混凝土柱各有利弊，通過分析兩者的工作機(jī)理及力學(xué)特點(diǎn)，綜合多方因素，最終采用鋼管混凝土柱。

（3）鋼管混凝土柱截面設(shè)計(jì)，不僅需考慮受力性能要求，還需與摩天輪設(shè)計(jì)單位密切溝通，結(jié)合摩天輪立柱的預(yù)埋件方案綜合考慮，確保后期預(yù)埋件施工的可實(shí)施性以及使用期間的安全可靠性。

（4）對于大跨度長懸臂結(jié)構(gòu)，可采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，利用其高強(qiáng)度、高剛度的特點(diǎn)以有效縮小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，從而迎合建筑大空間需求。

（5）對于摩天輪立柱間屋面樓板，可采用YJK 等軟件進(jìn)行樓板應(yīng)力分析，對可能出現(xiàn)的薄弱部位采取加強(qiáng)措施，提高樓板的剛度和承載力。