南昌漢代海昏侯國遺址展示服務(wù)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計

孫 遜, 張 翀, 方立新,2

(1 東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，南京 210096；2 東南大學(xué)建筑學(xué)院，南京 210096)

1 工程概況

漢代海昏侯國遺址區(qū)位于江西省南昌市,是我國目前發(fā)現(xiàn)的面積最大、保存最好、內(nèi)涵最豐富的漢代侯國都城聚落遺址,漢代?；韬顕z址展示服務(wù)中心(圖1)位于遺址公園入口處,是遺址博物館的配套建筑。該建筑的形態(tài)以海昏侯國墓葬考古發(fā)現(xiàn)的象征王侯身份的玉瑗和用于禮天的玉璧為造型意向,建筑架設(shè)于獨(dú)洲湖畔,內(nèi)含一個水景庭院,周邊山光水色掩映,璧底水系潺淙綿長。

圖1 展示服務(wù)中心竣工實(shí)景照片

建筑平面(圖2)為由內(nèi)小外大的兩個不同心圓構(gòu)成的環(huán)形,外圓直徑118.8m,內(nèi)圓直徑81.2m;外圓對應(yīng)的屋蓋外檐口標(biāo)高漸變,最高點(diǎn)11.3m,最低點(diǎn)7.8m;內(nèi)圓對應(yīng)的屋蓋內(nèi)檐口標(biāo)高不變,為7.0m。為了水系從建筑底部穿過,建筑在一側(cè)250°環(huán)帶范圍內(nèi)只有兩個支撐體,兩個支撐體各占據(jù)了30°環(huán)帶,其中支撐體1與落地區(qū)域之間的環(huán)帶體量最大,跨越了70°圓心角,外環(huán)跨度達(dá)到了67.245m,環(huán)帶最大徑向跨度為27.25m。

圖2 建筑2層平面布置圖

此類大跨度環(huán)形結(jié)構(gòu)在人行天橋類結(jié)構(gòu)中有所采用,但人行天橋結(jié)構(gòu)寬度較小,采用連續(xù)鋼箱梁[1-2]、多層網(wǎng)架[3]或組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[4]均可實(shí)現(xiàn),類似的大跨圓環(huán)形房屋建筑案例較少,部分已建成項目中或體量較小[5],或下部支撐結(jié)構(gòu)的布置方式和位置不同[6-7]。本工程結(jié)合獨(dú)特的建筑造型,從三維視角出發(fā),創(chuàng)新地采用了一種編織環(huán)形結(jié)構(gòu)體系,實(shí)現(xiàn)了環(huán)向和徑向雙向大跨越的同時也創(chuàng)造了整個環(huán)狀體內(nèi)完整的無柱空間。

2 結(jié)構(gòu)體系的選擇與布置

該大跨弧形環(huán)帶建筑支承在兩個支撐體上,另外有一片區(qū)域落地。因室外地形有高差,落地區(qū)域2層與室外標(biāo)高大致相同,其他區(qū)域2層以下完全敞開。落地區(qū)域2層以下的設(shè)備用房均為地下或半地下建筑,采用混凝土墻體作為地下室外墻或擋土墻。大跨弧形環(huán)帶的重心偏離兩支承點(diǎn)連線(其外邊界最大偏離9.5m,如圖2所示),如果簡單沿內(nèi)外圓環(huán)弧線設(shè)置平面桁架,平面桁架具有嚴(yán)重向外翻轉(zhuǎn)傾倒的趨勢導(dǎo)致變形無法控制,因此需要建立一個具備抗彎和抗扭剛度的環(huán)狀結(jié)構(gòu)體系。最終建立的結(jié)構(gòu)三維整體模型如圖3所示,建模和后期模型調(diào)整過程中均在犀牛軟件中完成,并采取了參數(shù)化的方法。

圖3 結(jié)構(gòu)三維整體模型

結(jié)構(gòu)體系可分解為三個部分,如圖4所示,若將整體結(jié)構(gòu)視為360°變截面箱形環(huán)梁,那么屋面為箱形環(huán)梁上翼緣(通過屋面鋼梁之間的面內(nèi)鋼支撐提供平面內(nèi)剛度),樓面為下翼緣(現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板組合樓板提供平面內(nèi)剛度),內(nèi)外環(huán)立面為腹板(通過鋼桁架腹桿傳遞剪力),內(nèi)部設(shè)置豎向支撐處為橫隔板(在屋面鋼梁和樓面鋼梁之間設(shè)置豎向支撐)。

圖4 結(jié)構(gòu)體系分解圖

該建筑屋面造型比較復(fù)雜,內(nèi)環(huán)檐口標(biāo)高相同,外環(huán)檐口標(biāo)高漸變,且三個大跨環(huán)帶上方屋面中部向上凸起,徑向布置的屋面鋼梁均為兩折線或三折線梁,鋼屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置如圖5所示,屋面鋼梁之間設(shè)置的環(huán)向和斜向的支撐桿件形成了編織狀的三角形網(wǎng)格,落地區(qū)域上方屋蓋對平面內(nèi)剛度需求較小,斜撐桿沒有滿布,三個大跨環(huán)帶的屋蓋需要較大的平面內(nèi)剛度,因此滿布了斜撐桿,且其方向沿面內(nèi)主要力流的方向,既作為鋼梁的平面外支撐,又可以有效地傳遞屋蓋平面內(nèi)的水平力。

圖5 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置圖

樓面落地區(qū)域采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu),大跨區(qū)域采用鋼梁+現(xiàn)澆鋼筋桁架樓承板組合樓板結(jié)構(gòu),鋼梁沿徑向布置,跨度在8.8～27.25m之間,在樓板應(yīng)力較大處設(shè)置面內(nèi)支撐。

內(nèi)外環(huán)立面為兩圈環(huán)桁架,內(nèi)環(huán)桁架閉合,外環(huán)桁架在主入口處抽掉了部分斜腹桿,形成了“八”字形的支撐結(jié)構(gòu),“八”字形斜撐落腳點(diǎn)的距離達(dá)到了48.3m,形成了建筑需要的開敞的主入口空間。

作為上部環(huán)形體的可靠的豎向支撐點(diǎn),兩個支撐體均采用了鋼框架支撐結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)所采用的主要構(gòu)件截面如表1所示。

表1 主要構(gòu)件截面

3 結(jié)構(gòu)主要分析結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)自振特性

整體結(jié)構(gòu)前三階振型均為落地區(qū)域上方徑向跨度最大的鋼屋蓋的豎向振動,第1周期為0.67s,體量最大的大跨環(huán)帶區(qū)域的整體振型為第4振型,周期為0.55s,如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)主要振型

體量最大的大跨環(huán)帶環(huán)向和徑向跨度均較大,且豎向自振頻率小于2Hz,需要進(jìn)行人行走引起的樓蓋振動峰值加速度分析。采用MIDAS Gen軟件對樓蓋進(jìn)行人行激勵分析,得到的樓蓋豎向振動加速度為0.08～0.10m/s2之間,滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[8]的附錄A要求,因此沒有采取附加的豎向振動控制措施。

3.2 結(jié)構(gòu)豎向荷載下變形分析

主體結(jié)構(gòu)在恒載+活載作用下的變形如圖7所示。由圖7可以看出,豎向變形最大值為143mm,位于屋面鋼梁跨度最大的區(qū)域,體量最大的大跨環(huán)帶外環(huán)豎向變形為47mm,內(nèi)環(huán)豎向變形為37mm,按外環(huán)圓弧線跨度67.245m計算其撓度與跨度的比值為1/1 430,其徑向最大變形為21mm,位于體量最大的大跨環(huán)帶的外環(huán)跨中,滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[9]變形限值的要求?？梢?該結(jié)構(gòu)大跨環(huán)帶的豎向和徑向的變形均得到了有效控制。

圖7 恒載+活載作用下結(jié)構(gòu)變形云圖/mm

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

內(nèi)外環(huán)桁架在恒載+活載作用下的軸力和彎矩示意如圖8所示。由圖8可以看出,其端部斜腹桿最大軸力約為9 400kN,上弦桿最大軸力約為9 600kN,位于體量最大環(huán)帶的內(nèi)環(huán)跨中處,下弦桿最大軸力約為4 300kN,位于體量最大環(huán)帶的內(nèi)環(huán)支座處。弦桿最大彎矩約為5 590kN·m,位于體量最大環(huán)帶的外環(huán)支座處。可見由于內(nèi)環(huán)桁架的結(jié)構(gòu)高度小于外環(huán)桁架,因此內(nèi)力最大的構(gòu)件大部分位于內(nèi)環(huán)桁架的跨中和端部。

圖8 內(nèi)外環(huán)桁架內(nèi)力分布示意圖

內(nèi)外環(huán)桁架的構(gòu)件均采用了箱形截面,其中支座斜腹桿和弦桿等受力很大的關(guān)鍵構(gòu)件,均按中震彈性及大震不屈服的性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題

4.1 樓板平面內(nèi)剛度對整體結(jié)構(gòu)的影響

是否考慮樓板平面內(nèi)剛度對整體結(jié)構(gòu)的變形和關(guān)鍵構(gòu)件的受力均有較大的影響,可從表2看出其影響程度,若不考慮樓板的平面內(nèi)剛度,豎向荷載作用下外環(huán)最大豎向變形和弦桿最大軸力均有大幅度增大。若要考慮樓板的平面內(nèi)剛度,需要在正常使用階段對樓板的平面內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行分析,正常使用階段(恒載+活載)樓面平面內(nèi)主應(yīng)力如圖9所示。

表2 樓板剛度對主體結(jié)構(gòu)影響

圖9 樓板平面內(nèi)主應(yīng)力云圖/MPa

由圖9可見,樓板內(nèi)最大拉應(yīng)力在大跨環(huán)帶的跨中部位靠近內(nèi)環(huán)和外環(huán)邊緣處,最大壓應(yīng)力在大跨環(huán)帶的支座部位靠近內(nèi)環(huán)和外環(huán)邊緣處,設(shè)計中對于拉應(yīng)力較大區(qū)域的配筋進(jìn)行加強(qiáng)并通過在樓板下設(shè)置面內(nèi)鋼支撐來分擔(dān)樓板的拉應(yīng)力。

4.2 屋面支撐的布置

屋面支撐構(gòu)件對整體結(jié)構(gòu)的受力和變形均有較大的影響,屋面是否布置支撐對主體結(jié)構(gòu)的變形影響如表3所示。由表3可見,若不設(shè)置屋面支撐,外環(huán)的最大豎向和徑向變形均大幅度增大,特別是外環(huán)最大徑向變形約是設(shè)置支撐時的3倍,充分證明了屋面支撐對于大跨環(huán)帶向外的翻轉(zhuǎn)具有很強(qiáng)的約束作用,因此需要對屋面支撐布置的形式進(jìn)行分析。

表3 屋面支撐對主體結(jié)構(gòu)影響

首先取消屋面支撐將屋面設(shè)置為彈性膜,得到的屋面彈性膜主應(yīng)力分布和傳遞方向如圖10所示,其中箭頭方向為屋面彈性膜的主應(yīng)力方向,箭頭長短表示主應(yīng)力大小。由圖10可見,主應(yīng)力最大值位于大跨環(huán)帶支座區(qū)域上方,其方向自內(nèi)環(huán)向外環(huán)由支座方向指向跨中方向。

圖10 屋面彈性膜主應(yīng)力分布和傳遞方向/MPa

屋面支撐根據(jù)彈性膜主應(yīng)力分布的規(guī)律布置,支撐方向均沿主應(yīng)力方向,主應(yīng)力較大的位置設(shè)置較大截面的支撐,得到布置屋面支撐后屋面構(gòu)件軸力如圖11所示。由圖11可見,支撐構(gòu)件的軸力大小分布與按彈性膜分析得到的主應(yīng)力大小分布相近,因此,按屋面彈性膜主應(yīng)力分布的大小和方向來進(jìn)行屋面支撐的布置,進(jìn)而得到的編織狀三角形網(wǎng)格是合理有效的。

圖11 屋面構(gòu)件軸力示意圖/kN

4.3 鋼結(jié)構(gòu)施工安裝方案的確定

由于該結(jié)構(gòu)體系的特殊性,需要制定合理的施工安裝及卸載方案,進(jìn)行相應(yīng)的施工模擬分析和卸載階段的應(yīng)力和變形監(jiān)測,最終實(shí)施的施工安裝和卸載方案如下。

下部混凝土結(jié)構(gòu)和兩個支撐體施工完畢后,在內(nèi)外環(huán)桁架下弦桿下設(shè)置若干個臨時支撐胎架,隨后安裝內(nèi)外環(huán)桁架的下弦桿和徑向樓面鋼梁,由兩支撐體中部開始,沿環(huán)向以節(jié)間為單元向兩側(cè)推進(jìn),在此過程中同步安裝內(nèi)外環(huán)桁架的斜腹桿和上弦桿,一個節(jié)間的內(nèi)外環(huán)桁架安裝完畢后,立刻安裝其上部的屋面鋼梁及鋼梁間支撐構(gòu)件,以便形成一段穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元,整體結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝過程照片見圖12。

圖12 現(xiàn)場施工安裝照片

在該結(jié)構(gòu)體系中,樓板和屋面支撐均為重要組成部分,需在主體鋼結(jié)構(gòu)安裝焊接完畢且樓面混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%以上后方可進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的卸載工作。三個大跨度環(huán)帶的卸載需依次分級進(jìn)行,首先卸載體量最小的環(huán)帶,最后卸載體量最大的環(huán)帶,在卸載過程中需進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)力及變形監(jiān)測工作。

在安裝過程中,三個大跨環(huán)帶均需要進(jìn)行預(yù)起拱,預(yù)起拱值根據(jù)施工模擬分析的結(jié)果確定,其中內(nèi)外環(huán)桁架的預(yù)起拱值均不同,如表4所示,同時對跨度大于9m的鋼梁均按跨度的1/500進(jìn)行預(yù)起拱。

表4 大跨環(huán)帶預(yù)起拱值

5 結(jié)構(gòu)施工及卸載監(jiān)測

在主體結(jié)構(gòu)安裝及卸載時,進(jìn)行了應(yīng)力及變形的監(jiān)測工作,并出具了相關(guān)報告[10]。

現(xiàn)場共布置了16個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn),根據(jù)設(shè)計要求,布置在了內(nèi)外環(huán)桁架的關(guān)鍵構(gòu)件上,監(jiān)測采用FS-FP01手持式正弦采集儀,從前期主體結(jié)構(gòu)安裝到主體結(jié)構(gòu)卸載完畢共計讀數(shù)92次,比較全面地監(jiān)測了主體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力狀況。其中累計變化量最大的Y37號監(jiān)測點(diǎn)位于體量最大的大跨環(huán)帶支座下弦桿處,其累計變化量為47.2MPa,與施工模擬分析計算得到的卸載后應(yīng)力接近,部分測點(diǎn)應(yīng)力變化情況如圖13所示。

圖13 部分測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線圖

現(xiàn)場共布置了30個變形監(jiān)測點(diǎn),根據(jù)設(shè)計要求,布置在了內(nèi)外環(huán)桁架的跨中及大跨鋼梁的跨中,采用徠卡TM50全站儀配合專用反射片進(jìn)行監(jiān)測,從前期主體結(jié)構(gòu)安裝到主體結(jié)構(gòu)卸載完畢共計讀數(shù)126次,比較全面地監(jiān)測了主體結(jié)構(gòu)的變形狀況。其中累計變形量最大的B23號監(jiān)測點(diǎn)位于體量最大的大跨環(huán)帶外環(huán)跨中處,其累計變形量為23.9mm,與施工模擬分析計算得到的卸載后此處變形量相近,部分測點(diǎn)變形變化情況如圖14所示。

圖14 部分測點(diǎn)撓度變化曲線

6 結(jié)論

(1)南昌漢代?；韬顕z址展示服務(wù)中心所采用的新型編織環(huán)狀結(jié)構(gòu)體系很好地滿足了建筑造型的需求,且有效地實(shí)現(xiàn)了環(huán)向和徑向的雙向大跨越。

(2)結(jié)構(gòu)的自振特性和變形結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)體系具有良好的剛度和穩(wěn)定性。

(3)樓板和屋面支撐是該結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分,參與整體結(jié)構(gòu)的受力,不是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的次要構(gòu)件,需要對其受力進(jìn)行分析以便采取針對性的加強(qiáng)措施。

(4)結(jié)構(gòu)的施工安裝和卸載方案對結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建也很重要,該階段的應(yīng)力和變形監(jiān)測為結(jié)構(gòu)的安裝和卸載提供了數(shù)據(jù)參考和驗證。