大跨梁上转换结构-体育中心结构设计

2019-10-12陈世泽上海建筑设计研究院有限公司上海200041

安徽建筑 2019年9期

陈世泽（上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041）

1 工程概况

本工程位于北外滩周家嘴路、新建路交界口处，建筑面积为191881.5m2，其中地上、地下面积分别为120847.5m2、71034 m2。地块项目上部为2栋塔楼及3栋裙房，各单体建筑地面以上互为独立。地下建筑为4层，构成一个超大整体地下室。

体育中心主要用于网球、游泳运动及文化办公。建筑功能丰富，造型复杂，地下结构四层，地上结构三层，B4为车库，B1层与B2层为游泳池，泳池X向36m，通过设置Y型柱,将泳池X向型钢混凝土梁跨度缩小为28m，同时该梁上托两层社区功能用房。顶层为网球场，跨度为36m，屋面为异形结构和轻钢屋面，大跨屋盖采用钢梁做法。结构三维图、平面及建筑剖面图如下。

图1 结构三维图

图2 结构典型平面图

地上采用钢框架结构，地下室采用混凝土框架剪力墙结构。地上钢结构抗震等级为三级。

图3 建筑剖面图

2 结构设计

2.1 主体结构选型

体育中心共三层，首层及二层层高为6m、4m，由于网球场的净高要求较高，屋顶层层高约为10m。一方面鉴于跨度较大（X方向跨度36m），且悬挑部分较多，另一方面兼顾预制装配率的要求，结构采用钢框架结构。由于游泳池区域的功能需要，结合防腐要求，Y型柱采用型钢混凝土柱，为保证地上与地下柱子的有效方便的连接，地上框架柱采用H型钢柱，框架梁采用H型钢，与框架柱刚接。主要的柱截面尺寸:外圈柱H650×650mm，内部H400×400mm，钢板厚度为20～50mm。

楼面主要采用闭口压型钢板组合楼板，局部区域采用钢筋桁架楼板，楼板厚度为120/150mm，其中压型钢板采用肋高65mm的镀锌钢板。

2.2 主体结构计算

2.2.1 主体结构的规则性及特点

①平面不规则。扭转位移比超过1.2（见表1），为扭转不规则。二层报告厅处楼板开大洞，楼板有效宽度不足40%，为凹凸不规则。

②竖向不规则。首层、二层梁上起柱，为竖向构件不连续；首层与二层的剪切刚度的比值：X向为0.567、Y向为0.511，属于侧向刚度不规则。结合以上两种情况，体育中心为不规则建筑，在计算和构造上需重点考虑。

2.2.2 结构计算

①采用SATWE和MIDAS进行对比计算，对比结果如下表。

项目结构基本自振周期（s）最大位移比（含层间位移比）剪重比地震时最大位移角风荷载最大位移角T1 T2 T3△x/δx△y/δy X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向SATWE周期1.063 0.925 0.864 1.40 1.15 5.25%7.49%1/504 1/357 1/757 1/1336振型X向Y向扭转MIDAS周期1.022 0.903 0.827 1.301 1.374 5.42%6.46%1/591 1/558 1/715 1/1295振型X向Y向扭转

②进行弹性动力时程分析，并与反应谱法计算结果对比，采用包络设计。

③进行弹塑性静力推覆分析。X、Y方向大震时弹塑性层间位移角分别为1/126、1/111，均满足规范要求；框架柱均未出现塑性铰；部分框架梁出现了塑性铰，满足强柱弱梁的概念设计要求，也符合了大震不倒的设计理念。

④对于屋面层跨度36m的空间结构，考虑到仅有轻钢屋面、没有混凝土楼板的情况，屋盖易发生整体失稳，因此需要采取特征值屈曲分析。通过对①恒载+活载、②恒载+活载+风压、③恒载+活载+升温、④风吸、⑤恒载+风吸五个工况的特征值屈曲临界荷载系数的比较得出，在①②③⑤工况下，屈曲因子为负数，在④工况下前六阶屈曲因子为5.31～6.0。因此在恒荷载作用后，结构不会发生整体稳定问题[1]。

⑤考虑屋顶钢结构的空间作用较弱，水平构件的受力特性更加类似梁的受弯变形，结构的单榀受力特性较为明显，因此对X向单榀结构进行PK分析，在配筋时对三维计算和PK分析采用包络设计。

⑥复核小震作用下楼板应力。具体措施为楼板设置为弹性膜。采用钢筋桁架楼板的区域板厚取楼板厚度，采用压型钢板的区域板厚扣除肋高，验算小震下楼板应力，确保其小于混凝土受拉强度。同时通过配筋计算，使得楼板钢筋满足基本地震条件下钢筋不屈服的要求。同时将两根V型柱（见图1）中间区域楼板板厚置零，不考虑楼板的贡献，验算V型柱之间的梁受拉时的应力比在大震不屈服的工况下小于0.9，以保证即使V型柱中间楼板破坏后，结构不会倒塌。

2.2.3 构造措施

①控制钢柱应力比，满足一定的延性要求。

②对于首层跨度28m的型钢混凝土托柱转换梁，严格控制配筋率及长期挠度。

③在大悬挑及斜柱区域，采用钢筋桁架楼板。

3 杆件计算长度研究

由于V型柱（详见图1）在本工程中较为重要，且V型柱与梁的连接节点多为刚接节点，交汇的杆件较多。因此需根据数值计算将杆件的计算长度进行复核。通过计算提取V型柱的第一阶屈曲模态和临界荷载，结合欧拉公式反算杆件的计算长度，进而得到杆件的计算长度系数[1]。

取具有代表性的V型柱进行验算，其平面内、外的计算长度系数分别为1.296、1.36，计算中实际取值1.5，均能满足要求。

4 大悬挑挠度及楼板振动分析

在本工程中，三层楼面建筑功能为网球场，且该层局部构件悬挑较大，最大处悬挑L=7.5m，此处最大挠度为14.5mm，为L/517。考虑到此悬挑梁为托柱转换梁，从严控制挠度小于1/400L，满足规范要求。

由于三层楼面上为球类训练场地,建筑功能的特殊性决定其不能用一般办公、住宅楼的评价标准来考核,本工程采用ISO2631-2[2]推荐的楼板振动舒适度评价标准。用于评价球类场地的均方根加速度可取0.01g×5=0.05g=49cm/s2,通过振动数值模拟，第一阶模态的振动频率为4.21Hz；在不同行走工况及不同的行走轨迹下，楼板的振动加速度最大值为48.4cm/s2，满足舒适度要求。

5 节点分析

由于Y型柱（见图3）节点受力复杂，且一端连接大跨型钢梁，采用ABAQUS进行局部精细化分析。模型选取受力及边界约束条件最不利的一榀Y型柱框架。在两根Y型柱柱底均施加固定支座，接受首层各柱传来的柱底内力（中震不屈服工况下框架面内弯矩及轴力）。对于框支梁所在楼面的荷载，附加恒载取5.0kN/m2，活载取 3.5 kN/m2，板厚取 180mm。根据内力最不利组合系数及该梁承担的荷载范围，在梁顶面附加0.12N/mm2的面荷载。计算结果如图4、5。

图4 型钢整体MISES应力云图

图5 混凝土主拉应力云图

型钢的最大应力为181MPa，出现在左侧的Y形柱与梁端交汇处。型钢的最大应变约为0.00097。型钢应力应变均处于弹性（不屈服）状态。钢筋骨架的最大应力出现在梁端与Y形柱顶交汇处，约为206 MPa。钢筋的最大应变约为0.00102，钢筋的应力应变均处于弹性（不屈服）状态。混凝土的最大压应力约为25MPa,小于混凝土抗压强度，集中出现在梁端与Y形柱顶的节点区，可认为混凝土应力未屈服或大部分均处于弹性状态。混凝土的受拉应变最大处约为0.00154，受压应变最大约为0.00117，受压处于弹性状态。