首钢滑雪大跳台基础设计与分析

2020-06-23吴伟亮郭法成王超杨文涛王向荣

特种结构 2020年3期

关键词：筏板桁架荷载

吴伟亮郭法成王超杨文涛王向荣

(1.北京首钢国际工程技术有限公司 100043；2.北京首钢筑境国际建筑设计有限公司 100043）

1 项目概况

首钢滑雪大跳台(Big Air Shougang）位于北京市石景山区首钢园区内西侧，项目由大跳台(赛道）、裁判塔和看台区域三部分组成，承担了北京2022 年冬季奥运会单板(双板）滑雪大跳台赛事。

大跳台为大跨空间桁架结构，由格构柱(电梯筒）、两组双 V 型柱、雪道层、落地桁架、两个丝带次结构以及防风网组成。

大跳台呈西北- 东南方向布局，主体结构长度 164m，最大宽度 34m，高度 60.05m，如图1 所示。本项目为世界首例永久性保留和使用的单板大跳台场馆，其体型复杂、特殊，且无可参考工程实例。

图1 首钢大跳台剖面Fig.1 General section of Big Air Shougang

2 地基基础方案分析

2.1 工程地质条件

项目重要性等级为一级，简单场地，为中等复杂地基，综合判断岩土工程勘察等级为甲级，地基基础设计等级为一级。工程地震动反应谱特征周期为0.40s，建筑工程抗震设防类别为丙类。建筑自然地面绝对标高为81.000m ～85.550m，正负零绝对标高为 85.550m。场地自然地面以下0.50m ～7.10m 为杂填土，深地基土为卵石土，土层力学参数见表1。本工程拟建场区的建筑场地类别判定为Ⅱ类。

表1 土层力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer

根据地勘资料，场地地基土不液化。抗浮设计水位可按33.5m 考虑。本场地土对混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性，对钢结构具有微腐蚀性。拟建场地地基土的标准冻结深度按0.8m 考虑。

2.2 地基基础设计难点

(1）大跳台为大跨空间桁架结构，体型复杂、特殊，且自身荷载和刚度分布差异大，需根据各段不同的特点选取不同的基础形式。为避免沉降引起主体结构产生过大的次内力，应严格控制地基基础变形。

(2）格构柱部分细而长，设计时对风荷载下零应力区进行控制；赛道的主要荷载经两组双V型柱传递给基础，基础反力大且集中， V 型柱与基础连接节点构造复杂。

(3）由于特殊的结构形式，赛道高差较大，高低两侧水平刚度差异很大，基础承担的水平推力较大，因此抗水平力设计是本项目的重点和难点。

3 地基基础设计解决方案

3.1 方案介绍

项目在结构初步设计阶段，采用了桩基方案和天然地基(拉杆）进行对比。

采用桩基方案抵抗水平力是较为可靠的解决方案，结合北京地区桩基选型的经验，针对本项目结构及土层特点，选取直径800mm 钻孔灌注桩桩型。桩长取10m，单桩竖向承载力特征值为2450kN，单桩水平承载力特征值为516.2kN；验算永久荷载控制工况时，桩基水平承载力RhaD=0.8Rha=412.9kN(其中，Rha为单桩水平承载力特征值）。基础1 ～基础 4 总计用桩数为124 根。采用桩基抗水平力效率低，而效率更高的斜桩，从施工工期、难度及工程造价的角度，又难以实现。

采用天然地基(拉杆）方案，基础持力层可落在卵石层②。从表1 可知，卵石层②承载力标准值为350kPa，抗竖向力设计优势明显。但由于基础3 和基础4 承受的水平力大，在基础3 和基础4 增设钢箱梁拉杆，抵抗基础3、基础4 的反向水平力，解决抗水平力设计问题。但由于两基础间后期市政管道和造雪设备管道埋设的不确定性，钢箱梁拉杆被取消。

由于打桩成孔存在难度、质量难以保证，且无法满足现有的工期要求，最终确定采用天然地基方案。

3.2 基础抗竖向力设计

本工程上部结构采用Midas Gen 2019(V 1.1）进行结构整体分析和设计，地基基础采用PKPM系列软件(V4.2 网络版）进行分析和设计，根据各支座的内力和定位，对筏板和多柱联合基础进行有限元分析和设计。

在赛事期间赛道含压实雪荷载，厚度为0.5m ～4.1m 不等。各基础给出由竖向内力值、水平内力值(不含雪载）、水平内力值(含雪载）控制的3 种组合，最不利水平力Fx、最不利垂直向力Fy和最不利竖向力Fz见表2。

表2 各基础的最不利组合内力Tab.2 The most unfavorable combined internal force of each foundation

表2 中， “恒”为恒荷载，主要包含钢结构自重、幕墙、防风网等荷载； “活”为活荷载，主要包含赛道活荷载、压实雪荷载及钢梯活荷载；“活′”为活荷载，主要包含赛道活荷载、钢梯活荷载； “风( -X）”为水平向右风； “风( +X）”为水平向左风； “地震X”为水平向地震作用；考虑钢结构直接外露，对温度比较敏感，最高温度取70℃，最低温度取-20℃，分最大升温工况和最大降温工况: a）最大升温工况，由15℃升至70℃； b）最大降温工况，由 30℃将至 -20℃；因夏季无法进行滑雪运动，压实雪荷载不与升温工况同时组合。

基础1 ～基础4 平面见图2。

基础1 采用筏板基础，设计应满足格构柱传力要求，兼做两部斜行电梯基坑。地下结构平面尺寸为8.4m×11.5m，筏板左右两侧挑出1.8m，满足竖向承载力要求；筏板上下两侧挑出2.5m，消除风荷载、地震作用等水平力产生的地基零应力区；对筏板其中两个角部进行切角处理，避免超出用地红线。

基础2、基础3 采用多柱联合独立基础，平面尺寸均为16m ×16m；格构柱(基础1）与双 V型柱(基础2）最大跨度约为80m，基础2 承受较大偏心荷载，为消除地基零应力区，对基础2 平面进行偏心布置；基础3 因其从属面积荷载大、相邻侧为落地桁架，最大水平力达到14215kN。

图2 各基础平面Fig.2 Each foundation plan

基础4 采用筏板基础，平面尺寸为16m ×30m；上部结构荷载通过落地桁架经地下导荷斜墙传给筏板，再由筏板传给地基。

采用PKPM 进行基础沉降分析，基础1 ～基础4 的最大沉降计算值分别为6.77m、 25.54m、22.15m、 8.80mm。根据《建筑地基基础设计规范》[1]要求，沉降量与倾斜允许值分别为200mm和0.002，可知计算值仅为规范允许值的12.8%和17.1%。上部结构设计时，按基础沉降分析结果考虑支座位移对构件承载力进行复核。

3.3 基础抗水平力设计

根据表2 中标准组合荷载作用(不含雪载）下产生的水平力分析结果，基础抗水平力设计时，考虑结构、基础自重和基础底板微倾斜产生的摩擦力，计算结果见表3。

表3 考虑结构自重和基础自重产生的摩擦力Tab.3 The friction caused by the self weight of structure and foundation

表3、表4 中G为结构自重产生的竖向力标准值。计算总摩擦力时，土对基底的摩擦系数μ参考《建筑地基基础设计规范》[1]表6.7.5 -2，保守按碎石土参数取下限值0.4。

根据表2 中标准组合荷载作用(含雪载）下产生的水平力分析结果，考虑结构自重、雪载、基础自重和基础底板微倾斜产生的摩擦力，计算结果见表4。

表4 考虑结构自重、雪载和基础自重产生的摩擦力Tab.4 The friction caused by the dead weight of structure，snow load and foundation

基础1 ～基础4 剖面见图3。

图3 各基础剖面Fig.3 Each foundation section

基础1 为筏板基础，厚度为4m，满足格构柱埋入深度和柱底抗冲切要求。斜行电梯的集水坑为3.1m(长） ×1.5m(宽） ×1.5m(深），在筏板居中布置。

基础2、基础3 为多柱联合独立基础，底板厚3m，满足抗冲切要求，双V 型柱柱底外包混凝土柱尺寸为8m ×10m。对基础3 底板进行约5.4°放坡，以增加摩擦力抵抗水平力。

基础4 为变筏板基础，厚度为3m ～5.5m，是4 个基础中承受水平力最大的基础；在4 榀地下导荷斜墙间增设两片横向剪力墙，加强基础刚度与整体性。采用回填土增大配重和底板约10°的放坡方式，解决抗水平力问题。

设计中未考虑各基础侧面回填土体对抗水平力的有利影响，可作为工程的安全储备，施工后采用级配砂石分层回填夯实。

4 柱脚节点设计

4.1 双 V 柱脚节点

大跳台赛道主要荷载由2 组双V 型柱承担，2 根(1500mm × 1500mm ～ 1000mm × 1000mm） ×80mm 变截面箱形柱在柱底连接形成V 型柱，两V 型柱在-1.850m 标高通过2 根工字钢(H1000×400 ×16 ×30）连接。

变截面箱形柱在柱底连接形成V 型柱，合并后平面尺寸为1.5m ×4m，两 V 型柱间净距为3m；合并柱在-3.050m 标高沿四周挑出牛腿板，悬挑长度为500mm，牛腿高度为500mm，图4 为双V 型柱柱脚平面。

图4 双V 型柱柱脚平面Fig.4 Double V-shaped column base plan

按《钢结构设计标准》[2]12.7.9 条计算埋入式柱脚埋入钢筋混凝土的深度，取5m。按《高层民用建筑钢结构技术规程》[3]8.6.3、 8.6.4 条计算钢柱周边纵筋、柱脚的极限受弯承载力及与其对应的剪力。

柱脚设计时假定: 轴向力由柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础；弯矩由牛腿板和焊于钢柱翼缘的栓钉传给外包混凝土，再传给混凝土基础；V 型柱底部的水平剪力由外包混凝土和水平箍筋共同承担。在确定包脚部分钢柱周边纵筋时，不考虑钢柱承担弯矩。

采用有限元软件ABAQUS 对V 型柱脚节点进行有限元分析，选择1.1 ×(1.2 恒荷载+1.4活荷载+0.84 风荷载+0.84 降温荷载）最不利工况，节点应力分布如图 5 所示。最大应力341.1N/mm2出现在大截面柱与柱脚连接部位(图5 中 A 区）。截面由上至下逐渐合二为一，截面面积相应加大，应力水平逐渐下降，钢柱连接区域应力水平下降至255.9N/mm2(图5 中B区）；至柱脚下端，应力水平控制在113.7N/mm2(图5 中C 区），节点受力满足钢材材质要求，能够保证结构安全。

图5 柱脚节点应力分布(单位： N/mm2)Fig.5 Finite element calculation results of column base joint(unit: N/mm2）

柱脚底板采用80mm 厚钢板，地脚螺栓为M36；柱腔内沿高度设置 6 道横隔板，板厚为40mm ～50mm，横隔板中央设置圆孔，钢柱脚安装后采用C40 自密实混凝土进行压力浇筑(侧壁设置排气孔）。钢柱脚采用Q345GJD 材质钢材。图6 为双V 型柱柱脚剖面。

图6 双V 型柱柱脚剖面Fig.6 Double V-shaped column base section

4.2 落地桁架基础节点

大跳台赛道尾部由4 榀落地主桁架、横向连接桁架和赛道面板组成。落地主桁架与地下导荷斜墙通过铰接钢支座连接。荷载通过地下导荷斜墙传至筏板。落地桁架基础节点见图3d。

地下导荷斜墙为1200mm 厚钢筋混凝土墙，墙体竖向和水平向配筋为16@150(4 排），拉筋为8@300。钢支座埋板尺寸为 1200mm ×1200mm，底部与 3 组 H800 ×200 ×20 ×20 工字钢连接，为方便剪力墙钢筋通过，工字钢之间设 140mm 间隙。设置 2 道 600mm 厚横向混凝土墙，加强地下导荷斜墙的面外稳定和基础整体性。