横琴新区文化综合服务中心结构设计

林坤洪， 周小伟， 廖述江， 鲍明喜， 覃建华

(深圳市建筑设计研究总院有限公司， 深圳 518031)

1 工程概况

横琴新区文化综合服务中心位于珠海市横琴新区琴飞道西侧，总建筑面积约为142 560m2。建筑设计从城市角度出发，通过顺应山水格局，形成北高南低的城市空间形态，建筑效果图见图1。建筑由北至南，形成跨度34.2m的图书馆、跨度45.6m的文化馆、跨度45.6m的科技馆三个拱形大空间，以及一个22.5m的悬挑空间结构，功能分区见图2。

建筑整体平面为矩形，尺寸约为89m×205m。主体结构地上共9层，1～4层层高均为6.0m，5～9层层高均为4.5m。结构沿南北方向从南到北依次收进，主体结构地上3～9层形成逐级退台效果，屋面标高分别为18.000m(3层)、28.500m(5层)、37.500m(7层)、46.500m(9层)。

图1 横琴新区文化综合服务中心效果图

图2 横琴新区文化综合服务中心功能分区示意图

图3 剪力墙+框架柱

图4 拱形钢桁架+联系梁

图5 拱形钢桁架+剪力墙+框架柱+转换柱

工程结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，抗震设防类别为重点设防类，抗震措施按8度、地震作用按7度设计，基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.55s。基础采用预应力混凝土管桩，桩端持力层选粗砂层，桩端阻力特征值为4 000kPa，有效桩长约20～38m。

2 结构体系及特点

2.1 结构体系

建筑通过布置四个横向贯通的交通分隔带，在纵向上隔离出三个拱形大空间以及一个悬挑空间，并在其上布置建筑功能。结合该特点，结构在交通带上布置剪力墙以满足抗侧要求并起到加强空间联系的作用，在纵向上采用三个拱形钢桁架(由北至南分别为1#，2#，3#拱)及一个悬挑钢桁架(4#悬挑)，并在其上设立转换柱以实现建筑功能要求。结构体系构成如图3～5所示。

结构在纵向上共设立8榀拱形钢桁架-剪力墙结构，并通过横向钢梁联系成整体。由于建筑使用功能要求，有4榀为完整拱形钢桁架P1和4片剪力墙(图6)，有2榀为完整拱形钢桁架P2和悬挑处1片剪力墙(图7)，剩下2榀拱形钢桁架P3在1#和2#拱空间中断开，3#拱空间仍为完整拱形钢桁架并通过剪力墙与悬挑拱桁架连接(图8)。

2.2 结构超限情况

本项目地上9层，结构屋面高度46.5m。依据现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[1]及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)的规定，经判别本项目存在如下不规则项：1)拱形大空间在2～5层属于楼板开洞，楼板不接续；2)逐级退台效果导致塔楼缩进大于25%，尺寸突变；3)拱形钢桁架上设转换柱，竖向抗侧力不连续。除此之外，结构还存在大跨度(45.6m)、大悬挑(22.5m)的复杂情况。

图6 拱形钢桁架P1+剪力墙

图7 拱形钢桁架P2+剪力墙+框架柱

图8 拱形钢桁架P3+剪力墙+框架柱

2.3 结构抗震性能目标

本项目采用基于性能化的抗震设计方法，总体性能目标定为C级。结构体系中各部分构件的抗震性能目标如表1所示。

结构抗震性能目标 表1

3 结构整体分析

由于结构2～5层存在楼板不连续，因此在计算构件内力时采用带楼板和不带楼板两种模型进行包络设计。小震指标计算时采用带楼板的模型，分别采用YJK和MIDAS/Gen两种结构设计软件进行整体结构计算分析，并进行相互校核，主要计算结果见表2。由表2可见，两种软件计算结果较为接近。

两种软件计算结果对比 表2

在小震作用下，对P1和P2两榀拱形钢桁架整体受力分析(图9)时发现，1#和2#拱顶位置钢梁受力较复杂，采用压弯构件进行设计；P3由于在1#和2#拱位置处断开，形成悬挑结构，斜柱及悬挑根部杆件受力较大(图10)；4#悬挑结构在与剪力墙相连部位内力较大，选择在该剪力墙暗柱内埋型钢，以满足受力需要；地下室顶板处，拱之间联系梁受到较大压力，采用压弯构件进行设计，拱范围内梁受到较大拉力，采用拉弯构件进行设计。

图9 P2整体受力分析

图10 P3整体受力分析

中震作用下，采用YJK软件进行中震弹性和中震不屈服计算，控制相应构件的性能化水准，结果表明各拱形钢桁架结构、框架柱、剪力墙、框架梁及连梁均能满足设定的性能化目标。

大震作用下，采用PERFORM-3D进行动力弹塑性分析，判断结构和构件在大震下对应的性能水准，结果表明各构件均能满足设定的性能化目标，结构在大震下能满足大震不倒的设防目标。

图11 2#拱节点选取

4 结构设计中的关键问题分析

4.1 关键节点有限元分析

本工程钢桁架节点形式为全焊接节点，杆件截面类型较多，不同杆件多角度交汇，受力复杂。在分析中选取桁架节点中受力较大、交汇较多的悬挑桁架根部节点以及拱脚节点等几个关键节点进行受力分析，节点选取如图11，12所示。

采用通用有限元分析软件ABAQUS进行计算分析。节点验算采用von Mises 强度准则，钢材选用Q355钢，弹性模量为2.06×105N/mm2，泊松比为0.3；混凝土强度等级选用C40，弹性模量为3.25×104N/mm2，泊松比为0.2。节点全部采用实体单元模拟。

建立节点3有限元模型，网格划分及边界条件如图13所示。选取剪力墙底节点约束所有自由度，剪力墙顶约束平动自由度，其余杆端施加荷载。混凝土及型钢构件应力分布如图14所示。由图14可知，在大震作用下，节点区域混凝土的应力均在5.7N/mm2以下，低于材料的抗压强度设计值(19.1N/mm2)，型钢构件应力均在30N/mm2以下，远低于材料的强度设计值(305N/mm2)，满足不屈服的抗震性能目标。在节点板连接处存在明显的应力集中现象，特别是斜拉构件与水平横梁相连部位，设计中针对应力较大的地方局部加大板厚。

图12 4#拱节点选取

图13 节点3有限元模型及边界条件

图14 节点3混凝土及型钢构件应力分布/(N/mm2)

4.2 楼板应力分析

本项目中的楼板，存在以下几个问题：由于结构存在较大的楼板开洞，易形成楼板弱连接部位；4#悬挑结构悬挑长度较大以及拱形钢桁架P3在1#和2#拱位置形成悬挑结构，悬挑部分楼板将受到较大的拉力作用；地下室顶板在拱范围内及拱之间受到较大的拉力和推力。

基于诸多不利影响，对楼板进行应力分析，采用YJK软件计算楼板在重力荷载以及中震作用下的应力分布。本工程楼板厚度为120mm，屋顶层楼板厚度为150mm，地下室顶板厚180mm，混凝土强度等级均为C30。地下室顶板及3层楼板在重力荷载标准组合下的应力分布如图15所示。

图15 地下室顶板及3层楼板在重力荷载标准组合下的应力分布/(N/mm2)

由图15可知，应力值较大的区域主要有：地下室顶板在拱脚位置、4#悬挑结构位置、楼板与楼梯间剪力墙相连的边缘位置、桁架拉杆区域，因此，应根据计算结果加大相应位置的楼板配筋。通过对地下室顶板在拱脚位置、剪力墙四周及桁架弦杆四周拉应力较大处加配斜筋(配置阴、阳角部钢筋予以加强，见图16)，并对楼板开洞较大的部分加大板厚，以保证整体水平刚度；通过对板弱连接部位及应力较大部位采取加大板厚及配筋的措施，对4#悬挑结构根部楼板采取布置后浇带的措施以减少悬挑处变形过大对楼板造成的不利影响，对拉应力较大的部位设置平面内支撑，保证楼板满足中震不屈服的性能目标。

图16 板角加强钢筋构造图

图17 典型楼板应力分布/(N/mm2)

图18 第一振型(fs=3.43Hz)

图19 第四振型(fs=4.30Hz)

图20 步行路线2示意图

4.3 温度应力分析

由于本塔楼体型超长，纵向长度205m左右，且没有伸缩缝，因此，在计算中需考虑温度变化导致的附加荷载和应力对建成结构的影响。

基本温度取珠海地区50 年重现期的月平均最高气温Tmax和月平均最低气温Tmin。由于《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[2]表E.5和广东省标准《建筑结构荷载规范》(DBJ15-101—2014)表E.4.4均没有珠海市的基本气温值，故参考深圳市基本温度的建议值，即Tmax=35℃，Tmin=8℃。结构合拢温度取全年平均温度21℃，最大温升工况及最大温降工况分别为ΔTk=+35-21=14℃和ΔTk=8-21=-13℃，计算时取升温15℃和降温15℃工况。

典型楼板应力分布如图17所示。由图17可知，剪力墙与楼板相连的周边、洞口周边、角部等区域应力集中现象明显，应在施工时严格控制封带温度，同时在剪力墙周边一跨、洞口周边、角部等区域设置双层双向拉通钢筋，在温度应力计算结果集中部位按计算结果配置钢筋，抵抗温度应力带来的影响[3]。

4.4 楼板舒适度分析

本工程采用MIDAS/Gen对3#拱及4#悬挑结构位置处展厅楼板进行舒适度分析。人行走过程产生人体质量的运动，可以采用步行荷载进行时程分析模拟其过程，在有限元模型中考虑结构的质量、刚度与阻尼的影响，由分析结构中控制点的振动加速度对楼板结构进行合理的舒适度评价。

对楼板振动分析模型进行模态分析，得到4#悬挑结构及3#拱位置楼板竖向振动模态出现在第一振型(图18)和第四振型(图19)，对应的自振频率均满足规范对楼板竖向基本自振频率3Hz的最小要求。在自振模态响应最大位置处各布置两条行走路线，图20为步行路线2示意图，采用了MIDAS/Gen中提供的步行一步荷载函数(Baumann)对楼板进行激励，函数曲线如图21所示。得到各点的最大竖向加速度amax为0.026m/s2(图22)，小于0.15m/s2，满足规范对楼板振动竖向加速度的限值要求。

4.5 施工模拟分析

采用MIDAS/Gen对结构进行施工模拟分析，考虑1层为一个施工阶段，核心筒先于钢结构一个施工阶段，即先施工1～3层的核心筒，接着施工钢结构以及上部4层的核心筒，以此类推，共分为11个施工阶段进行模拟施工计算(图23为阶段7施工过程)。由于本塔楼纵向长度205m左右，且没有伸缩缝，为了减少混凝土楼板收缩变形的影响，施工工序中预留2#拱4～6层钢结构部分在最后阶段进行合拢拼装。

图21 步行一步(Baumann)荷载函数曲线(行走路线2)

图22 行走路线2上各点的加速度时程曲线(amax=0.026m/s2)

图23 施工模拟阶段模型(阶段7)

图24 4#拱两种工况轴力对比/kN

通过对施工模拟和一次性加载(一次形成刚度)两种工况进行对比(图24)可知，相对于一次形成刚度的结果，考虑施工次序后，拱形钢桁架的内力(轴力、弯矩)增幅较大，特别对于拱形钢桁架下弦部位，增幅明显；拱形钢桁架上部的框架部分，内力相对较小，这是由于一次形成刚度，拱形钢桁架的受力考虑了上部框架的共同作用，而施工模拟工况下，弱化了上部框架结构的共同作用。

施工模拟工况与正常使用状态挠度对比 表3

图25 施工模拟工况下挠度值/mm

施工模拟工况下整楼模型挠度见图25。由图25可以看出，结构最大竖向挠度为65.1mm，位于悬挑拱3层楼板处。各个结构部位在施工模拟工况下的挠度与正常使用状态下的挠度对比见表3。由表3可知，由于施工模拟工况未考虑拱形钢桁架与上部框架的共同作用，挠度大于正常使用状态下的挠度，但各个部位的挠度均小于《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[4]中要求的挠度限值L/400，其中L为受弯构件的跨度，满足规范设计要求。

5 结语

对珠海横琴文化综合服务中心项目结构方案做了详细的介绍，由于建筑功能要求较多且建筑形体较复杂，因此结构方案比较复杂，存在楼板不连续、尺寸突变、竖向抗侧力不连续、大跨度以及大悬挑等多项不规则和难度情况。

针对相关问题和特点，选取带拱形钢桁架的钢框架-剪力墙结构体系，对不同结构部位的构件设定合理的性能目标，并通过对小震、中震、大震作用下结构的受力情况进行分析，找出薄弱部位进行加强，以期满足既定的性能目标。针对关键性问题，选取合理的计算模型进行补充分析：对复杂节点的受力情况进行有限元分析；分析楼板在各种不利工况下的应力分布情况；考虑温度应力对结构的不利影响；对楼板进行合理的舒适度评价；考虑施工模拟工况下结构的受力情况并与一次性加载进行对比。施工图阶段将根据分析结果对薄弱部位采取相应的加强措施，从而多方面保证结构的安全可靠。