淮州新城国际会展中心复杂钢结构设计

2021-08-06樊钦鑫孙亚琦贾雨萌郭亚楠杨超杰

建筑结构 2021年13期

樊钦鑫，孙亚琦，邹翔，谢军，贾雨萌，郭亚楠，徐瑞，杨超杰

(1 中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120；2 成都淮州新城建设投资有限公司，成都 610404)

1 工程概况

淮州新城国际会展中心位于成都市金堂县，建筑面积约4.5万m2，建筑高度35m，场地高差较大，东西两侧高差10m。建筑西侧、北侧、南侧出入口位于2层，东侧出入口位于1层。项目属于一类高层，耐火等级为地上一级。建筑设计以“太阳神鸟”为设计理念。建筑采用圆环形体量，直径由下至上约135～150m，契合太阳神鸟的基本轮廓，建筑效果图见图1[1]。

图1 建筑效果图

建筑功能主要是展厅、办公会议、航空博物馆等，无地下室，地上一共4层，首层层高10m(包括5m高夹层)，2层层高6m，3层层高5.5m，4层层高4～13.5m，屋面为轻质铝板和玻璃幕墙屋面。建筑典型剖面图见图2。

图2 典型建筑剖面图

本工程地形地貌属于金堂西部浅丘平坝区，该区域由沿江两岸的冲积平原和龙泉山脉边缘的浅丘区组成。地形较起伏，相对高差较大，最大高差26.82m。场地未见影响场地稳定性的崩塌、滑坡等不良地质现象,该场地相对稳定，为建筑抗震一般地段，适宜建筑。

本工程地基基础设计等级为甲级，基础采用独立柱基、条形基础，基础持力层为③2层中风化砂岩，承载力特征值fak为800kPa；局部基础持力层为④1层中风化砾岩，承载力特征值fak为1 200kPa；当遇到局部薄层强风化岩层③1，采用混凝土强度等级为C15的素混凝土进行局部换填并设计基底标高,每边宽出基础200mm，处理深度<2 000mm。土质承载力非常高，岩石基础沉降很小，满足规范对地基变形要求。

2 结构设计

2.1 设计参数

主体结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，建筑抗震设防类别为标准设防类；基本雪压为0.10kN/m2；基本风压为0.30kN/m2(50年)，0.35kN/m2(100年),地面粗糙度类别为B类。本地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅰ1类，多遇地震Tg=0.35s，罕遇地震Tg=0.40s。结构嵌固在基础顶，东西两侧高差10m，高侧采用永久支护挡土，支护与主体结构完全脱开。

2.2 结构选型及体系

本工程建筑形体复杂，柱间跨度及悬挑较大，柱网不规则，为圆形放射状，同时本工程地处地震高烈度区，采用钢结构体系更为合适。为进一步研究结构竖向刚度是否存在突变和扭转问题，选取钢框架-中心支撑结构与钢框架结构进行对比，见表1。

钢框架-中心支撑与钢框架结构对比表1

从表1中可以看出，钢框架-中心支撑结构体系明显优于钢框架结构。考虑到经济性、利用率、施工技术、周期、结构整体控制指标等因素，本工程结构体系采取钢框架-中心支撑结构体系(钢管柱+中心支撑+型钢楼面梁+钢筋桁架楼承板)。

采用钢框架-中心支撑结构，底座采用常规梁、柱支撑体系，圆环内主体、外壳采用空间钢结构体系。在环向屋脊的位置设置12根等分框架柱伸至屋面支承整个圆环，圆环边界设置等分网格与底座框架柱连接，形成整体空间结构。钢框架-中心支撑结构整体模型及结构体系构成模型见图3，4。典型悬挑空间体系剖面图见图5。

图3 结构整体模型

图4 整体结构体系构成图

图5 典型悬挑空间体系剖面图

主要构件截面参数见表2。典型钢筋桁架楼承板厚度120mm；在楼电梯间及外围隔墙内设置支撑，为了不影响建筑内部空间效果，支撑宽度控制在200mm以内，钢材材质为Q390B，Q345B。

主要构件截面参数表2

2.3 结构超限情况

根据住建部《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)[2]、《四川抗震设防超限高层建筑工程界定标准》(DB51/T5058-2014)[3]规定,经初步判断，本工程需抗震设防专项审查内容及主要超限情况如下：1)1层夹层的有效楼板宽度与该层相应位置楼板典型宽度比值小于35%，平面扭转位移比大于1.2；2)3层的有效楼板宽度与该层相应位置楼板典型宽度比值为21%(小于35%)，平面扭转位移比大于1.2；3)4层夹层为局部不规则。平面不规则超限示意图见图6。

图6 平面不规则超限示意图

根据《四川抗震设防超限高层建筑工程界定标准》(DB51/T5058-2014)要求，本工程存在多项特别不规则超限项：1)结构不规则扭转位移比大于1.2；2)屋面及4层楼层整体外挑尺寸a=13/8m>6m，见图7；3)楼板局部不连续(1层夹层、3层的有效楼板宽度与该层相应位置楼板典型宽度比值为35%)，见图6，8。本工程属于抗震设防超限高层建筑工程[4]。

图7 竖向不规则超限示意图

3 整体设计难点分析

3.1 建筑、结构、幕墙参数一体化设计

为努力探寻建筑结构合理的构成，实现建筑结构完美统一，通过Rhino+grasshopper软件进行参数化设计，在满足建筑空间及外形的同时优化结构的网格布置，追求合理的结构体系。结构屋面采用36道径向平面桁架+4道空间环桁架+菱形单层网壳的结构体系[5]，以空间钢结构网格定位为基准，对外维护系统的设计与施工全过程进行控制，实现建筑、结构、幕墙参数一体化设计，见图9，10。

图8 局部不规则

图9 主体建筑、结构、幕墙一体化网格图

图10 单层网壳网格图

为契合建筑芙蓉花的创意，中间单层网壳选择葵花形网格，这种网格的划分既增强了网格布置的规则性，改善了边界区域的杆件受力性能，又方便施工焊接及安装，大大提高了屋面围护结构施工精度。能够完美展现“技术与创新统一，结构成就建筑之美”的结构体系设计理念。

3.2 竖向刚度突变

由于标高16m以上外网格在楼层间的存在(图11)，造成2层与3层层间刚度比接近0.9，竖向刚度接近突变；同时因为钢框架-中心支撑结构为双重抗侧力体系，2层斜撑承担的剪力占总剪力的15%，斜撑抗侧力作用较小，不符合斜撑为双重抗侧力体系的结构设计第一道防线的理念。对2层进行如下优化(图12)：在外围框架柱间增加支撑并延伸至2层(标高10～16m)，其余支撑未变化[6]。

图11 结构抗侧体系立面图

图12 优化前后支撑对比

优化后的2层与3层层间刚度比接近1.0>0.9(图13)，2层斜支撑承担的楼层剪力占楼层总剪力的比值达到25%以上(表3)，保证了钢框架-中心支撑结构为双重抗侧力结构体系。

图13 优化前后层间刚度比对比

地震作用下斜支撑承担的楼层剪力占楼层总剪力比值/% 表3

从图13和表3中可看出，虽然刚度比满足限值要求，但是出于安全角度，结构概念设计认为2层为薄弱部位层，对其地震作用标准值剪力应乘以1.25的地震放大系数，并将16m标高以下的柱的钢材强度等级提高到Q390[7]。

3.3 大跨度悬挑舒适度

标高21.5m处的屋盖外围悬挑最大8m，外网格斜撑作用不明显，结构竖向刚度较小。建筑使用功能为展厅，人流相对密集，对楼盖振动舒适度要求较高。目前对楼盖振动舒适度控制主要有两个指标: 楼盖竖向振动频率和竖向振动加速度。大跨度悬挑部分楼盖自身的第1阶竖向频率为2.5Hz，不满足竖向振动频率大于3Hz的要求，需要采用峰值加速度来衡量其舒适度。

采用MIDAS Gen进行动力时程分析，考虑单人质量为75kg，人员密度约为1人/14m2，结合建筑功能采用了3种人行荷载模式进行分析：1)人行列荷载，每点输入步行一步荷载；2)竖向位移最大点处单点连续步行；3)竖向位移最大点区域按照人群密度进行人群行走下连续步行(图14)。

图14 荷载模式

图15为楼板最大竖向加速度。由图15可见，楼层各工况下最大竖向加速度约为0.177m/s2，不大于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)中规定的0.190m/s2的限值，满足楼盖舒适度控制要求[8]。

图15 楼板最大竖向加速度/(m/s2)

3.4 抗连续倒塌分析及加强措施

3层(标高16～21.5m)的屋盖网壳作为3层顶外环悬挑梁的支撑结构，承受着3层顶和屋盖传递的荷载作用。3层屋盖网壳主要杆件受压，这是结构稳定性分析的薄弱环节，故对此部分结构补充抗连续倒塌计算。通过删除3层的网壳结构(图16)，不考虑其有利作用，进而验算此状态下3层顶外环悬挑梁和上部屋盖的承载力和变形。

图16 结构拆除杆件示意图

采用拆除构件法进行抗连续倒塌设计：取消支承网格，采用弹性方法进行剩余结构构件强度和结构整体大变形抗连续倒塌分析：在1.0D+0.5L作用下，结构满足正常使用要求，在2.0D+0.5L作用下，结构满足强度要求(取屈服强度的1.25倍)，其中D为恒荷载，L为活荷载。

结果表明：悬挑钢梁杆件应力最大430MPa，均小于1.25倍材料标准值，考虑20mm的起拱，结构挠跨比为46mm，小于64mm，满足预设控制指标，3层顶的悬挑梁仍具有足够的承载能力和变形能力。即可以认为在2层网格失效的情况下，也不会引起结构大范围的连续倒塌，整体结构具有较高的抗连续倒塌的能力[9]。

为了增加悬挑梁的安全度，提高结构的抗连续倒塌能力，减小悬挑跨度和框架柱面外计算长度，在框架柱端部采取加腋构造措施(图17)，悬挑梁端部弯矩可以降低约10%，框架柱平面外弯矩和位移可以降低约10%。

图17 柱端部采取加腋构造措施

4 主要分析结果

4.1 整体静力设计

按照规范要求考虑各种荷载工况组合下结构承载力极限状态和正常使用状态下的性能。其中荷载工况包括恒荷载、活荷载、风荷载以及温度作用(钢结构屋面考虑+30℃，梁柱考虑+20℃，降温考虑-20℃，要求施工合拢温度在10～20℃)。

钢结构抗震等级为四级，钢构件采用Q345B或Q390B。所有荷载工况组合下，关键杆件应力比小于0.85(大悬挑相关构件、与支座连接构件、网壳)，其余杆件应力比小于0.9。构件应力比包络图见图18。

图18 构件应力比包络图

承载力计算时，屋面控制荷载组合为1.2D+ 1.4L+0.84[T-]+0.84W，构件最大应力比为0.89;单层网壳控制荷载组合为1.2D+0.98L+1.4[T+]+0.84W，构件最大应力比为0.53，满足设计要求，其中[T-]为降温作用，[T+]为升温作用，W为风荷载。

正常使用情况下，屋面在D+L工况下，Z方向的最大位移约为48mm，其短跨方向跨度为11.5m，相对支座的位移为25mm，挠度为1/484，满足1/250的设计要求；单层网壳在D+L工况下，Z方向的最大位移约为9mm，其短跨方向长度为40 000mm，挠度为1/4 444，满足1/400的设计要求(图19)。在升温、降温控制工况下，屋面外围的XY方向的最大位移约为26mm，其相对位移约为10mm，短跨方向长度为16 000mm，挠度为1/1 600，满足1/250的设计要求；在升温工况下，单榀桁架XY方向的最大位移约为22mm，相对位移约为8mm，其短跨方向长度为16 000mm，挠度为1/2 000，满足1/400的设计要求(图20)。

图19 变形云图/mm

图20 升温工况下屋面与桁架变形云图/mm

在温度作用下，设计中考虑环形结构温度作用对主体结构的不利影响，温度作用下变形主要方向是沿着结构的径向。而环向构件的轴向内力较大，在布置支撑时为避免约束结构在温度作用下变形，只在环向设置单斜杆支撑，同时加强环向钢梁或钢桁架轴向刚度，保证结构抗扭刚度与温度作用有效平衡。

桁架、单层网壳构件长细比：压杆120，拉杆150。其余构件的长细比、宽厚比、径厚比等满足《建筑抗震设计规范》(GB 5001l—2010)的相关要求。

4.2 整体稳定设计

单层网壳的跨度为40m，矢高为7.4m，矢跨比为1/5.4<1/5；屋面网格体系为平面径向桁架+环向空间桁架结构体系，整体性较好，没有出现整体稳定问题。现采用两榀主桁架之间的网格进行局部整体稳定分析，网格尺寸为13m×16m；为考察单层网壳和屋面局部网格体系是否有整体失稳的可能，选取了第1阶屈曲模态(图21)作为初始缺陷分布模态，初始缺陷取跨度的1/300。按照考虑几何和材料非线性影响分别进行整体稳定分析，结构失稳的临界点荷载值分别为结构正常使用状态承载力的12.6和4.2倍，满足规范要求[10]。

图21 第1阶屈曲模态

4.3 整体结构抗震性能化设计

本工程属于典型的复杂规则性超限：包括平面扭转不规则、楼板不连续、竖向不规则、局部夹层及穿层柱不规则。针对多重复杂的结构情况，采用YJK和MIDAS Gen计算软件对结构进行整体分析，在中震作用下，结构主要抗侧力及关键受力构件(包括框架柱、与支撑连接框架梁柱、屋面与框架柱连接桁架相关构件、关键节点)满足性能指标对应的弹性承载力验算要求。在大震作用下，结构仅部分框架梁及支撑进入塑性，钢结构抗震性能良好[1]。

4.4 屈曲约束支撑设计

支撑作为钢框架-中心支撑结构的抗震第一道防线非常重要，中心支撑采用屈曲约束支撑(BRB，见图22)，在小震作用下BRB处于弹性工作状态，其为结构提供附加刚度；设防、罕遇地震作用下，BRB为结构提供刚度并耗散地震能量(图23),减小其他构件损伤，大震作用下BRB耗能附加阻尼比为1%左右，提高了结构安全度。

图22 BRB模型

图23 大震作用下BRB滞回曲线

4.5 单层网壳圆柱节点设计

单层网壳的杆件截面较小，矩形管多杆交汇，节点受力复杂，相关焊接无法满足受力要求，且传统焊接球节点不满足建筑感官要求，因此本工程采用鼓状圆柱体节点(图24)。

图24 节点模型图

节点应力分布如图25所示，节点区域的最大von Mises 等效应力为175.746MPa，换算最大等效应力比为0.5，满足设计要求。

图25 节点应力分布图/MPa

5 针对超限情况的主要加强措施

(1)针对平面扭转不规则、局部楼板不连续的措施

1)为控制结构扭转周期比，减小结构扭转不规则，在环向布置中心支撑，形成强支撑体系；2)对大开洞楼层(标高为5m和16m处楼层)，楼板构造上厚度不小于120mm，配双层双向钢筋网，配筋率不小于0.25%，楼板设计满足中震弹性的性能化目标。

(2)针对悬挑体型收进不规则的措施

1)避免刚度及承载力突变，在3层悬挑处的斜角网格层减小斜网格构件截面，并采用两端铰接处理，最大化降低斜网格对整体刚度的影响。2)提高2层(斜角网格下一楼层)楼层侧向刚度，在外围增加8道环向支撑，刚度比满足规范要求，楼层地震剪力按照薄弱层乘以1.25的地震放大系数取值。提高2层(斜角网格下一楼层)框架柱承载能力，钢材强度等级由Q345提高到Q390。3)验算大悬挑结构的竖向舒适度，并采取减震措施，针对大悬挑采用拆分法进行抗连续倒塌设计，并在框架柱采取加腋构造措施[10]。

(3)其他措施

1)结构体系：采用抗震性能较好的钢框架-中心支撑结构，结构具有良好屈服与耗能机制。计算分析：考虑恒载、活载、风荷载、温度作用、地震作用组合工况下结构的承载力和变形、整体稳定设计满足要求。2)小震作用下1，2层的穿层柱不仅应满足应力比在0.8以内，而且控制轴压比也应在0.4以内(实现“强柱弱梁”)，并补充通高模型计算承载力，构件设计满足中震弹性的性能化目标。