浅谈摩天轮下商业建筑结构方案的设计——以爱摩轮商业广场工程为例

陈 清

（福建博宇建筑设计有限公司，福建 福州 350001）

1 工程概况

爱摩轮商业广场位于福州市晋安区东区板块，项目用地南侧为晋安湖公园，西侧为后浦路，北侧为住宅小区（已建）。工程总建筑面积为23657.00m2，其中地上建筑面积为10774.37m2，地下建筑面积为12882.63m2，建筑占地面积为6483.15m2，主要建筑包括1 座1-2F 的商业广场、娱乐及配套建筑、摩天轮。

2 结构设计概况

该工程为钢筋混凝土框架结构体系，结构的设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组，水平地震影响系数最大值αmax=0.08，场地土类别为III类，场地特征周期Tg=0.65s。地面粗糙度B 类，基本风压0.7kN/m2（50年一遇）。地下一层，地面以上二层，屋面结构面标高10.800m；在屋面上设置摩天轮，支承摩天轮的四个框架柱采用钢管混凝土柱，四个钢管混凝土柱的距离为32×58m；摩天轮直径107m，摩天轮高度110m，吊厢运行速度0.2m/s，转速每圈28min（效果图见图1）。

根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008[6]条文说明第6.0.5 条，本工程商业建筑面积大于17000m2，故建筑抗震设防类别为重点设防类，建筑结构安全等级按一级，重要性系数取值1.1，钢筋混凝土框架结构抗震等级二级。大跨度型钢混凝土梁、型钢混凝土柱及钢管混凝土柱抗震等级一级。桩基设计等级甲级，据地勘报告，经多方案比较，该工程钢管混凝土柱下采用冲（钻）孔灌注桩，其余柱下采用PHC 预应力管桩基础，该工程采用YJK 建筑结构设计软件计算分析。

图1 建筑效果图

3 摩天轮柱脚内力分析及电算输入

摩天轮结构主要由四个箱型立柱和中心销轴组成，立柱铰接于主体结构上，故立柱柱底支座反力主要由水平力和竖向力组成。最初摩天轮设计单位仅提供极限承载状态和正常工作状态下的支座反力包络值，虽然知道了支座反力极值，但是实际上摩天轮在自重、风荷载、地震作用工况下，四个柱脚的反力方向和数值是截然不同的，仅知道柱脚反力包络值无法在计算软件中进行整体的计算分析。基此，摩天轮设计单位又重新提出了各单工况下支座反力，各单工况分别为恒荷载、活荷载、活荷载（1/偏载）、正风荷载、侧风荷载，45°斜风荷载，正向地震作用、侧向地震作用、斜向地震作用、竖向地震作用。

YJK 计算软件中的荷载输入主要有恒载和活载输入，而要想摩天轮立柱柱底风荷载和地震作用工况下的支座反力参与主体结构整体计算分析，则应在自定义工况中选择相应的工况类型添加设置。在荷载输入前还需对摩天轮的支座反力数据进行整理分析，主要应注意以下几点：

（1）摩天轮设计单位采用的分析软件为美国的ANSYS 有限元软件，其坐标轴命名方式与YJK 不同，荷载输入时应注意坐标轴方向保持一致。

（2）摩天轮设计单位提供的荷载均为支座反力，将荷载输入YJK计算模型当中的时候应为作用力，故应将厂家提供的荷载乘以-1。

（3）YJK 计算程序的正向风方向为由南至北，故应注意输入风荷载工况时荷载方向是否一致。

（4）在YJK 前处理参数设置里的荷载组合表中应勾选“采用自定义组合”，并生成默认数据，得到新的组合表用于后续计算。

4 摩天轮立柱下的主体结构柱方案

由于摩天轮仅四根立柱，柱下的内力较大，结合以往类似工程经验，支撑摩天轮立柱的结构柱形式可考虑采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱。型钢混凝土柱外包的混凝土可以阻止其中型钢的局部屈曲，使钢骨的钢材强度得以充分发挥，节省钢材50%以上，外包混凝土解决了钢结构防腐和防火问题。与钢筋混凝土结构柱相比，由于混凝土的约束作用，柱的抗剪和抗弯承载力提升显著。但是型钢柱对施工单位的技术和管理能力要求较高，既要求进行钢结构的制作及现场安装，又要求现场支模板、绑扎钢筋和浇筑混凝土，施工工序较多，工程质量不易把控。

钢管混凝土柱是利用横向钢管，对钢管内混凝土施加侧向约束，使混凝土处于三向受压应力状态，内填微膨胀混凝土反过来又提供支撑作用阻止薄壁钢管受压时的局部屈曲，增强了钢管壁的稳定性，使钢管的抗压强度得以充分发挥，提高钢管柱的抗剪抗弯承载力，避免单纯的高强混凝土生产难度大，低延性、脆性破坏等缺点；钢管混凝土柱与普通的钢筋混凝土柱相比，由于承载能力大幅提高，且没有轴压比的限制，柱的截面尺寸显著减小，与型钢混凝土柱相比，截面面积也可减小很多，可满足建筑空间功能使用需求；钢管内的混凝土由于钢管的约束作用，受压时的脆性破坏转变为延性破坏；由于和混凝土共同作用采用薄壁钢管，避免了使用厚钢板，更有利于钢构件的加工制作和现场焊接施工；在火灾环境中，钢管内的混凝土材料热传导系数较钢构小很多，故延长了钢管柱的耐火极限，防火性能优于纯钢结构。但是钢管柱的钢管在制作和施工过程也具有一定难度，本工程圆形钢管柱直径较大，规范对焊接后的钢管垂直度有严格要求，这就需要现场焊接时应采取相应措施，注意焊接的顺序和焊接时的变形影响；钢管柱内的混凝土施工属于隐蔽工程，混凝土质量无法直接目测，只能依靠施工人员的责任心和严格现场监督管理，如果超声监测发现混凝土缺陷，存在缺陷补强困难等问题。

本工程摩天轮钢立柱传递至主体结构的拉压力及水平力较大。对于型钢混凝土柱，为了保证其具有良好的延性和耗能能力，规范对其提出了轴压比的限值。而钢管混凝土柱作为压弯构件在轴压比较大时，仍具有一定抗弯能力。因此从受力性能上，钢管混凝土柱的承载力和延性比型钢混凝土柱好，该工程最终采用钢管混凝土柱方案。

5 钢管混凝土柱及型钢混凝土组合结构设计

首先钢管混凝土柱的截面尺寸设计与摩天轮的柱脚埋件尺寸及内力关系密切，摩天轮柱脚底板直径1900mm，螺栓群的直径为1700mm，立柱底最大水平力设计值为17950kN，为了满足摩天轮的柱脚预埋需求且尽量减小对下部建筑使用空间的影响，钢管混凝土柱在接近屋面时直径为2000mm，其余楼层直径采用1500mm，并按1∶7坡度进行过渡设计，钢管壁厚30mm，变截面处设置30mm 内隔板，柱内填充C60 微膨胀细石砼，经计算分析，钢管柱的最大轴压比为0.28，最大剪力设计值与受剪承载力比值为0.40，具有足够的安全储备，同时采取加强钢管柱周边的框架梁配筋率和型钢混凝土梁的含钢率等措施。

由于建筑方案需求，屋面形成大跨框架结构，屋面板上具有景观覆土及摩天轮运行施工等荷载作用，荷载效应较大，且钢管柱间的框架梁还承担着传递摩天轮柱脚水平力的作用，因此结构方案设计时考虑在大跨度结构和四个钢管柱间框架梁采用型钢混凝土梁柱作为主要受力构件（屋面结构平面见图2），利用型钢构件的高强度、高刚度特点以保证大跨度框架具有较高的承载能力及延性，相对于普通混凝土梁，采用型钢梁能有效降低结构梁高，满足建筑设备专业对空间净高的使用要求。对于大跨度的型钢混凝土构件，提高其抗震等级，在满足计算要求的情况下，型钢混凝土构件含钢率按不小于5%控制，加强大跨度相关结构构件的配筋做为安全储备。

图2 屋面层结构平面图

6 屋面楼板应力计算分析

摩天轮钢立柱柱底的Y 向水平力较大，对于Y 向立柱间的屋面板需承担水平力的传递和变形协调任务，故会引起楼板局部应力的增大和集中。因此，对楼板应力分析是该项目的设计重点之一，除对楼板进行竖向承载能力计算外，还需对屋面楼板进行应力分析计算。在X 向风荷载和地震工况下，屋面楼板应力分布情况较为均匀，在Y 向风荷载和地震工况下，应力较大部位则主要集中于钢管柱周边楼板以及洞口周边区域楼板，通过分析计算结果可知，X、Y 向屋面楼板拉应力最大值均小于混凝土抗拉强度标准值，同时对于局部应力较大部位可采取加大板厚、加强配筋等措施，楼板出现开裂可能性较小。另本工程建筑平面为圆形，直径总长约85m，中庭开洞直径约13m，主体结构未设置结构缝，根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 第8.1.1 条，现浇框架结构伸缩缝最大间距为55m，已超过规范限值[1-5]。

基于以上几点原因，为了提高屋面楼板的刚度、承载力及抗裂性能，本工程屋面板厚度取150mm，配置双层双向钢筋网，配筋率不小于0.25%，屋面梁板混凝土强度取C40。同时在Y 向钢管柱间区域楼板设置4000×300mm 楼板加强带，保证应力集中区域楼板不开裂，楼板加强带配筋大样，见图3。

图3 屋面钢管柱间楼板加强带配筋大样

7 结束语

（1）摩天轮四个钢立柱下柱底内力复杂，在各工况荷载作用下，柱底内力的方向和数值差异较大。同时，由于摩天轮结构和主体结构的计算软件不同，因此如何考虑摩天轮柱底内力在YJK 计算软件中的输入和主体结构的整体计算分析，也是本工程设计的重难点之一。

（2）对于摩天轮立柱下结构柱方案，型钢混凝土柱和钢管混凝土柱各有利弊，通过分析两者的工作机理及力学特点，综合多方因素，最终采用钢管混凝土柱。

（3）钢管混凝土柱截面设计，不仅需考虑受力性能要求，还需与摩天轮设计单位密切沟通，结合摩天轮立柱的预埋件方案综合考虑，确保后期预埋件施工的可实施性以及使用期间的安全可靠性。

（4）对于大跨度长悬臂结构，可采用型钢混凝土组合结构形式，利用其高强度、高刚度的特点以有效缩小结构构件尺寸，从而迎合建筑大空间需求。

（5）对于摩天轮立柱间屋面楼板，可采用YJK 等软件进行楼板应力分析，对可能出现的薄弱部位采取加强措施，提高楼板的刚度和承载力。