龙华文体中心结构设计

2022-01-05何远明黄用军钟学赋贺逸云何哲宇易枝江毛同祥

建筑结构 2021年24期

何远明，黄用军，吴军，钟学赋，贺逸云，何哲宇，易枝江，毛同祥

(深圳市欧博工程设计顾问有限公司，深圳 518053)

1 工程概况

龙华文体中心位于深圳市龙华区清湖社区，定位为龙华区市民的健身场所，以群众日常文体活动为主，兼顾中小型赛事(丙级)。同时作为区剧团工作的宣传、展示载体，是便于辖区职工、青少年、妇女、儿童更好地了解剧团工作的文化体育设施项目。项目主要包括体育馆、室内游泳池、体育场、青少年宫、小型商业配套以及体育场、绿地等室外设施。建筑效果图见图1。本工程已于2021年10月28日完成主体结构验收。

图1 建筑效果图

总用地面积为84 011.63m2，总建筑面积为108 557.84m2。项目用地呈三角形，其中07-03地块用地面积为19 034.73m2，设置室外运动场地及景观绿化；07-05地块用地面积为64 976.9m2，设置为体育和文化场馆建筑设施，由体育功能区、青少年宫及两层空中花园上的小建筑组成。体育功能区包括体育馆、游泳馆、体育场、室外运动场及商业,青少年宫分为剧场、培训、办公、商业。

体育馆由训练场和比赛场、看台及观众、运动员、竞赛管理、媒体、技术设备等功能用房组成，共4层，建筑高度23.85m。青少年宫由剧场、培训室、商业等组成，共4层，建筑高度23.85m。游泳馆由标准泳池、训练池及戏水池组成，共2层，建筑高度23.80m。体育场由标准足球场、赛道、看台组成，建筑高度17.787m。地下室共2层，地下1层为商业、培训、泳池设备用房、车库及设备用房，地下2层主要为车库、人防及设备用房。游泳馆和体育场看台范围地下仅有1层地下室，体育馆和青少年宫地下有2层地下室。

设计基准期为50年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类。地面粗糙度类别为C类。方案阶段，验算变形时基本风压w0采用0.75kN/m2，构件承载力计算时按基本风压的1.1倍取值，即w0=0.825 kN/m2；初设阶段，采用风洞试验结果。

2 基础设计

拟建场地原始地貌主要为残丘坡地，局部地段为丘间谷地，现场地为空地。根据钻探揭露，场地内地层自上而下依次为：①人工填土、②-1淤泥质粉质黏土、②-2粉质黏土、②-3粗砂、③砾质黏性土、④-1全风化花岗岩、④-2强风化花岗岩、④-3中风化花岗岩、④-4微风化花岗岩。根据现场踏勘结果，拟建场地及其周边未发现岩溶、滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地面沉降、采空区及活动断裂等不良地质作用和地质灾害，场地属较稳定区域。在钻孔揭露和控制范围内，拟建场地的工程地质条件较复杂，其场地稳定性较好，地基稳定性较好，可以建筑拟建物。深基坑及岩面起伏较大是该场地的主要工程地质问题。

预应力管桩以强风化岩层作为桩端持力层。该桩型的优点是采用成品桩，施工速度较快，技术、工艺成熟，且造价较低。缺点是：采用锤击施工时，会对周围环境产生噪音及震动影响；单桩承载能力较低。场地开挖至设计地下室标高后，揭露地层为②-2粉质黏土、残积③砾质黏性土及④-1全风化花岗岩，桩长差异较大；另外，强风化花岗岩面起伏较大，局部有孤石，成桩较困难。

钻(冲)孔及旋挖灌注桩单桩承载力高，桩径及桩长选择自由度大，沉降量小，易于满足本工程结构大荷载的要求，且无需专门降水，对周边环境影响小，穿透能力强。但缺点是工程费用相对较高、持力层鉴定不直观、桩身质量及桩底沉渣不易控制，施工过程中产生的泥浆不方便排放，易造成环境污染。若选用该桩型，施工时则应采取适当控制措施，防止桩基质量问题的发生。

根据地勘报告，地下室底板板底标高横跨②-2粉质黏土层、人工填土，大部分底板处于人工填土，底板下土质不均匀。因此，综合考虑，采用桩基础结合防水板的形式，承台做成等厚度形式，长×宽为3.8m×3.8m，厚度为1 500～2 500mm；地下1层防水板厚度为400mm，局部500mm；地下2层防水板厚度为500mm，局部700mm。对不同桩径和混凝土强度等级的灌注桩和PHC桩进行了桩基选型，综合造价和施工速度等因素，确定采用500mm直径的PHC桩，以④-2强风化花岗岩为持力层(抗压兼抗拔桩)或仅入④-1全风化花岗岩，按桩长控制(抗拔桩)，采用静压施工。单桩抗压承载力特征值取为2 200kN，单桩抗拔承载力特征值取400kN。

3 主体结构设计

3.1 结构建模及基本概况

本项目最大建筑高度为23.85m，地上4层，地下2层。主体结构为钢筋混凝土框架结构，其中体育场看台屋盖和体育馆屋盖采用大跨度钢网架结构[1-5]。采用YJK和MIDAS Gen软件进行分析，结构计算模型如图2所示。

图2 结构计算模型

游泳馆位于龙华文体中心的西北角，共2层，地下室为1层。1层外廊道标高从地面至7.8m处，2层屋面标高从7m平台至20m处。通过室外大平台与其他单体联系。游泳馆屋盖为单坡大跨度屋盖，上下高差为13m，跨度为42m，屋面设有屋顶花园，屋盖跨中覆土最厚处为1.2m，坡道覆土均为0.6m。

体育场看台位于游泳馆东侧，紧挨游泳馆，整个看台为两层结构。1层层高4.7m，2层层高3.6m。看台形状狭长，南北向134m，东西向19m，看台钢网架结构屋盖支撑在看台弧形梁处。

体育馆位于龙华文体中心东部入口处，地上3层，地下室为2层。1层层高7m，2层层高8.5m，3层往上为网架屋盖。为了满足建筑使用功能，地下室1层未设置顶板，地下室2层顶板位于-3.1m标高处，直到地上2层设置楼板，属于局部大开洞结构。整个体育馆东西向柱距为60m，南北向柱距100m，1层与室外大平台相连，外廊道由室外大平台延伸至2层，且外廊道为单边悬挑结构。

青少年宫位于龙华文体中心南部，紧邻体育馆，属错层结构，退台层高分别为7，4.5，4.5，6m，地下室为1层。通过室外大平台与其他单体互相连接。青少年宫段在结构上是一个连续悬挑的坡道，悬挑跨度为8.1m，缓坡处理让整体建筑的天际线更加柔和舒展，建筑体量也被最大化地消隐。青少年宫屋顶设置逐层退台的空中花园，屋面覆土最高处厚1.2m。

室外大平台是连接游泳馆、青少年宫、体育馆3个单体的桥梁，结构层高7m，并且延伸至整个龙华文体中心的外沿，其中包含车道、人行道、绿化带、消防疏散通道等各类建筑功能。荷载作用较复杂。其中平台处绿化带覆土厚度统一为0.6m。

3.2 结构分缝

结构轮廓平面尺寸较大，考虑温度应力和混凝土收缩徐变可能带来的不利影响，结合平面特点和标高关系，设置3条结构伸缩缝(图3)，将结构划分为3个单元。通过设置多道后浇带(间距不大于30m)，来防止钢筋混凝土结构因温度变化和混凝土收缩引起开裂，后浇带设置位置如图3所示。地下室标高示意见图4。采用有限元方法计算楼板的温度应力并考虑收缩徐变的影响，根据计算得到的温度应力，附加补强钢筋，确保楼板不会开裂。

图3 结构分缝示意图(多个标高投影)

图4 地下室标高关系示意

3.3 结构分层不明显

现有规范体系的计算控制指标基本上都是基于层的概念提出的，如位移比、刚度比等。由于坡道和2层(屋面)大平台横跨各个楼层，使得水平力的向下传递具有多个路径，各楼层的分界不明显，无法采用规范给定的设计指标来明确评价。

从结构所受荷载来看，恒载(自重)、活载、温度荷载及混凝土的收缩徐变等，都与材料(外荷载)的固有特性相关，是客观存在的，与楼层的划分没有必然联系。风荷载与结构的迎风面投影面积相关，荷载数值与所处绝对位置相关，而不是楼层的相对划分。地震作用在规范体系中与层的联系较为紧密，规范中大多数层概念的指标也与地震力的取值息息相关。而实质上，振型分解反应谱法(CQC法)是通过计算结构的各阶固有振型和节点质量得到各振型下节点各个自由度上的地震作用当量，再由这些当量汇总得到宏观的楼层地震作用，而不是先有楼层地震作用再进行分配。因此，构件的地震力与层无关。层相关的宏观指标，如层刚度比、抗剪承载力比等，可引起地震力的调整。本质上来说，这类抗震措施是从结构抗震的概念上来判断常规结构可能产生的薄弱部位，并予加强以保证结构的受力安全。

对于分层不明显的结构，采用三维空间结构计算软件可准确计算构件所承受的各种荷载作用。用YJK和MIDAS Gen软件进行了对比复核；采用性能化设计，通过中震、大震分析等技术手段，可有效找出结构可能的薄弱环节，并采取相应的补强措施。

3.4 嵌固端位置

地下室顶板和地下1层底板均存在复杂的标高关系或楼板大开洞(图4)，不适合作为嵌固端，因此选择地下室底板作为结构的嵌固端。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)，地下室顶板的板厚取160mm。

3.5 钢网架设计

根据《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)[6]第4.1.3条“各种复杂形体的空间网格结构，当跨度较大时，应通过风洞试验或专门研究确定风载体型系数”，委托华南理工大学风洞实验室进行了风洞试验。测压建筑模型依据建筑图纸资料，以刚性材料制作而成，几何缩尺比为1∶200。试验模型安装在风洞试验段内4m直径的转盘上，图5为位于风洞中的测压模型，包括建筑本身及周边建筑，试验以36个风向角在湍流边界层来流条件中进行。

图5 龙华文体中心测压模型

大跨度屋盖结构的等效静风荷载比较复杂，首先采用CQC法对体育馆屋盖结构进行风振响应计算，找出X，Y，Z向位移响应最大的节点，进行第二次多目标风振响应计算，计算得出不同风向角下的节点力，考虑结构动态特性的影响，可作为设计荷载使用。将所得各工况下的节点力通过计算软件分工况反加到结构计算模型中，施加各风荷载工况下的节点力。

体育馆和体育场看台屋盖跨度大、体型复杂，柱位和边界条件不规则，被允许的结构厚度小，综合考虑采用了钢网架结构的大跨屋盖形式，用钢量低，造价相对便宜[1-4,7-8]。设计中采用多软件进行了对比分析，确保计算结果的可靠性。分析了柱位和柱刚度对网架受力的影响，通过分析确定了支座水平刚度并回代至整体结构计算中予以复核。根据以往项目经验，节点设计应全面分析其传力路径的可靠性和节点细部构造可能产生的影响，方能确保设计安全[9-10]。采用ABAQUS软件验证了支座节点的受力性能，满足受力需求。根据大跨结构的受力特点和重要性，进行了钢屋盖的整体稳定性分析，包括弹性、材料非线性和几何非线性，并用构件拆除法做了抗连续倒塌的模拟分析，整体满足要求[1]。

4 小震作用计算分析

采用YJK和MIDAS Gen软件分别进行多遇地震作用下的静力计算分析，验证结构各部位在多遇地震作用下的性能目标。YJK及MIDAS Gen软件均为三维空间分析软件，能够很好地模拟本工程的实际情况，两者计算结果吻合良好。

施工图阶段设置伸缩缝，将整个模型分成三部分，其中游泳馆(含体育场看台)部分和青少年宫(含体育馆)部分两个模型的周期对比结果分别如表1，2所示，由表可知，两种软件计算得到的周期结果基本吻合。

游泳馆部分模型周期及相对误差表1

青少年宫部分模型周期及相对误差表2

为进一步校核两种软件在复杂空间结构中的应用可行性，随机挑选了若干个构件，对比分析YJK与MIDAS Gen模型中各构件的单工况内力，并分析相应的误差大小。考虑到模型大小、分析工作量、数据样本的完整性和有效性等因素，游泳馆模型挑选了40根梁构件，20根柱构件；青少年宫模型挑选了81根梁构件，51根柱构件。

在本项目的计算分析中，YJK和MIDAS Gen两种软件的整体计算指标基本一致。各构件的单工况内力和组合内力值有一定的误差，但误差超出10%的数据较少，游泳馆部分模型和青少年宫部分模型的误差比例分别为4.3%和6.1%，在可接受的范围内，具有统计意义上的一致性。因此，可以认定两种软件计算模型的结果基本一致，均具有可靠性。

对本项目进行小震弹性时程分析，地震波由YJK软件自带，根据场地类别和特征周期选择了5条天然波和2条人工波，持时40s，峰值加速度35cm/s2。7条时程曲线所得到的基底剪力与规范谱CQC法计算值的比值的最大值为110%，最小值71%，均在规范要求的65%～135%之间，并且7条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值与CQC法计算得到的基底剪力的比值X向为94%，Y向为98%，均在规范要求的比值80%～120%之间，地震波的选取满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)要求。个别楼层时程分析的楼层剪力结果略大于CQC法的结果，将依据该比值结果对这些楼层的剪力进行放大。

5 中震、大震作用计算分析

采用YJK软件进行中震计算，并进行中震屈服判别，分析结构在设防地震作用下的工作情况。通过不同的参数设定，分别验算了中震不屈服和中震弹性两种工况，复核不同构件的中震性能水准，作为调整构件截面、配筋的设计依据。内力值涵盖恒载、活载、各方向地震作用(含偶然偏心，最不利地震方向、竖向地震)、风荷载、温度荷载。典型柱中震弹性计算结果如图6所示，A-1柱直径D为1 000mm，柱长度为5 140mm。由图6可知，所有工况的组合内力值均落在构件承载力的PMM包络曲面内，满足中震不屈服的性能目标要求。

图6 体育馆支承屋盖A-1柱弯矩M-轴力N曲线

采用PKPM SAUSAGE软件进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析，分析了结构在罕遇地震作用下的变形、构件塑性发展、分布情况，验证了大震不倒的整体目标和各类构件的大震性能水准。

6 温度应力分析

混凝土收缩徐变是混凝土材料的长期固有特性。混凝土结构及其构件的徐变、收缩效应伴随着结构施工的全过程和使用期，随着时间的延长，对结构构件长期的挠度变形、内力重分布和刚度等性能都有不可忽视的影响。混凝土的收缩应变是混凝土龄期的时间函数，同时又与混凝土强度等级、尺寸、环境相对湿度、水泥材质等因素有关系。混凝土的徐变与作用应力同向，大小与作用应力成正比，也是混凝土龄期的时间函数。

本项目结构平面尺寸超过了《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)要求的伸缩缝最大间距，需要同时进行温度应力分析，根据国内的研究成果和工程经验，100～200m左右的超长结构有成功不设伸缩缝的经验。而对于微膨胀剂与后浇带等技术措施，在行业内仍有争议存在。对此，采用较为合理的温度应力分析是采取合理措施的重要依据。

采用YJK软件进行考虑收缩徐变的温度荷载效应的弹性分析，计算得到楼板应力。同时使用SAP2000软件CEB-FIP90的公式计算收缩徐变，将两种软件得到的计算结果进行对比。考虑整体环境温差的影响，计算时考虑升温20℃及降温20℃两种情况。

YJK软件是按照线弹性理论计算结构的温度效应，对于混凝土结构，考虑到徐变应力松弛特性等非线性因素，温度效应引起楼面应力积累、变形积累导致首层边框柱产生附加弯矩。混凝土徐变与约束变形同向，可以一定程度抵消温度效应，相当于卸荷效应。实际的温度应力并没有弹性计算的结果那么大。因此在组合系数的基础上，应乘以0.3(徐变应力松弛系数)。

采用SAP2000软件CEB-FIP90的公式计算收缩徐变，得到的数据完全为弹性计算结果，不考虑弹性-徐变特征。

采用YJK和SAP2000软件计算得到的2层大平台楼板温度应力计算结果如图7所示，应力分布趋势基本一致，洞口周边应力集中，温度应力较大。根据计算结果，在楼板宽度较小的局部应力集中的位置设置伸缩缝(图3)，以缓解温度和收缩徐变的影响。地上采用框架结构，整体约束相对较小，温度和收缩徐变效应不是特别明显，楼板应力可控。地下室顶板的计算结果如图8所示，由于地下室外墙、人防墙、泳池侧壁等构件的存在，约束增加，温度应力明显增大。设计中，根据温度应力的计算结果，对梁柱和楼板的配筋进行包络设计，予以补强，确保结构不开裂。