第十届中国花卉博览会复兴馆结构分析与设计

2023-12-27刘桂然李梦露

建筑结构 2023年24期

刘桂然, 李梦露

(上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概况

第十届中国花卉博览会建设项目位于上海市崇明岛中北部的东平国家森林公园及周边地区,复兴馆为主场馆,用地面积约为5.7万m2,期间承担了35个省、直辖市、自治区及港澳台地区的室内布展功能[1]。

复兴馆为单层中型展览建筑,建筑面积3.7万m2,平面尺寸约303m×123m,地上局部三层,局部设置一层地下室。屋盖造型为错列波浪形屋面(图1),取“波澜壮阔”的复兴之意。屋面高度为10～16m,建筑柱网尺寸18m×18m、18m×9m,上部结构采用钢框架结构体系。

图1 建筑实景图

结构设计使用年限为50年,结构安全等级为一级,抗震设防烈度为7度(0.1g),抗震设防类别为丙类,场地类别为上海Ⅲ类,基本风压为0.55kN/m2。

2 地基基础及地下结构设计

本工程局部地下室一层,地下室埋深约5.15m,无地下室基础埋深约2.90m。对于有地下室范围采用了桩基+筏板的基础形式;对于无地下室区域,采用桩+承台+基础梁的基础形式,基础底板厚度为500mm。

地勘资料表明:第⑤2层灰色黏质粉土夹粉质黏土,层面埋深约27m,层厚5.50～11.0m,层顶标高约-23.00～-26.79m,很湿,中密,中等压缩性,含云母屑,土质尚均匀,该层静探比贯入阻力平均值为2.78MPa。本工程桩基设计时,选择第⑤2层作为桩端持力层,桩型采用PHC预制管桩,桩直径取500mm。无地下室范围的桩长约30m,单桩抗压承载力特征值为1 050kN;有地下室范围的桩长约28m,单桩抗压竖向承载力特征值为1 000kN,单桩抗拔承载力特征值为580kN。最大沉降量约为14mm。

地下室结构局部结合建筑隔墙、楼电梯间墙设置混凝土墙,增加地下室整体刚度[2-3]。地下室顶板楼面采用梁板结构体系。

3 主体结构设计

3.1 结构选型与布置

由于本场馆柱网跨度较大、屋面结构不规则,且有40%的预制率要求,综合以上情况及建筑功能的要求,结构采用了钢框架结构体系(图2)。考虑建筑效果要求并根据本项目楼板较少、屋盖在长向呈波浪形有利于温度应力释放等特点,整体结构未设缝。结构平面和剖面图见图3和图4,其中结构二层为局部少量夹层。

图2 结构三维模型

图3 结构平面图

图4 结构剖面图

本工程框架柱采用圆钢管柱,框架梁采用焊接H形截面或箱形截面,框架梁与框架柱均采用刚接。其中,框架柱为500×25～600×35方钢管和600×25～900×30圆钢管,框架梁截面为HM488×300×11×18～HM588×300×12×20。

经判断,结构存在以下不规则项:不按楼面分区情况下考虑偶然偏心的扭转位移比为1.39、三层楼板的有效楼板面积占比为25%、屋面错层、局部楼层存在穿层柱和夹层等。结构不规则项共有三项,属于特别不规则结构。

3.2 结构概念分析与计算假定

本项目上部结构造型较为复杂,楼层特征非常规,需要结合各个楼层具体的情况判断,并确定用以模型计算的楼层假定。

由于二层面积较小(小于整层面积的30%),可认定该层为夹层,整体指标计算和判定时忽略夹层的影响,在内力分析时考虑夹层的作用。三层面积略大于整层面积的30%,三层与屋面上下重叠面积为3492m2,其余面积为平屋面,与坡屋面低点相连;分析计算三层(高度10m处)和坡屋面(高度10～16m处)的变形和刚度。三层和屋面的变形存在一致性(图5),且三层和屋面的刚度比仅为0.08。分析发现,三层的各项结构性能与屋面相协调,因此将三层和屋面视为一个空间层,考察结构竖向规则性指标时,按整体考虑。

结构存在较多穿层柱,且屋面有错层,对于屋面各区域竖向构件,不同位置竖向构件在屋面处的顶部节点高差较大,抗侧构件的长度也有较大差异,最大层间位移与平均层间位移比不具有常规的参考意义。根据上述情况,本工程采用《抗规》[4]中统计方法,即在具有偶然偏心的规定水平力作用下,扭转位移比采用楼层两端抗侧力构件弹性水平位移的最大值与平均值的比值,即分区考察该层最大位移与层平均位移的比值。以该方法来实现对结构性能指标的准确评估。

3.3 结构抗震分析与计算

结合本工程的实际情况,将主要结构构件的抗震性能目标定义如下:穿层柱和楼板错层处的框架柱定义为关键构件,控制其设防地震下柱正截面不屈服,斜截面弹性;三层和屋面层楼板满足设防地震下不屈服。

多遇地震作用下采用YJK软件对结构分析计算的主要指标见表1。

表1 结构自振特性

根据表1所示的结构自振特性分析结果,结构的前2阶振型均为平动,第3阶为扭转,且周期比小于0.9;最大层间位移角为X向1/506、Y向1/432,满足1/250的限值要求;剪重比(表2)均满足大于1.6的限值要求。

扭转位移比采用楼层两端抗侧力构件弹性水平位移的最大值与平均值的比值,分区考察该层最大位移与层平均位移的比值(图6)。根据表3结果,所有区域的扭转位移比均小于1.2,且小于不分区的统计结果。

表3 结构分区统计位移

图6 三层平面布置示意图及分区统计点编号

3.4 嵌固端选择及设计

复兴馆的首层无地下室区域,为刚性地坪,除外围幕墙处设置混凝土梁外,其余均无结构梁板。首层的结构布置如图3(a)所示。

承台顶面位于-2.00m标高处,±0.00标高至承台顶面为混凝土柱脚,钢柱下插至承台顶面。根据《钢准》[5]中对于外包刚接柱脚的要求,外包混凝土厚度根据柱截面大小取200～300mm,承台至首层的局部剖面如图7所示。为判断选择混凝土柱墩顶面(±0.00标高)作为上部结构嵌固端的可行性,取单独一榀框架结构,按照有无下部混凝土柱结构模型,分析首层以下的混凝土柱对整体结构的嵌固作用。

图7 首层柱脚局部剖面图

当取单跨框架分析时,得到模型1A和模型1B(图8)。其中,模型1A中钢柱长12m,钢柱截面为φ900×30和φ600×25,柱底均为固定支座;模型1B中钢柱长12m,钢柱截面同模型1A,钢柱下端为2m长混凝土柱墩,总长14m,混凝土柱截面为1 400×1 400、1 000×1 000。施加1 000kN的水平力,考察钢柱柱顶和±0.000标高处柱的水平变形情况,具体分析结果如表4所示。

表4 单跨柱水平位移

图8 模型1A、1B计算简图

取三跨框架,其中一跨在4.5m和10.0m标高处有钢梁,表示柱在楼层处受到约束。模型3A为纯钢柱在±0.00标高处设固定端;模型3B为上部钢柱,并考虑了承台面(-2.00m标高)至±0.00标高间的混凝土柱墩,固定端设置于承台面标高。模型及分析结果如图9所示。

图9 模型3A和模型3B水平荷载下变形图/mm

根据以上分析结果,在单跨结构验证模型中,模型1A、1B的柱顶变形较接近,模型1B在±0.00标高处的位移角小于1/9 999;在多跨结构验证模型中,当±0.00标高以上钢柱截面相同时,有楼层约束的框架由于刚度较大,柱分配的剪力也更大,因此有楼层约束的混凝土柱墩需比无楼层约束的柱墩截面大15%～20%,此时能够满足在±0.00标高处的位移和柱顶位移相近,且±0.00标高处的位移角均小于1/9 999。因此,认为在目前布置的混凝土柱截面前提下,可以取混凝土柱墩顶面(±0.00标高)作为上部结构的计算嵌固端[6]。

3.5 错列波浪形屋面分析与设计

由于建筑对于屋面造型和使用功能的要求,屋面造型为多条错列的波浪,屋面高度为10～16m不等,四个展馆和三个主要通道处屋面均设置面积较大的采光屋面。由于上述大量的错层和楼板开洞情况,屋面产生了大量穿层柱和错层框架柱,对结构体系和屋面整体性造成了一定的影响。

为保证屋面的整体性,需提高水平荷载下屋面结构的整体刚度。通过分析结构前几阶振型的局部振型确定影响整体性刚度的关键位置,设计时在这些位置设置水平拉杆,拉杆布置见图3(c)中虚线框内的6个交叉斜杆布置区域。

设置拉杆后,结构的前十阶振型均为整体振动,屋面局部振型被有效控制,且结构的扭转位移比也得到了较好的改善。因此,屋面拉杆对结构整体刚度的实现起到了必要性作用。

对于屋面的平面不规则,分析了错列波浪形屋面楼板在双向多遇地震工况下的应力情况,楼板应力分析结果如图10所示。

在小震工况下,屋面楼板平均拉应力为0.1～0.7MPa,当取中震弹性放大系数2.8时[7],能够满足混凝土抗拉强度标准值。屋顶层在局部位置存在应力集中现象,局部最大拉应力达到1.5MPa左右,由于出现应力集中的部位基本在楼层的角部或者楼板边缘处,这些位置的楼板在恒荷载+活荷载下的应力较小,竖向荷载工况下按计算需要,配置φ8@150板顶钢筋即可满足计算需要,计算无需板底钢筋,因此在楼板角部和边缘处布置板底通长钢筋,由板底钢筋的面积加上板中附加钢筋的面积以满足抗震要求。最终为了保证楼板双向受力特性,屋面采用了钢筋桁架楼板,楼板厚度120mm。

3.6 屋盖钢结构温度应力分析

复兴馆屋面长度303m,宽度123m,整个屋面设计为不设缝的超长结构。分析温度作用下钢结构构件的应力情况,室内部分温差取±25℃,室外部分温差取±35℃[8-9]。屋面构件在温度作用下平均应力为30～80MPa,局部最大应力为120～130MPa;温度组合工况下框架梁的最大应力为306MPa,框架柱的最大应力为216MPa(图11),应力满足承载力要求。