淺析某科技館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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作者；鄭曉敏
1 工程概況
青�？萍拣^位于西寧市海湖新區(qū)內(nèi)、新區(qū)主干道五四西路以北，總建筑面積3.5萬m2。建筑平面尺寸約為140m X144m，地面以上最大高度約33m。建筑包括弧形主展館和橢球形中心展館兩部分，兩者通過展廊連接。建筑整體呈現(xiàn)“高原明珠”造型，輕盈獨(dú)特，效果如圖1所示。
弧形主展館地上從最低處的2層21m高緩慢漸變到最高處的5層33m高，中間層數(shù)為2~5層不等，主要功能為大跨度的展覽空間、會(huì)議及辦公等，主要柱網(wǎng)尺寸為(5～7)m×(11～16)m，并設(shè)有23m×26m的多功能廳，弧形主展館的展廳部分主要層高為7~ 10m。主展館沿弧線方向共39榀，每榀的外框架柱根據(jù)造型要求內(nèi)傾或外傾漸變，傾斜角度為70°~ 89°不等；各榀框架頂部框梁位置處的建筑裝飾均突出屋蓋2~3m，呈子彈頭造型。主展館框架柱主要截面為800×800，框架梁截面為400×800及350×600，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。橢球形中心展館長(zhǎng)軸為80m、短軸為50m、高度為33m，主體為一層，層高33m。
本項(xiàng)目耐久性年限100年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防類別為乙類，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)甲級(jí)�？拐鹪O(shè)防烈度為7度(0.1g)，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震設(shè)計(jì)分組為第二組，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。地面粗糙度類別為B類，50年一遇基本風(fēng)壓為0. 35kN/m2。
為滿足建筑造型及使用功能需要，弧形主展館主體混凝土樓面以下部分采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部采用鋼框架結(jié)構(gòu)，樓蓋采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屋面采用輕鋼復(fù)合板。橢球形中心展館屋蓋采用單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，上設(shè)輕鋼屋面板。本工程于2008年4月完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)于2011年全部完成竣工驗(yàn)收，現(xiàn)已投入使用。
2 結(jié)構(gòu)選型與布置
2.1弧形主展館
2.1.1結(jié)構(gòu)選型
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了多方案比較，包括純混凝土結(jié)構(gòu)方案、純鋼結(jié)構(gòu)方案以及鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)方案。對(duì)于純混凝土結(jié)構(gòu)方案，因不能很好地滿足建筑造型及使用功能要求，建筑設(shè)計(jì)不同意采用該方案。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)方案，因結(jié)構(gòu)用鋼量較大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差，且節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、加工制作及施工均較復(fù)雜，也未采用。
對(duì)于鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)，主要考慮了三種形式。方案A:外框?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)、內(nèi)部為混凝土，兩者形成整體；方案B：外框?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)、內(nèi)部為混凝土，兩者脫開；方案C：主展廳混凝土樓板下部為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部為大跨度鋼框架，整體結(jié)構(gòu)形式為混合結(jié)構(gòu)�？紤]外框鋼架和內(nèi)部混凝土框架整體共同受力的機(jī)制不明確，鋼柱（梁）與混凝土梁板的節(jié)點(diǎn)
連接做法也很復(fù)雜，施工難度大、周期長(zhǎng)，因此未采用方案A；方案B為兩個(gè)完全獨(dú)立的受力結(jié)構(gòu)，外框架的跨度及高度均很大，結(jié)構(gòu)的總造價(jià)很高，也未采用；經(jīng)反復(fù)比選計(jì)算，最終采用了方案C。該方案可充分發(fā)揮混凝土和鋼材各自的優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足結(jié)構(gòu)受力需要，結(jié)構(gòu)造價(jià)相對(duì)較低，且能很好地滿足建筑造型及功能需要。
2.1.2結(jié)構(gòu)布置
主展館平面呈弧線形，最大直線長(zhǎng)度達(dá)144m．外側(cè)弧線最大長(zhǎng)度達(dá)266m，平面形狀不規(guī)則，建筑高度及層數(shù)漸變。為滿足結(jié)構(gòu)受力要求并盡量減小溫度應(yīng)力，在適當(dāng)位置設(shè)置防震縫，見圖2。由圖可見，設(shè)縫后整個(gè)建筑分為4部分，各單元的結(jié)構(gòu)形式、高度較為一致，較好地解決因辦公區(qū)層高不一致帶來的錯(cuò)層問題，其整體性及規(guī)則性也相對(duì)較好，結(jié)構(gòu)分析結(jié)果更易滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)（簡(jiǎn)稱抗規(guī)）的要求。分縫后，主要樓層結(jié)構(gòu)平面布置見圖3和圖4，結(jié)構(gòu)徑向典型框架立面布置見圖5。由圖3～5可見，各結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部相對(duì)均高大空曠，除2層樓板較為完整外，3，4層樓板均缺失較多，造成樓板局部不連續(xù)，對(duì)樓板傳遞水平力及結(jié)構(gòu)抗震不利，為此需要采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施。
(1)采用下部為混凝土上部為鋼結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)方案，盡量減小構(gòu)件截面，減輕上部大跨度結(jié)構(gòu)的重量，從而減輕地震作用。同時(shí)，上部外框鋼柱采用變截面箱形，鋼柱下插一層形成鋼骨柱，一方面加強(qiáng)上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造，另一方面通過對(duì)鋼骨柱相關(guān)梁板加強(qiáng)形成對(duì)空曠及樓板缺失部分的加強(qiáng)。鋼柱上部截面隨大跨度梁截面變化，并與屋面框梁采用圓弧連接，使結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)造均做到平滑過渡，并滿足建筑造型需要。另外，由于屋面次梁設(shè)在屋面框梁的下翼緣位置，為滿足屋面梁的整體穩(wěn)定性要求并與鋼柱平順過渡，各榀屋面鋼框梁也采用箱形截面，使結(jié)構(gòu)的整體受力較好。
(2)樓蓋結(jié)構(gòu)采用普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系，在洞口附近設(shè)置邊梁，并適當(dāng)增加開洞處的樓板厚度和配筋。在開洞后形成的較窄樓板處，均適當(dāng)加大板厚并按雙層雙向配筋，同時(shí)適當(dāng)增加梁側(cè)配筋，以提高整體平面外剛度和強(qiáng)度。
(3)通過反復(fù)調(diào)整梁柱截面，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，保證樓層在考慮偶然偏心的情況下最大彈性水平位移與兩端彈性水平位移平均值控制在1.4以內(nèi)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)配筋時(shí)采用符合樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度變化的彈性板模型，并考慮扭轉(zhuǎn)的影響。
(4)在建筑功能允許的前提下適當(dāng)增加柱截面，適當(dāng)增加柱縱筋及箍筋的配筋率，以保證柱構(gòu)件的承載力及延性。
2.2橢球形中心展館
橢球形中心展館為一空曠的大空間，設(shè)計(jì)時(shí)反復(fù)比較了雙層網(wǎng)殼及單層網(wǎng)殼方案，結(jié)果表明，采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系能很好地滿足建筑造型及受力需要。單層網(wǎng)殼支承在6. OOOm標(biāo)高的鋼骨混凝土環(huán)梁上，節(jié)點(diǎn)采用直接相貫節(jié)點(diǎn)，屋蓋采用金屬輕屋面板，局部采用玻璃屋面，屋蓋下不設(shè)吊頂，盡現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕盈之美。中心展館與其余部分之間設(shè)防震縫，以滿足受力需要。
對(duì)單層橢球網(wǎng)殼的網(wǎng)格劃分比較結(jié)果表明，標(biāo)高28m下部采用葵花三向網(wǎng)格，標(biāo)高28m以上比較平緩，為便于網(wǎng)格劃分并滿足受力要求，采用扇形三向網(wǎng)格，頂部8根桿交匯于一點(diǎn)，網(wǎng)格尺寸控制在3m左右，見圖6。在28m標(biāo)高以下，均為水平環(huán)向構(gòu)件貫通，其余構(gòu)件與水平環(huán)梁直接相貫連接。在28m標(biāo)高以上，首先是徑向構(gòu)件貫通，再水平構(gòu)件貫通，其余構(gòu)件均與之直接相貫焊接。在頂節(jié)點(diǎn)處為短向徑向構(gòu)件貫通。在網(wǎng)殼底部，由于建筑使用功能需要，設(shè)置了兩處12m×6.5m左右的開洞，在該部位對(duì)開洞附近的桿件進(jìn)行了局部加強(qiáng)。單層網(wǎng)殼屋蓋大部分桿件截面為口200×10，材質(zhì)采用Q345C。
3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)時(shí)詳細(xì)比較了樁基礎(chǔ)方案及筏板基礎(chǔ)方案。根據(jù)地勘報(bào)告，基礎(chǔ)下有較厚的濕陷性黃土，且土層厚度較大，達(dá)4~5m左右，按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》( GB 50025-2004)要求需進(jìn)行地基處理，處理工程量大；另外由于柱距較大，柱網(wǎng)不均勻，筏板也較厚，部分位置配筋很大，筏板的工程量也較大。因此經(jīng)比較并與勘察單位一起咨詢分析，最終采用了大直徑人工擴(kuò)孔樁基礎(chǔ)。
考慮濕陷性對(duì)建筑地面的影響，對(duì)建筑范圍內(nèi)無地下室底板的房心土部分進(jìn)行了換填處理，處理要求為采用1：9灰土對(duì)建筑地面下土體進(jìn)行換填，換填厚度不小于1m，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，換填土的壓實(shí)系數(shù)不小于0. 95。
4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與設(shè)計(jì)
4.1弧形主展館
4.1.1整體分析
弧形主展館主體結(jié)構(gòu)采用SATWE（2005版）軟件進(jìn)行方案優(yōu)選比較及結(jié)構(gòu)整體分析。采用SPAS軟件建立了精確的空間模型，采用PMSAP軟件進(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析和包絡(luò)設(shè)計(jì)。分析時(shí)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)和雙向地震效應(yīng)。
由于弧形主展館平面不規(guī)則，結(jié)構(gòu)內(nèi)部空曠，樓板整體工作性能較差，且建筑物布置與水平方向有一定角度。因此設(shè)計(jì)時(shí)還按每15。進(jìn)行了斜向地震的受力分析。結(jié)構(gòu)分析模型如圖7所示（各結(jié)構(gòu)單元拼一起）。以弧形主展館C為例，結(jié)構(gòu)主要分析結(jié)果見表1。
由表1可見，SATWE與PMSAP兩種軟件計(jì)算出來的結(jié)果比較吻合。由于采取了各種有效措施，結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則帶來的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到了有效控制，結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的剛度比較接近；各項(xiàng)指標(biāo)均滿足抗規(guī)的要求，選用的結(jié)構(gòu)方案及優(yōu)化調(diào)整后的結(jié)構(gòu)布置受力性能較好。
4.1.2溫度效應(yīng)分析
由于弧形主展館平面尺寸大，即使分縫后，外側(cè)弧線最大長(zhǎng)度仍達(dá)88m，超過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50010-2002)設(shè)置伸縮縫長(zhǎng)度要求較多，且考慮西寧地區(qū)日夜溫度差較大，結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力不能忽視。整體分析完成后，采用PMSAP（2005版）軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力定量分析的計(jì)算結(jié)果表明，溫度效應(yīng)最大主要作用在2層混凝土樓面上，2層梁軸力較大，并在該層兩側(cè)端柱產(chǎn)生較大的彎矩。對(duì)于2層以上梁柱，由于柱端約束剛度相對(duì)減小，且屋蓋標(biāo)高逐漸變化，溫度應(yīng)力相對(duì)小得多。在升溫15℃工況下，最大軸力發(fā)生在弧形主展館C的2層外側(cè)梁處，梁軸向拉力最大值為107kN。彎距最大值也發(fā)生在該段柱底，在降溫- 25℃工況下，彎矩最大值分別為My= 213 kN·m，Mz=243 kN·m。由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度內(nèi)力較大，設(shè)計(jì)時(shí)在板中適當(dāng)布置了溫度筋，并對(duì)溫度應(yīng)力大的梁柱加強(qiáng)配筋。
4.1.3彈塑性靜力推覆分析
為考察結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能并發(fā)現(xiàn)本工程可能存在的薄弱部位，采用EPDA（2005版）軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性靜力推覆分析。以弧形主展館C為例，按最不利方向角計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)需求譜曲線、周期一加速度曲線（能力曲線）以及周期一最大層間位移角曲線如圖8所示。
由圖8可見，弧形主展館C按最不利方向角計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角分別1/176，滿足抗規(guī)小于1/50的要求。出現(xiàn)塑性鉸的部位為下部樓層的梁兩端及個(gè)別柱頂，在鋼骨段及頂層框架梁兩端均未出現(xiàn)塑性鉸，說明本工程結(jié)構(gòu)選型合理，采取的結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施到位，結(jié)構(gòu)具有較好的整體性及地震作用下的安全性。
4.1.4單榀框架分析
由于結(jié)構(gòu)徑向各榀外框架柱均為內(nèi)傾或外傾的斜柱，個(gè)別傾斜角度達(dá)70°，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有一定的影響，且大部分頂部均為大跨單榀鋼框架，最大跨度達(dá)40m，下部為2～4跨的大跨混凝土框架，跨度最大達(dá)25m，各榀框架間的聯(lián)系較弱。設(shè)計(jì)時(shí)，除根據(jù)此特點(diǎn)采用上部為鋼結(jié)構(gòu)、下部為混凝土結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)方案，充分發(fā)揮鋼和混凝土的材料優(yōu)勢(shì)外，還對(duì)典型徑向框架按單榀框架進(jìn)行了計(jì)算分析，并與整體模型的分析結(jié)果比較進(jìn)行承載力包絡(luò)設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)的安全。分析結(jié)果表明：對(duì)下層柱，按單榀分析比按整體模型分析結(jié)果大10%~20%，對(duì)于樓層梁，單榀分析結(jié)果比按整體模型分析結(jié)果大20%~30%。因此，進(jìn)行單榀分析是非常有必要的。
4.2橢球形中心展館
4.2.1橢球形單層網(wǎng)殼整體分析
橢球形中心展館單層網(wǎng)殼屋蓋采用SAP2000軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元整體計(jì)算、穩(wěn)定分析以及帶初始缺陷的幾何非線性分析等，采用MST2006進(jìn)行校核。計(jì)算時(shí)，網(wǎng)殼構(gòu)件采用梁柱單元，各構(gòu)件節(jié)點(diǎn)均為剛接，支座采用固定剛接支座假定。分析結(jié)果表明：屋蓋結(jié)構(gòu)的整體性很好，由于屋蓋最下部網(wǎng)格桿件錨固在鋼骨混凝土環(huán)梁上，球殼屋蓋的嵌固條件較好，對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)的受力十分有利。
在豎向荷載作用下，該單層橢球殼的構(gòu)件受力特點(diǎn)是：桿件內(nèi)力以軸力為主，彎矩很小，基本為豎向桿件受壓，水平桿件受拉，且從上到下各層桿件軸力逐漸增大，大部分水平桿件的軸力較豎向桿件的軸力大，說明水平桿件的環(huán)箍效應(yīng)明顯，故設(shè)計(jì)時(shí)下部水平桿件貫通。
屋蓋結(jié)構(gòu)的前10階自振周期如表2所示，前4階振型如圖9所示。由表2及圖9可見，單層球殼的自振周期較小且比較密集。網(wǎng)殼前2階分別為以X，y向水平振動(dòng)為主的整體振型，然后是2個(gè)以豎向振動(dòng)為主的整體振型，接著是以大開洞附近振動(dòng)為主的局部振型。這說明網(wǎng)殼的整體性還是很好的。另外，由各階振型圖可見，由于網(wǎng)殼下部混凝土框架高達(dá)6m，其側(cè)向剛度較差，因此均參與到各主要整體振型中，這也說明下部結(jié)構(gòu)對(duì)屋蓋的影響是不可忽略的。
在地震荷載作用下，網(wǎng)殼基底X，y向的地震剪力分別為2 032，2 261kN，剪重比約為12%，13%。有效質(zhì)量參與系數(shù)分別為92. 5%，91. 2%。在地震作用下，球殼頂部節(jié)點(diǎn)X，y向的位移分別為8mm和4. 4mm，層間位移角分別為1/4 125和1/7 500，說明網(wǎng)殼的水平剛度較大。在豎向荷載作用下，網(wǎng)殼最大位移為9. 2mm，相對(duì)變形量?jī)H為1/5 434，遠(yuǎn)小于1/400，說明網(wǎng)殼的豎向剛度較大，可滿足《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 61-2003)（簡(jiǎn)稱網(wǎng)殼規(guī)程）的要求�？紤]橢球形中心展館屋蓋跨度較大，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了豎向地震力的影響，除程序自動(dòng)計(jì)算豎向地震力外，人工添加了5%的重力荷載代表值作為豎向地震力。
不考慮初始幾何缺陷，采用SAP2000對(duì)球殼進(jìn)行了整體屈曲計(jì)算，初設(shè)屈曲荷載為豎向恒載，屈曲系數(shù)為20.1，滿足網(wǎng)殼規(guī)程的要求，表明網(wǎng)殼的整體性很好。
根據(jù)第1階屈曲形態(tài)，考慮最大偏差為1/300，即167mm的初始缺陷進(jìn)行考慮幾何非線性的整體分析，得到的整體穩(wěn)定系數(shù)為5.4，滿足網(wǎng)殼規(guī)程的要求�？紤]初始缺陷的整體穩(wěn)定分析得到的最大水平位移達(dá)540mm，豎向位移達(dá)280mm，說明初始幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響非常大，施工時(shí)應(yīng)該充分減少安裝加工等各種初始缺陷的不利影響，確保結(jié)構(gòu)安全。
4.2.2構(gòu)件設(shè)計(jì)
根據(jù)上述內(nèi)力分析結(jié)果，采用SAP2000自帶的規(guī)范校驗(yàn)功能進(jìn)行構(gòu)件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括強(qiáng)度和穩(wěn)定檢驗(yàn)，長(zhǎng)細(xì)比、寬厚比等構(gòu)造要求校驗(yàn)，確保構(gòu)件承載力、變形、穩(wěn)定性等滿足設(shè)計(jì)要求。桿件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)按網(wǎng)殼規(guī)程確定，對(duì)大開洞位置周邊構(gòu)件，則根據(jù)連接桿件的相對(duì)剛度關(guān)系確定。對(duì)應(yīng)力過大者，重新調(diào)整局部桿件布置或構(gòu)件截面尺寸。
5 結(jié)語
青�？萍拣^弧形主展館采用了下部為鋼筋混凝土框架、上部為大跨度鋼框架的混合結(jié)構(gòu)體系，該體系有較好的受力性能，既滿足結(jié)構(gòu)受力要求，又能很好地滿足建筑功能及造型需要，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí)建立了精確的空間模型，進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析并采取了相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施。大跨度橢球形中心展館屋蓋采用了矩形鋼管單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，節(jié)點(diǎn)采用直接相貫節(jié)點(diǎn)。采用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算、整體屈曲分析和帶初始缺陷的幾何非線性分析。結(jié)果表明初始幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響非常大，施工時(shí)應(yīng)該充分減少安裝加工等各種初始缺陷的不利影響。
6[摘要] 青�？萍拣^主展館平面為大曲率的弧線形，建筑層數(shù)、層高、建筑高度及跨度從建筑一端到另一端連續(xù)變化，建筑外立面向內(nèi)外兩側(cè)傾斜，形狀不規(guī)則，造型獨(dú)特�；⌒沃髡桂^采用了下部為鋼筋混凝土框架、上部為大跨度鋼框架的獨(dú)特的混合結(jié)構(gòu)體系。橢球形中心展館長(zhǎng)軸80m、短軸50m、高33m，跨度及高度均為國內(nèi)罕見，采用節(jié)點(diǎn)直接相貫的矩形鋼管單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好地滿足了建筑功能造型需要并取得了較好的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。
