孝感市文化中心复杂超限结构设计_谢黎明.pdf

第 53 卷 第 13 期2023 年 7 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.13Jul.2023DOI:10.19701/j.jzjg.LS202126 第第一一作作者者:谢黎明,硕士,高级工程师,一级注册结构工程师,注册土木工程师,主要从事建筑结构设计研究,Email:740666146 。孝感市文化中心复杂超限结构设计谢黎明,刘 昶,邱 剑(中信建筑设计研究总院有限公司,武汉 430014)摘要:孝感市文化中心平面为椭圆形,且平面尺寸从下至上逐层扩大,是倒悬外挑结构。为解决结构外围设置钢筋混凝土斜柱、各层楼板开大洞、A、B 座顶部结构相连等结构设计难题,提出以下加强措施:在与斜柱相交的内侧框架梁内设置预应力钢绞线从而简化力学模型确定楼板配筋;加强混凝土斜柱节点构造;A、B 座相连的门厅通高区域柱顶设置混凝土拉梁形成水平桁架;A、B 座屋盖采用曲面四角锥网架结构;A、B 座之间钢雨棚采用双向交叉布置的管形翼缘钢梁。结果表明,普通钢筋混凝土斜柱方案采取上述措施后用于倒悬外挑结构可达到经济高效、安全可靠的目的;管形翼缘钢梁应用于曲面结构可实现经济美观、受力合理、与建筑造型高度统一的结构,取得良好的综合效益。关键词:钢筋混凝土斜柱;预应力钢绞线;水平桁架;曲面四角锥网架;管形翼缘钢梁 中图分类号:TU318 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)13-0046-06引用本文 谢黎明,刘昶,邱剑.孝感市文化中心复杂超限结构设计J.建筑结构,2023,53(13):46-51.XIE Liming,LIU Chang,QIU Jian.Design of complex out-of-code structure for Xiaogan Cultural Center J.Building Structure,2023,53(13):46-51.Design of complex out-of-code structure for Xiaogan Cultural Center XIE Liming,LIU Chang,QIU Jian(Citic General Institute of Architectural Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan 430014,China)Abstract:The plane of Xiaogan Cultural Center is oval,and the plane size expands layer by layer from bottom to top,which is an inverted overhanging structure.To solve the complex structural design problems of inclining reinforced-concrete-columns selected at the periphery,large holes opened in floor slab,and the top structure collected between building-A and building-B,the following strengthening measures were proposed.The prestressed steel strand was set in the inner frame beam intersecting the inclined column to simplify the mechanical model and determine the floor reinforcement.Concrete inclined column joint structure was reinforced.The top of the column in the double-height area of the hall connected by building-A and building-B was set with concrete beam to form a horizontal truss.The roof of building-A and building-B adopts curved quadrangular pyramidal grid structure.The steel awning between building-A and building-B adopts bidirectional cross arrangement of tubular flange steel beam.The results show that the ordinary inclining reinforced-concrete-columns scheme,after taking those measures,can achieve the goals of economic efficiency,safety,and reliability when used for inverted overhanging structures.The application of tubular flange steel beam in curved structures can achieve economic aesthetics,reasonable stress,and highly unified structures with architectural design,achieving good comprehensive benefits.Keywords:inclining reinforced-concrete-column;prestressed steel strand;horizontal truss;curved quadrangular pyramidal grid;tubular flange steel beam 1工程概况 孝感市文化中心位于孝感市东城新区,项目总建筑面积 134 411m2,孝感市文化中心以“大孝无形血脉相连”作为设计构思,由十大功能模块、三组建筑单元、六座主题场馆通过 6m 标高大平台连接形成一个整体建筑群,承托于大平台上的 6 个“水滴形”建筑单体形如“大珠小珠落玉盘”,高低错落、形象生动,其鸟瞰图见图 1。上部建筑的 6 个单体平面分区如图 2 所示。本工程设有一层连通的地下室,上部结构嵌固部位为地下室顶板,A、B 座的 2 层平台及屋盖结构均连为一体,C 座与 D 座、E 座与 F 座的 2 层平台结构分别连为一体,2 层以上结构平面呈椭圆形,逐层倒悬外挑,平面尺寸逐层扩大,4 层达到最大平面尺第 53 卷 第 13 期谢黎明,等.孝感市文化中心复杂超限结构设计图 1 孝感市文化中心鸟瞰图图 2 孝感市文化中心平面分区示意图寸。由于各栋建筑造型相似,结构处理方式相同,本文以 A、B 座为例进行阐述。A 座地上 5 层,层高从下 往 上 依 次 为 6、6、6、6、5.4m,1 层 平 面 长86.93m、宽 62.7m,4 层平面长 98.2m、宽 73.3m,基本柱网尺寸为 9m9m,最大柱网尺寸为 28m36m。B 座地上 5 层,层高从下往上依次为 6、5.4、5.4、5.4、4.5m,1 层平面长 65.9m、宽 44.9m,4 层平面长72.3m、宽 51.7m,基本柱网尺寸为 9m9m,最大柱网尺寸为 35.6m27m。A、B 座典型剖面见图 3。图 3 孝感文化中心 A、B 座典型剖面图2主要设计参数 A、B 座剧场座位数共 1 218 座,建筑结构安全等级为一级,结构重要性系数为 1.1;地基基础设计等级、桩基设计等级均为甲级;孝感市的抗震设防烈度为 6 度,设计基本地震加速度为 0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为类,特征周期 Tg及设防水准最大地震影响系数 max分别为 0.45s 和0.077 7(安评报告取值)。根据建筑工程抗震设防分类标准(GB 502232008),本项目抗震设防类别为重点设防类,按 6 度进行抗震计算分析,按 7 度采取抗震措施,钢筋混凝土框架的抗震等级为二级。3主体结构设计3.1 基础及地下室 本工程采用静压式预应力管桩基础,以层圆砾夹卵石作为桩基持力层,由于上部混凝土斜柱逐层倒悬外挑,荷载在 2 层外圈柱上较集中,较多单柱承台下布置 1216 根桩,对应上部混凝土斜柱倾斜最大处的单柱承台下最多布置 20 根桩。本工程 6个单体地下设 1 层连通的非人防地下室,地下室最大平面尺寸约 350m160m,由于上部大范围设置室外 2 层平台,为提升经济性,地下室顶板取消普遍覆土,仅局部顶板板面降低 1.21.5m,作为排水管的铺设通道。3.2 上部结构设计 工程上部采用钢筋混凝土框架结构,圆柱直径为 8001 200mm,主梁截面尺寸为 4008004001 200。2 层 A、B 座连为整体,2 层以上 A、B 座结构外围设钢筋混凝土斜柱,斜柱直径 800mm。在屋顶A、B 座通过曲面四角锥钢网架连为一体。根据上部结构竖向布置“底合-中分-顶合”的特点,结构设计采用以下思路:1)对 2 层结构刚度进行加强,提高整体性,为上部各单体提供稳定可靠的“底座”;2)3 层至屋顶以下,A、B 座分开且分别设置斜柱,通过设置预应力钢绞线、增大斜柱内侧的楼板配筋,加强 A、B 座自身的整体性和抗侧能力;3)屋顶 A、B座重新连为一体,通过加强 A、B 座之间屋盖连接构件和增设水平桁架加强 A、B 座屋盖的连接支座,增强结构整体抗侧能力。3.3 上部结构抗震性能目标 A、B 座抗震设防类别为重点设防类,相应地取结构抗震性能目标为 C 级。由于钢筋混凝土斜柱的特殊性和重要性,在满足性能目标 C 级的基础上,按 建筑抗震设计规范(GB 500112010)(2016 年版)1(简称抗规)设计参数计算时,中震74建 筑 结 构2023 年保持弹性、大震保持不屈服。各构件抗震设防性能目标具体内容见表 1。表 1 抗震设防性能目标地震水准多遇地震设防地震罕遇地震性能水准134宏观损坏程度无损坏轻度损坏中度损坏结构工作特性保持弹性允许次要构件屈服允许进入塑性层间位移角限值1/5001/2501/138继续使用的可能性无需修理可继续使用一般修理后才可继续使用修复或加固后才可继续使用普通竖向构件保持弹性部分轻微损坏中度损坏,部分比较严重关键构件钢筋混凝土斜柱保持弹性保持弹性不屈服内侧与斜柱相连的直柱保持弹性保持弹性不屈服耗能构件框架梁保持弹性允许进入塑性,受弯屈服,抗剪不屈服部分比较严重损坏,控制塑性变形连梁保持弹性允许进入塑性,受弯屈服,抗剪不屈服部分比较严重损坏,控制塑性变形3.4 连体层 A、B 座 2 层结构连为一体,平面尺寸接近 165m138m,汇水面积大,需设置较多且断面较大(深0.7m宽 0.5m)的排水沟,若采用常规建筑垫层中做沟的方案,需要建筑垫层厚度不小于沟深,导致0.7m 厚的回填荷载太大使结构不经济,而且较大荷载带来的大尺寸梁高也会影响下层的净高。综合考虑,2 层结构设计采用框架梁+大板的结构方案,结构板厚 150 350mm。该结构方案有以下优点:1)符合上部结构设计思路中 2 层结构刚度较大,为上部各单体提供可靠“底座”的要求;2)此结构方案可折板做沟,排水沟遇框架梁时预埋水管,能有效解决建筑垫层做沟带来的荷载较大、下层净高不足等问题,同时也大幅降低了工程造价。由于平面超长超大,该层楼板设计时应考虑温度应力的作用,计算分析可知,楼板拉应力较大的区域为上部结构塔楼周边及 B 座塔楼范围内,A 座塔楼内由于楼板开洞释放了温度应力。在 2 层楼板设计时,采用双层双向配筋,并在 B 座塔楼范围内施加无粘结预应力筋2,防止该区域在使用过程中由于混凝土开裂产生较大的刚度退化,影响结构整体受力性能。3.5 斜柱设计 2 层以上结构外围根据建筑形态设置钢筋混凝土斜柱,斜柱与竖直 Z 向的夹角约为 2553,见图4。钢筋混凝土斜柱是本项目上部结构设计的主要图 4 典型斜柱与竖直 Z 向夹角特点和难点,混凝土斜柱相关的计算分析和设计主要体现在以下几个方面。3.5.1 斜柱相交框架梁内设置预应力钢绞线为避免自重作用下斜柱水平分力造成楼盖开裂,与斜柱相交的框架梁内设置水平预应力钢绞线,将斜柱水平分力直接传递至内侧结构,且尽量与平面对边的斜柱钢绞线通长达到自平衡效果。A、B 座 3 层预应力钢绞线布置平面图见图 5。预应力钢绞线公称直径 15.2mm,抗拉强度设计值1 320MPa,其单根截面面积 140mm2,单根有效拉力设计值 184.8kN。预应力钢绞线设计时,先在整体计算模型中分别提取各层柱顶、柱底恒载和活载组合前的内力标准值,再按图 6 的预应力计算简图,根据上下层斜柱和设置钢绞线处楼面梁相交节点处沿楼面梁轴线方向水平分力设计值相等的原则施加钢绞线预应力,保证斜柱传给混凝土梁的拉力设计值与钢绞线施加的预应力抵消,最后将该水平分力设计值 Ti与安全系数(安全系数取 1.25)相乘后除以单根钢绞线有效拉力设计值(184.8kN)得到所需的预应力钢绞线根数。水平预应力钢绞线施工简便,用较小的成本提高了结构安全度。3.5.2 斜柱内侧楼板受力分析与设计A、B 座由于建筑功能需要,部分楼层有较大的楼板开洞,所设置的预应力钢绞线并非都有条件通长以达到自平衡的效果。预应力钢绞线内侧锚固端附近,尤其是内侧楼板不连续处应力较集中。通过计算分析得到,在设防地震和罕遇地震作用下,斜柱旁边和大面积开洞附近的楼板中产生较大的拉应力、压应力或剪应力;在设防地震作用下,24层楼板最大拉应力为 1.42MPa,小于 C35 混凝土抗84第 53 卷 第 13 期谢黎明,等.孝感市文化中心复杂超限结构设计图 5 3 层预应力钢绞线布置平面图拉强度标准值(2.2MPa);大面积洞口周边少数楼板在罕遇地震作用下拉应力超过混凝土抗拉强度设计值,设计时该处楼板钢筋双向拉通设置且钢筋抗拉承载力大于计算拉应力值。为使楼板不连续处应力能平缓扩散、传递,充分发挥结构的整体性作用,楼板配筋采用双层双向设置,楼板通长钢筋按照每个柱跨内斜柱引起的该方向水平分力不考虑混凝土的作用,仅由该方向楼板通长筋抵抗3-4,并控制通长钢筋应力水平的方式确定。本楼层常规的恒载、活载等荷载计算所需的板面筋直接在支座处附加,板底筋与上述计算得到的通长筋面积叠加进行楼板底筋的设计。楼板图 6 预应力计算简图通长筋与预应力钢绞线构成了斜柱水平分力的双重传力体系,保证结构安全。3.5.3 混凝土斜柱节点构造为确保混凝土斜柱与直柱、楼面梁相交处的特殊节点传力直接,施工便利,节点设计时遵循以下原则:1)相交节点处斜柱、直柱纵筋按各自锚固长度分散错开锚入相连构件;2)在满足建筑造型要求前提下,尽量保证斜柱、直柱和楼面梁三者轴线交于一点5,以避免或减小节点内附加内力;3)斜柱倾斜方向远离相连梁另一端时(斜柱使相连梁受拉力),梁纵筋锚固要求适当加强。本工程部分斜柱节点详图如图 7(a)(d)所示,各节点构造符合计算假定,尽量节省钢筋且使钢筋在节点核心区分散错开6,便于节点区域混凝土浇筑捣实,保证了节点施工质量。3.6 A、B 座门厅通高区域柱顶水平桁架设计 A、B 座之间的门厅及门厅两侧,从 2 层平台至钢屋盖通高,为加强门厅周边外侧通高混凝土柱与内部结构的联系,同时为通高柱提供可靠的支点,在通高区域的柱顶设置混凝土拉梁形成水平桁架,如图 8 所示,拉梁截面均为 400800。混凝土拉梁形成的水平桁架减小了混凝土柱的计算长度和钢网架屋盖及其支点在各荷载工况下的水平位移差,降低了网架支座设计难度。表 2 为 A、B 座与水平桁架相连的网架支点在地震作用下位移计算结果。计算结果表明,相比不设水平桁架,设水平桁架后的 A、B 座相邻柱顶位移差减小,表明水平桁架增加结构整体刚度,提高了结构整体性。同时,对与水平桁架相连的网架支点,设水平桁架后,减小了 A、94建 筑 结 构2023 年B 各座内各网架支点间的位移差,降低了网架支座及内部杆件应力水平,提高了结构安全性。图 7 混凝土斜柱节点构造详图图 8 门厅通高区域柱顶拉梁布置局部平面示意图3.7 钢屋盖、钢雨棚结构设计 A、B 座钢屋盖采用曲面四角锥网架,网架典型网格水平投影尺寸为 3m3m,矢高为 2m。网架支座最大距离 31m。曲面四角锥网架屋盖设计时,先由犀牛软件7-8从建筑模型中导出各网格定位数据,再将 xyz 三向坐标导入计算模型建模,进行后续设计。曲面四角锥网架具有以下优势:1)结构曲面与建筑造型高度吻合,确保了形态柔美、自由灵动的屋盖造型的实现;2)曲面四角锥网架相比平面网架,充分利用了建筑高度,可增加屋盖刚度和承载力,减少用钢量;3)曲面四角锥网架避免了玻璃纤维增强混凝土(GRC)饰面层及铝镁锰板防水层的檩托长短不一较难放样的施工难题,降低了现场施工的操作难度。表 2 A、B 座与水平桁架相连的网架支点在地震作用下位移比较/mm方向X 向Y 向设水平桁架不设水平桁架 设水平桁架 不设水平桁架A-Z125.8128.366.217.51A-Z225.7228.266.147.44A-Z325.2927.335.856.94A-Z425.3327.435.877.00B-Z119.4919.325.045.03B-Z220.7320.513.373.46B-Z319.8619.674.264.31B-Z420.3520.143.593.67平均值VAavg25.5427.856.027.22平均值VBavg20.1119.914.074.12VAavg-VBavg5.437.941.953.11 注:A-Z1 A-Z4、B-Z1 B-Z4 分别为 A、B 座的柱编号,见图 5;VAavg为 A-Z1A-Z4 相应位移平均值;VBavg为 B-Z1 B-Z4 相应位移平均值。A、B 座主入口的雨棚造型为建筑造型的点睛部位,雨棚水平投影尺寸约 42m20m,建筑造型要求雨棚随整体造型设计成曲面,需要体态轻盈且不得设置斜拉杆。常规的空间网格或型钢梁结构,较密的杆件或较大的型钢截面都会迫使建筑专业设置外包构造层来弱化由此产生的不利影响,不仅增加了雨棚结构的荷载,而且使雨棚显得笨重,达不到需要的建筑效果。雨棚结构设计时,按照结构构件与建筑造型融为一体的思想9,将钢结构构件外露,从建筑模型中导出网格定位数据进行结构建模,构件采用图 9 所示的管形翼缘钢梁。该结构方案有如下优势:1)美观韵律的结构布置,省去了建筑外包构造层的荷载,同时增加了可用的结构高度;2)管形上翼缘使得该截面面内抗弯刚度大,稳定性好;3)杆件双向交叉布置,各构件翼缘、腹板互为支撑,使得该钢梁得以采用较大的腹05第 53 卷 第 13 期谢黎明,等.孝感市文化中心复杂超限结构设计图 9 钢雨棚管形翼缘钢梁板高厚比,进一步提高了经济性。为直观了解管形翼缘钢梁的经济性,对管形翼缘钢梁和等效的普通 H 型钢梁用钢量进行对比。普通 H 型钢梁截面和管形翼缘钢梁的等效按以下原则:1)上、下翼缘面积分别相等;2)上、下翼缘中心线间距相等;3)普通 H 型钢梁的腹板厚度不大于钢结构设计标准(GB 500172017)10(简称钢标)中不考虑腹板屈曲的高厚比最大值 66。表 3 为管形翼缘钢梁腹板高厚比优化前后的用钢量比较,表中数据仅考虑腹板厚度优化变化的钢材节约,对于等效普通 H 型钢梁由于腹板厚度增加导致荷载增加的效应尚未考虑。由表可得,仅考虑腹板高厚比的优化,管形翼缘钢梁比与其面内抗弯承载能力相当的等效普通 H 型钢梁节省钢材约22.9%33.7%。管形翼缘钢梁应用于曲面钢结构雨棚可大幅降低结构用钢量,提高结构的经济性。最终该方案在经济高效的前提下,实现了预期的建筑效果,见图 10。表 3 管形翼缘钢梁腹板高厚比优化前后的用钢量比较杆件杆件1杆件2钢梁类型管形翼缘钢梁等效H 型钢梁管形翼缘钢梁等效H 型钢梁钢梁截面见图9H1 0142501614见图9H1 0242831624(等效)腹板厚度/mm10161216腹板高厚比84.161.668.361.0构件每米用钢材量/kg119.23179.93177.75230.68钢材减少比例/%33.722.9图 10 钢雨棚完成后效果4结论 (1)通过计算分析并采取多重可靠的加强措施,对于倒悬外挑结构,普通钢筋混凝土斜柱方案可实现经济高效、施工便利的目标,节省工期,可供类似项目参考借鉴。(2)结构工程师充分把握建筑功能、造型的要求,合理地选择结构方案和构件形式,可实现经济美观、跨度大、与建筑需求高度统一的建筑结构,取得良好的综合效益。孝感市文化中心于 2019 年 4 月竣工并投入使用,目前孝感文化中心使用正常,基础及上部结构工作状态良好。参考文献 1 建筑抗震设计规范:GB 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