大跨梁上轉換結構-體育中心結構設計

陳世澤 （上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041）

1 工程概況

本工程位于北外灘周家嘴路、新建路交界口處，建筑面積為191881.5m2，其中地上、地下面積分別為120847.5m2、71034 m2。地塊項目上部為2棟塔樓及3棟裙房，各單體建筑地面以上互為獨立。地下建筑為4層，構成一個超大整體地下室。

體育中心主要用于網球、游泳運動及文化辦公。建筑功能豐富，造型復雜，地下結構四層，地上結構三層，B4為車庫，B1層與B2層為游泳池，泳池X向36m，通過設置Y型柱,將泳池X向型鋼混凝土梁跨度縮小為28m，同時該梁上托兩層社區(qū)功能用房。頂層為網球場，跨度為36m，屋面為異形結構和輕鋼屋面，大跨屋蓋采用鋼梁做法。結構三維圖、平面及建筑剖面圖如下。

圖1 結構三維圖

圖2 結構典型平面圖

地上采用鋼框架結構，地下室采用混凝土框架剪力墻結構。地上鋼結構抗震等級為三級。

圖3 建筑剖面圖

2 結構設計

2.1 主體結構選型

體育中心共三層，首層及二層層高為6m、4m，由于網球場的凈高要求較高，屋頂層層高約為10m。一方面鑒于跨度較大（X方向跨度36m），且懸挑部分較多，另一方面兼顧預制裝配率的要求，結構采用鋼框架結構。由于游泳池區(qū)域的功能需要，結合防腐要求，Y型柱采用型鋼混凝土柱，為保證地上與地下柱子的有效方便的連接，地上框架柱采用H型鋼柱，框架梁采用H型鋼，與框架柱剛接。主要的柱截面尺寸:外圈柱H650×650mm，內部H400×400mm，鋼板厚度為20～50mm。

樓面主要采用閉口壓型鋼板組合樓板，局部區(qū)域采用鋼筋桁架樓板，樓板厚度為120/150mm，其中壓型鋼板采用肋高65mm的鍍鋅鋼板。

2.2 主體結構計算

2.2.1 主體結構的規(guī)則性及特點

①平面不規(guī)則。扭轉位移比超過1.2（見表1），為扭轉不規(guī)則。二層報告廳處樓板開大洞，樓板有效寬度不足40%，為凹凸不規(guī)則。

②豎向不規(guī)則。首層、二層梁上起柱，為豎向構件不連續(xù)；首層與二層的剪切剛度的比值：X向為0.567、Y向為0.511，屬于側向剛度不規(guī)則。結合以上兩種情況，體育中心為不規(guī)則建筑，在計算和構造上需重點考慮。

2.2.2 結構計算

①采用SATWE和MIDAS進行對比計算，對比結果如下表。

項目結構基本自振周期（s）最大位移比（含層間位移比）剪重比地震時最大位移角風荷載最大位移角T1 T2 T3△x/δx△y/δy X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向SATWE周期1.063 0.925 0.864 1.40 1.15 5.25%7.49%1/504 1/357 1/757 1/1336振型X向Y向扭轉MIDAS周期1.022 0.903 0.827 1.301 1.374 5.42%6.46%1/591 1/558 1/715 1/1295振型X向Y向扭轉

②進行彈性動力時程分析，并與反應譜法計算結果對比，采用包絡設計。

③進行彈塑性靜力推覆分析。X、Y方向大震時彈塑性層間位移角分別為1/126、1/111，均滿足規(guī)范要求；框架柱均未出現(xiàn)塑性鉸；部分框架梁出現(xiàn)了塑性鉸，滿足強柱弱梁的概念設計要求，也符合了大震不倒的設計理念。

④對于屋面層跨度36m的空間結構，考慮到僅有輕鋼屋面、沒有混凝土樓板的情況，屋蓋易發(fā)生整體失穩(wěn)，因此需要采取特征值屈曲分析。通過對①恒載+活載、②恒載+活載+風壓、③恒載+活載+升溫、④風吸、⑤恒載+風吸五個工況的特征值屈曲臨界荷載系數的比較得出，在①②③⑤工況下，屈曲因子為負數，在④工況下前六階屈曲因子為5.31～6.0。因此在恒荷載作用后，結構不會發(fā)生整體穩(wěn)定問題[1]。

⑤考慮屋頂鋼結構的空間作用較弱，水平構件的受力特性更加類似梁的受彎變形，結構的單榀受力特性較為明顯，因此對X向單榀結構進行PK分析，在配筋時對三維計算和PK分析采用包絡設計。

⑥復核小震作用下樓板應力。具體措施為樓板設置為彈性膜。采用鋼筋桁架樓板的區(qū)域板厚取樓板厚度，采用壓型鋼板的區(qū)域板厚扣除肋高，驗算小震下樓板應力，確保其小于混凝土受拉強度。同時通過配筋計算，使得樓板鋼筋滿足基本地震條件下鋼筋不屈服的要求。同時將兩根V型柱（見圖1）中間區(qū)域樓板板厚置零，不考慮樓板的貢獻，驗算V型柱之間的梁受拉時的應力比在大震不屈服的工況下小于0.9，以保證即使V型柱中間樓板破壞后，結構不會倒塌。

2.2.3 構造措施

①控制鋼柱應力比，滿足一定的延性要求。

②對于首層跨度28m的型鋼混凝土托柱轉換梁，嚴格控制配筋率及長期撓度。

③在大懸挑及斜柱區(qū)域，采用鋼筋桁架樓板。

3 桿件計算長度研究

由于V型柱（詳見圖1）在本工程中較為重要，且V型柱與梁的連接節(jié)點多為剛接節(jié)點，交匯的桿件較多。因此需根據數值計算將桿件的計算長度進行復核。通過計算提取V型柱的第一階屈曲模態(tài)和臨界荷載，結合歐拉公式反算桿件的計算長度，進而得到桿件的計算長度系數[1]。

取具有代表性的V型柱進行驗算，其平面內、外的計算長度系數分別為1.296、1.36，計算中實際取值1.5，均能滿足要求。

4 大懸挑撓度及樓板振動分析

在本工程中，三層樓面建筑功能為網球場，且該層局部構件懸挑較大，最大處懸挑L=7.5m，此處最大撓度為14.5mm，為L/517。考慮到此懸挑梁為托柱轉換梁，從嚴控制撓度小于1/400L，滿足規(guī)范要求。

由于三層樓面上為球類訓練場地,建筑功能的特殊性決定其不能用一般辦公、住宅樓的評價標準來考核,本工程采用ISO2631-2[2]推薦的樓板振動舒適度評價標準。用于評價球類場地的均方根加速度可取0.01g×5=0.05g=49cm/s2,通過振動數值模擬，第一階模態(tài)的振動頻率為4.21Hz；在不同行走工況及不同的行走軌跡下，樓板的振動加速度最大值為48.4cm/s2，滿足舒適度要求。

5 節(jié)點分析

由于Y型柱（見圖3）節(jié)點受力復雜，且一端連接大跨型鋼梁，采用ABAQUS進行局部精細化分析。模型選取受力及邊界約束條件最不利的一榀Y型柱框架。在兩根Y型柱柱底均施加固定支座，接受首層各柱傳來的柱底內力（中震不屈服工況下框架面內彎矩及軸力）。對于框支梁所在樓面的荷載，附加恒載取5.0kN/m2，活載取 3.5 kN/m2，板厚取 180mm。根據內力最不利組合系數及該梁承擔的荷載范圍，在梁頂面附加0.12N/mm2的面荷載。計算結果如圖4、5。

圖4 型鋼整體MISES應力云圖

圖5 混凝土主拉應力云圖

型鋼的最大應力為181MPa，出現(xiàn)在左側的Y形柱與梁端交匯處。型鋼的最大應變約為0.00097。型鋼應力應變均處于彈性（不屈服）狀態(tài)。鋼筋骨架的最大應力出現(xiàn)在梁端與Y形柱頂交匯處，約為206 MPa。鋼筋的最大應變約為0.00102，鋼筋的應力應變均處于彈性（不屈服）狀態(tài)。混凝土的最大壓應力約為25MPa,小于混凝土抗壓強度，集中出現(xiàn)在梁端與Y形柱頂的節(jié)點區(qū)，可認為混凝土應力未屈服或大部分均處于彈性狀態(tài)。混凝土的受拉應變最大處約為0.00154，受壓應變最大約為0.00117，受壓處于彈性狀態(tài)。

6 結語

體育中心為不規(guī)則多層建筑，結構采用了“H鋼柱+鋼梁框架”結構體系；根據工程特點采取了一系列抗震計算及構造措施，結論如下：

①SATWE和MIDAS計算結果偏差較小，保證了分析的可靠性；

②關鍵構件計算長度取值合理，且大跨屋架未呈現(xiàn)整體失穩(wěn)模態(tài)；

③對大懸挑構件以及大跨區(qū)域不僅考慮豎向地震，并且驗算了撓度、加速度及振動頻率，滿足豎向振動情況下的舒適度要求；

④對關鍵節(jié)點進行ABAQUS有限元分析，滿足強節(jié)點弱構件的設計理念；

⑤通過一系列抗震構造措施，如提高構件延性、樓板洞口處配筋及厚度加強加大等措施，提高結構在地震作用下的綜合性能。