某大型假山造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李曉銘

（中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，福州350011）

1 工程概況

柳州的卡樂星球主題樂園內(nèi)有幾處游玩項(xiàng)目中都有大型假山，本文主要講述其中一個(gè)大型的假山項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為營造一種緊張刺激的游玩氛圍，此假山有過山車在其內(nèi)部穿越。本文分析的假山平面投影面積約800m2，整個(gè)假山山體約有10座，高度從5.8～31.7m，通過底部的大底盤，頂部的連接體和局部的凸出造型連接形成整體的造型。由于過山車需要在山體穿越造成山體內(nèi)部有非常多的挖空，山體基本都是跨越式的連接，使造型非常的不規(guī)則。整個(gè)園區(qū)過山車的山體造型效果如圖1所示，本文所分析的山體為最北側(cè)的一個(gè)山體。

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50a，抗震設(shè)防類別丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組第一組【1】。基本風(fēng)壓0.3kN/m2，地面粗糙度為B類。假山表面的做法按施工單位的要求為水泥塑石按1.5kN/m2考慮。

圖1 山體效果投影平面圖

2 結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)建模

考慮開園時(shí)間的節(jié)點(diǎn)要求，本工程留給施工的時(shí)間不多且結(jié)合本項(xiàng)目非常異形的特點(diǎn)，所以一開始就跟開發(fā)商商定采用純鋼結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)。對于這種異型的山體，有時(shí)山體在高處懸挑一部分出來，有時(shí)跨越連接到另外一個(gè)山體，有時(shí)又突然像鐘乳石一樣懸掛一節(jié)下來。山體還需要給過山車留空間穿越，考慮施工塑型的空間，本身山體厚度比較薄，留給主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間就更狹窄。此外，大部分山體較高，對于主體結(jié)構(gòu)來說高寬比比較大，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度會(huì)比較差，所以綜合分析采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，這樣既能加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度又能適應(yīng)山體多變的形態(tài)，最關(guān)鍵的是，這樣高效的結(jié)構(gòu)體系經(jīng)濟(jì)造價(jià)比純框架更有優(yōu)勢【2】。

針對異形的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的建模是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)。根據(jù)包裝設(shè)計(jì)單位提供的3DMAX模型，設(shè)計(jì)通過犀牛模型找形體，把3DMAX模型導(dǎo)入到犀牛模型中。按施工單位的要求為減小二次構(gòu)件的截面，結(jié)構(gòu)構(gòu)件間高度控制在1.5m左右，考慮二次塑型需要包裝邊界與主體結(jié)構(gòu)預(yù)留1.5m左右的距離，按此要求在犀牛模型中按照1.5m高度的間距畫出等高線，然后利用犀牛軟件的線投影功能可以非常容易抽取出山體的等高線圖，在此基礎(chǔ)上，我們就可以在三維的山體等高線內(nèi)部建結(jié)構(gòu)的三維模型。

建模原則是盡可能地考慮豎向構(gòu)件的上下貫通，所以建模的時(shí)候反而考慮從上部的頂部往下面的基座建模，像搭積木一樣，對于底部不斷變大的造型結(jié)構(gòu)，可以在原先小桁架的基礎(chǔ)上不斷延伸加大形成底盤，而對于一些突變的區(qū)域如山體在中間處的局部凸出或者凹進(jìn)可以采用懸挑鋼桁架或者整體平移結(jié)構(gòu)構(gòu)件或縮小桁架整體的寬度，來保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足和不凸出造型面。當(dāng)把所有山體的桁架結(jié)構(gòu)先建模出來然后再考慮底部的大底盤和頂部的連接體，對于頂部的連接體也是通過設(shè)置桁架支撐結(jié)構(gòu)，一是保證水平力有效向兩側(cè)的豎向支撐桁架結(jié)構(gòu)傳遞，二是也能更好地使各個(gè)獨(dú)立的支撐結(jié)構(gòu)形成整體。由于過山車還有自身的支撐結(jié)構(gòu)穿插在山體中，而且其構(gòu)件不是橫平豎直，給結(jié)構(gòu)的建模又增加了很多的難度，針對此部分的難點(diǎn)在建模中也是采用采用搭積木的思維，考慮先把所有的構(gòu)件建出來暫時(shí)不考慮過山車的構(gòu)件，等建完之后把過山車構(gòu)件放置其中，因?yàn)椴捎玫蔫旒芙Y(jié)構(gòu)本身冗余度非常多，可以通過不斷地拆除構(gòu)件使之避開過山車的構(gòu)件，當(dāng)實(shí)在無法避開的時(shí)候，可以通過平移部分構(gòu)件使之避開。按照上面的建模原則建好模型后，可以把三維線模型先導(dǎo)入到設(shè)計(jì)軟件，在軟件中把三維線模型生成三維實(shí)體模型并導(dǎo)出，放置到原包裝造型模型中看是否有構(gòu)件凸出造型，這樣可以有效地避免返工。整個(gè)山體的三維線型模型如圖2和如圖3所示。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

圖2 主支撐桁架+頂部連接體+底部的大底盤

圖3 整個(gè)主結(jié)構(gòu)的三維線模型

本工程主要采用Midas gen軟件來分析。把原先已經(jīng)建好的模型導(dǎo)入到軟件中并且按柱梁支撐等分組，便于后期的軟件對構(gòu)件的調(diào)整。雖然該結(jié)構(gòu)本身的重力荷載、風(fēng)荷載地震作用都不大，但是部分結(jié)構(gòu)的高寬比非常大，最大的有17點(diǎn)多，大部分都在10左右。風(fēng)荷載是起控制作用的水平向荷載。風(fēng)荷載的體型系數(shù)的取值是影響風(fēng)荷載的一個(gè)重要因素。針對如此異形的結(jié)構(gòu)，規(guī)范并沒有針對性的體型系數(shù)可以參考，這種小型項(xiàng)目又不能做風(fēng)洞試驗(yàn)，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中結(jié)合規(guī)范相關(guān)的要求。對于四邊形的建筑物風(fēng)受壓面體型系數(shù)0.8，風(fēng)吸面體型系數(shù)為-0.7和-0.5，對于六邊形的建筑物，風(fēng)受壓面體型系數(shù)0.8，風(fēng)吸面體型系數(shù)為-0.5，對于八邊形的建筑物，風(fēng)受壓面體型系數(shù)0.8和0.4，風(fēng)吸面為體型系數(shù)位-0.7和-0.5，其他的Y字型和十字形總的體型系數(shù)之和也基本在1.3。考慮風(fēng)在各個(gè)山體間流動(dòng)的時(shí)候，山體相互間距較近時(shí)，由于旋渦的相互干擾，山體某些部位的局部風(fēng)壓會(huì)顯著增大，過山車在山體中穿越更是加劇了這種效應(yīng)，綜合考慮以上因素，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通過適當(dāng)?shù)姆糯篌w型系數(shù)來考慮各種可能的不利因素，風(fēng)壓和風(fēng)吸總的體型系數(shù)按照1.6來考慮，這個(gè)整體體型系數(shù)差不多放大23%。風(fēng)壓高度變化系數(shù)按B類地面粗糙度取值，考慮結(jié)構(gòu)模型與包裝模型實(shí)際偏差，風(fēng)荷載按照實(shí)際相差等比例地進(jìn)行放大，放大范圍大致在1.2～2.5【3】。

通過分析可知，此種類型的異形鋼結(jié)構(gòu)，地震基本不起控制作用，所以整個(gè)結(jié)構(gòu)對抗震方面的要求可以適當(dāng)放低，按照非抗震的構(gòu)造要求。對于一些處在高烈度區(qū)的此類項(xiàng)目，也可以通過各構(gòu)件的承載力均滿足2倍地震作用組合下的內(nèi)力要求時(shí)降低其抗震構(gòu)造要求，這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)能夠更加合理。針對此項(xiàng)目，只要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮地震力的計(jì)算即可，在構(gòu)件設(shè)計(jì)中主要控制結(jié)構(gòu)的變形和構(gòu)件的計(jì)算，經(jīng)過分析，結(jié)構(gòu)前三階振動(dòng)周期主要為0.574 3、0.538、0.483 5，整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度非常大，不存在局部振動(dòng)，結(jié)構(gòu)前三階振型振動(dòng)如圖4、圖5和圖6所示。在風(fēng)荷載水平力作用下結(jié)構(gòu)的最大變形為31.8mm，相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)高度為20.2m，則風(fēng)荷載作用下的位移角為1/635，結(jié)構(gòu)的變形滿足規(guī)范的要求。由于結(jié)構(gòu)都是小構(gòu)件，所以考慮到采購的便捷性，都選用Q235B的成品型材，柱子和梁采用方形或矩形鋼管，支撐采用圓管，這樣圓管不存在相貫切割的問題，便于加工制作和現(xiàn)場安裝，很適合此類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。通過分析，柱子和梁主要采用的截面為100mm×4mm，120mm×4mm，120mm×6mm，120mm×8mm，200mm×6mm，200mm×8mm。斜撐主要采用的截面為50mm×3mm，60mm×3mm，76mm×3mm。通過優(yōu)選結(jié)構(gòu)體系，合理地考慮荷載作用，本山體的用鋼量為110t多，整體造價(jià)比較合理【4】。

圖4 結(jié)構(gòu)第一振型

圖5 結(jié)構(gòu)第二振型

圖6 結(jié)構(gòu)第三振型

對于山體的基礎(chǔ)部分，原有的土建已經(jīng)設(shè)置了一個(gè)大筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為-1.5m。山體的鋼結(jié)構(gòu)通過設(shè)置混凝土短柱與筏板基礎(chǔ)連接，在混凝土短柱頂上拉結(jié)混凝土梁使短柱形成整體，在山體鋼結(jié)構(gòu)模型分析中，需考慮此部分混凝土結(jié)構(gòu)對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)語

本山體工程造型非常異形多變，為適應(yīng)這種復(fù)雜異形多變的造型，采用鋼桁架支撐結(jié)構(gòu)，將一個(gè)原本看起來非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)像搭積木一樣把整個(gè)結(jié)構(gòu)變成是若干個(gè)簡單的結(jié)構(gòu)組裝起來，使整個(gè)結(jié)構(gòu)體系變得簡單，主次分明，受力更加簡潔明了。對于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，結(jié)合荷載規(guī)范的要求，通過合理地適當(dāng)放大風(fēng)荷載來考慮各種可能出現(xiàn)的不利因素，保證結(jié)構(gòu)的安全性。通過對本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)建模分析，荷載考慮和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總結(jié)分析，希望能給同行提供參考。