淺談摩天輪下商業建筑結構方案的設計
——以愛摩輪商業廣場工程為例

陳 清

（福建博宇建筑設計有限公司，福建 福州 350001）

1 工程概況

愛摩輪商業廣場位于福州市晉安區東區板塊，項目用地南側為晉安湖公園，西側為后浦路，北側為住宅小區（已建）。工程總建筑面積為23657.00m2，其中地上建筑面積為10774.37m2，地下建筑面積為12882.63m2，建筑占地面積為6483.15m2，主要建筑包括1 座1-2F 的商業廣場、娛樂及配套建筑、摩天輪。

2 結構設計概況

該工程為鋼筋混凝土框架結構體系，結構的設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第三組，水平地震影響系數最大值αmax=0.08，場地土類別為III類，場地特征周期Tg=0.65s。地面粗糙度B 類，基本風壓0.7kN/m2（50年一遇）。地下一層，地面以上二層，屋面結構面標高10.800m；在屋面上設置摩天輪，支承摩天輪的四個框架柱采用鋼管混凝土柱，四個鋼管混凝土柱的距離為32×58m；摩天輪直徑107m，摩天輪高度110m，吊廂運行速度0.2m/s，轉速每圈28min（效果圖見圖1）。

根據《建筑工程抗震設防分類標準》GB50223-2008[6]條文說明第6.0.5 條，本工程商業建筑面積大于17000m2，故建筑抗震設防類別為重點設防類，建筑結構安全等級按一級，重要性系數取值1.1，鋼筋混凝土框架結構抗震等級二級。大跨度型鋼混凝土梁、型鋼混凝土柱及鋼管混凝土柱抗震等級一級。樁基設計等級甲級，據地勘報告，經多方案比較，該工程鋼管混凝土柱下采用沖（鉆）孔灌注樁，其余柱下采用PHC 預應力管樁基礎，該工程采用YJK 建筑結構設計軟件計算分析。

圖1 建筑效果圖

3 摩天輪柱腳內力分析及電算輸入

摩天輪結構主要由四個箱型立柱和中心銷軸組成，立柱鉸接于主體結構上，故立柱柱底支座反力主要由水平力和豎向力組成。最初摩天輪設計單位僅提供極限承載狀態和正常工作狀態下的支座反力包絡值，雖然知道了支座反力極值，但是實際上摩天輪在自重、風荷載、地震作用工況下，四個柱腳的反力方向和數值是截然不同的，僅知道柱腳反力包絡值無法在計算軟件中進行整體的計算分析。基此，摩天輪設計單位又重新提出了各單工況下支座反力，各單工況分別為恒荷載、活荷載、活荷載（1/偏載）、正風荷載、側風荷載，45°斜風荷載，正向地震作用、側向地震作用、斜向地震作用、豎向地震作用。

YJK 計算軟件中的荷載輸入主要有恒載和活載輸入，而要想摩天輪立柱柱底風荷載和地震作用工況下的支座反力參與主體結構整體計算分析，則應在自定義工況中選擇相應的工況類型添加設置。在荷載輸入前還需對摩天輪的支座反力數據進行整理分析，主要應注意以下幾點：

（1）摩天輪設計單位采用的分析軟件為美國的ANSYS 有限元軟件，其坐標軸命名方式與YJK 不同，荷載輸入時應注意坐標軸方向保持一致。

（2）摩天輪設計單位提供的荷載均為支座反力，將荷載輸入YJK計算模型當中的時候應為作用力，故應將廠家提供的荷載乘以-1。

（3）YJK 計算程序的正向風方向為由南至北，故應注意輸入風荷載工況時荷載方向是否一致。

（4）在YJK 前處理參數設置里的荷載組合表中應勾選“采用自定義組合”，并生成默認數據，得到新的組合表用于后續計算。

4 摩天輪立柱下的主體結構柱方案

由于摩天輪僅四根立柱，柱下的內力較大，結合以往類似工程經驗，支撐摩天輪立柱的結構柱形式可考慮采用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱。型鋼混凝土柱外包的混凝土可以阻止其中型鋼的局部屈曲，使鋼骨的鋼材強度得以充分發揮，節省鋼材50%以上，外包混凝土解決了鋼結構防腐和防火問題。與鋼筋混凝土結構柱相比，由于混凝土的約束作用，柱的抗剪和抗彎承載力提升顯著。但是型鋼柱對施工單位的技術和管理能力要求較高，既要求進行鋼結構的制作及現場安裝，又要求現場支模板、綁扎鋼筋和澆筑混凝土，施工工序較多，工程質量不易把控。

鋼管混凝土柱是利用橫向鋼管，對鋼管內混凝土施加側向約束，使混凝土處于三向受壓應力狀態，內填微膨脹混凝土反過來又提供支撐作用阻止薄壁鋼管受壓時的局部屈曲，增強了鋼管壁的穩定性，使鋼管的抗壓強度得以充分發揮，提高鋼管柱的抗剪抗彎承載力，避免單純的高強混凝土生產難度大，低延性、脆性破壞等缺點；鋼管混凝土柱與普通的鋼筋混凝土柱相比，由于承載能力大幅提高，且沒有軸壓比的限制，柱的截面尺寸顯著減小，與型鋼混凝土柱相比，截面面積也可減小很多，可滿足建筑空間功能使用需求；鋼管內的混凝土由于鋼管的約束作用，受壓時的脆性破壞轉變為延性破壞；由于和混凝土共同作用采用薄壁鋼管，避免了使用厚鋼板，更有利于鋼構件的加工制作和現場焊接施工；在火災環境中，鋼管內的混凝土材料熱傳導系數較鋼構小很多，故延長了鋼管柱的耐火極限，防火性能優于純鋼結構。但是鋼管柱的鋼管在制作和施工過程也具有一定難度，本工程圓形鋼管柱直徑較大，規范對焊接后的鋼管垂直度有嚴格要求，這就需要現場焊接時應采取相應措施，注意焊接的順序和焊接時的變形影響；鋼管柱內的混凝土施工屬于隱蔽工程，混凝土質量無法直接目測，只能依靠施工人員的責任心和嚴格現場監督管理，如果超聲監測發現混凝土缺陷，存在缺陷補強困難等問題。

本工程摩天輪鋼立柱傳遞至主體結構的拉壓力及水平力較大。對于型鋼混凝土柱，為了保證其具有良好的延性和耗能能力，規范對其提出了軸壓比的限值。而鋼管混凝土柱作為壓彎構件在軸壓比較大時，仍具有一定抗彎能力。因此從受力性能上，鋼管混凝土柱的承載力和延性比型鋼混凝土柱好，該工程最終采用鋼管混凝土柱方案。

5 鋼管混凝土柱及型鋼混凝土組合結構設計

首先鋼管混凝土柱的截面尺寸設計與摩天輪的柱腳埋件尺寸及內力關系密切，摩天輪柱腳底板直徑1900mm，螺栓群的直徑為1700mm，立柱底最大水平力設計值為17950kN，為了滿足摩天輪的柱腳預埋需求且盡量減小對下部建筑使用空間的影響，鋼管混凝土柱在接近屋面時直徑為2000mm，其余樓層直徑采用1500mm，并按1∶7坡度進行過渡設計，鋼管壁厚30mm，變截面處設置30mm 內隔板，柱內填充C60 微膨脹細石砼，經計算分析，鋼管柱的最大軸壓比為0.28，最大剪力設計值與受剪承載力比值為0.40，具有足夠的安全儲備，同時采取加強鋼管柱周邊的框架梁配筋率和型鋼混凝土梁的含鋼率等措施。

由于建筑方案需求，屋面形成大跨框架結構，屋面板上具有景觀覆土及摩天輪運行施工等荷載作用，荷載效應較大，且鋼管柱間的框架梁還承擔著傳遞摩天輪柱腳水平力的作用，因此結構方案設計時考慮在大跨度結構和四個鋼管柱間框架梁采用型鋼混凝土梁柱作為主要受力構件（屋面結構平面見圖2），利用型鋼構件的高強度、高剛度特點以保證大跨度框架具有較高的承載能力及延性，相對于普通混凝土梁，采用型鋼梁能有效降低結構梁高，滿足建筑設備專業對空間凈高的使用要求。對于大跨度的型鋼混凝土構件，提高其抗震等級，在滿足計算要求的情況下，型鋼混凝土構件含鋼率按不小于5%控制，加強大跨度相關結構構件的配筋做為安全儲備。

圖2 屋面層結構平面圖

6 屋面樓板應力計算分析

摩天輪鋼立柱柱底的Y 向水平力較大，對于Y 向立柱間的屋面板需承擔水平力的傳遞和變形協調任務，故會引起樓板局部應力的增大和集中。因此，對樓板應力分析是該項目的設計重點之一，除對樓板進行豎向承載能力計算外，還需對屋面樓板進行應力分析計算。在X 向風荷載和地震工況下，屋面樓板應力分布情況較為均勻，在Y 向風荷載和地震工況下，應力較大部位則主要集中于鋼管柱周邊樓板以及洞口周邊區域樓板，通過分析計算結果可知，X、Y 向屋面樓板拉應力最大值均小于混凝土抗拉強度標準值，同時對于局部應力較大部位可采取加大板厚、加強配筋等措施，樓板出現開裂可能性較小。另本工程建筑平面為圓形，直徑總長約85m，中庭開洞直徑約13m，主體結構未設置結構縫，根據《混凝土結構設計規范》GB50010-2010 第8.1.1 條，現澆框架結構伸縮縫最大間距為55m，已超過規范限值[1-5]。

基于以上幾點原因，為了提高屋面樓板的剛度、承載力及抗裂性能，本工程屋面板厚度取150mm，配置雙層雙向鋼筋網，配筋率不小于0.25%，屋面梁板混凝土強度取C40。同時在Y 向鋼管柱間區域樓板設置4000×300mm 樓板加強帶，保證應力集中區域樓板不開裂，樓板加強帶配筋大樣，見圖3。

圖3 屋面鋼管柱間樓板加強帶配筋大樣

7 結束語

（1）摩天輪四個鋼立柱下柱底內力復雜，在各工況荷載作用下，柱底內力的方向和數值差異較大。同時，由于摩天輪結構和主體結構的計算軟件不同，因此如何考慮摩天輪柱底內力在YJK 計算軟件中的輸入和主體結構的整體計算分析，也是本工程設計的重難點之一。

（2）對于摩天輪立柱下結構柱方案，型鋼混凝土柱和鋼管混凝土柱各有利弊，通過分析兩者的工作機理及力學特點，綜合多方因素，最終采用鋼管混凝土柱。

（3）鋼管混凝土柱截面設計，不僅需考慮受力性能要求，還需與摩天輪設計單位密切溝通，結合摩天輪立柱的預埋件方案綜合考慮，確保后期預埋件施工的可實施性以及使用期間的安全可靠性。

（4）對于大跨度長懸臂結構，可采用型鋼混凝土組合結構形式，利用其高強度、高剛度的特點以有效縮小結構構件尺寸，從而迎合建筑大空間需求。

（5）對于摩天輪立柱間屋面樓板，可采用YJK 等軟件進行樓板應力分析，對可能出現的薄弱部位采取加強措施，提高樓板的剛度和承載力。