童話王國結構設計

摘要：童話王國結構為典型的混凝土少量剪力墻框架結構體系，在頂部設置有一鋼結構網殼穹頂構架，文章對童話王國的結構設計進行性了全面的介紹，分別通過YJK、SAP2000計算軟件對下部主體結構、鋼結構網殼穹頂構架進行分析設計。結果表明：混凝土主體結構抗震性能上良好，體系安全可行;在層高很高且層高差別很大的情況下，合理的增加少量剪力墻可以在不影響建筑功能的條件下，實現較為經濟的體系;溫度荷載對于超長結構來說不可忽略，合理選擇溫度荷載大小并考慮其不利影響，通過施工措施與加強配筋可以有效控制超長結構的裂縫;合理的選擇穹頂構架的受力體系、支座形式以及桿件截面的形狀可以有效減少鋼結構的重量，以較經濟的造價實現建筑功能。

[作者簡介]葉晨爽（1988—），男，本科，工程師，主要從事建筑結構設計工作。

1 工程介紹

本項目位于浙江省內，南面靠近溪流，北面靠山。僅有一棟塔樓在地下室范圍當中，塔樓范圍內地下2層，層高分別為3.5 m、3.5 m，其他范圍地下1層，層高5.6 m。室內外結構高差1.4 m，覆土厚度1.3 m;塔樓上部5層，層高分別為5.7 m，10.1 m，10.1 m，7.0 m，7.0 m，建筑高度39.9 m，柱網為9.0 m×9.0 m。頂部設置鋼結構網殼穹頂構架，總的建筑高度77.5 m。

建筑主要功能地上以游藝為主，地下是為設備用房與停車庫，地下夾層為配套辦公用房等;4層、5層中間居中開大洞，洞口尺寸為45.0 m×45.0 m，4層預留客房與室外無邊游泳池，5層預留客房與餐飲等功能，屋面預留摩天輪等游藝設施。根據甲方提資，游藝設備的預留活荷載為4.5 kN/m2。3層頂預留300 mm厚覆土荷載，屋頂預留600 mm厚覆土荷載。

主要效果見圖1，整體計算模型見圖2。

2 基礎設計

2.1 地勘資料

根據現場勘探，結合巖土層的沉積時代、成因類型、鉆探對比綜合分析，將勘探深度范圍以內地基巖土層劃分為5個工程地質層，7個工程地質亞層，現將主要特征描述如下：①層：角礫（al-plQ43）;②層：含礫粉質黏土（al-plQ43）;③層：含粘性土碎石（al-plQ43）;④1層：強風化砂礫巖（K1c）;④2層：中風化砂礫巖（K1c）;⑤1層：強風化凝灰巖（J3X）;⑤2層：中風化凝灰巖（（J3X）。其中部分范圍④2層缺失。

各巖層主要力學性質見表1，典型巖層剖面見圖3。

2.2 基礎設計

本項目結構北面靠山，南面臨近小溪，持力層為北淺南深。設計采用天然基礎以及柱下單樁基礎，持力層選擇為④2層，缺失的范圍采用⑤2層，鑒于現場施工人員無法明確區分中風化凝灰巖與中風化砂礫巖，設計統一按照中風化砂礫巖的地基承載力特征值設計。根據持力層的深淺分別采用柱下獨立基礎、柱下墩基礎及柱下人工挖孔樁混合的基礎1200形式，其中墩基礎與人工挖孔樁基礎以承臺下深度6.0 m為界，小于6.0 m時按照墩基礎設計，設計不考慮結構的沉降問題。

結合地下水位較高的情況，設計采用400 mm厚的地下室外墻，靠近地下室周邊一垮范圍內，采用底板厚度為600 mm，其余范圍采用400 mm厚底板。塔樓范圍以外的柱下獨立基礎采用1.6 m×1.6 m×0.9 m（高），獨立基礎頂平底板頂，塔樓范圍內的柱下獨立基礎為3.2 m×3.2 m×0.9 m（高）、3.4 m×3.4 m×0.9 m（高）不等;結合塔樓下的防水板設計，墩基礎與人工挖孔樁的承臺也采用相同規格，作為防水板的反柱帽。

2.3 抗浮設計

根據地勘要求，抗浮設防水位建議按室外地坪標高以下0.5 m考慮。塔樓范圍以外的部分覆土為1.3 m，結構自重不足以抵抗浮力的要求，在塔樓范圍以外設置2.25 m×2.25 m等規格的抗拔錨桿，來抵抗底板的水浮力;綜合底板厚度、水浮力及抗拔力試驗值等要求，抗拔錨桿桿體為28，單根錨桿的抗拔承載力特征值通過現場隨機試驗確定為 400 kN。

塔樓范圍以內，由于主體結構的存在，不考慮結構的整體抗浮問題，設計通過對塔樓底板進行局部抗浮設計，將水浮力通過防水板傳遞到框架柱下，由結構的自重來抵抗水浮力。

3 主體結構設計

本工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值0.05 g，設計抗震分組為第一組。建筑場地類別Ⅱ類，屬于對建筑抗震一般地段，建場地的特征周期0.35 s;抗震分類標準為乙類，設計使用年限100年，建筑結構安全等級一級，結構重要性系數取1.1[1]。

根據初步計算結果，由于層高的差別太大，導致整個結構出現薄弱層與軟弱層;4層和5層的框架柱截面相同，典型節點為700 mm×700 mm，3層框架柱要比4層框架柱截面大，典型截面為900 mm×900 mm，2層框架柱截面需要比3層更大，嚴重影響到建筑功能的布局。

為了避免結構超限，使得整個結構更加合理安全經濟，設計在2層樓面開始往下，在周邊不影響建筑功能的位置，設置少量混凝土剪力墻，形成少量剪力墻的框架結構體系[1， 3]。出于安全考慮，框架柱的抗震等級為二級，剪力墻的抗震等級為二級，位移角按照1/800控制。

3.1 混凝土部分

3.1.1 結構體系的選擇

地下室頂板為了滿足嵌固端要求，樓板厚度取180 mm;為了盡可能的獲得更高的凈高，地下室夾層采用無梁樓蓋+柱帽的結構形式，樓板厚度250 mm，柱帽尺寸為3.0 m×3.0 m×0.65 m;地下室頂板采用十字型次梁的結構體系，主梁高度750 mm，次梁高度650 mm。

塔樓上部標準層根據建筑功能以及管井布局等，基本采用十字型、井字型次梁的結構形式;典型主梁高度700 mm，次梁高度650 mm，樓板厚度120 mm;四層南邊設置無邊泳池，懸挑長度為7.0 m，泳池水深1.2 m，結構采用主次梁共同懸挑的結構形式，為了控制主次梁的變性協調，在懸挑端與內部端設置多道次梁，并加強配筋[4]（圖4）。

3.1.2主要計算結果

本工程結構整體計算采用YJK（V2.0.3）。多遇地震作用下結構分析的主要參數為：

（1）分別采用振型分解反應譜法計算結構響應，各振型貢獻按CQC法組合。

（2）嵌固端設于地下室頂板面，塔樓范圍內頂板厚180 mm，塔樓范圍以外頂板范圍250 mm。

（3）采用全樓剛性假定進行整體分析，彈性樓板假定計算構件內力和配筋。

（4）地震計算中考慮結構的扭轉藕聯及5%的偶然偏心和雙向地震作用。

（5）在多遇地震下的阻尼比取0.05。

（6）風荷載體型系數取1.4。

（7）各工況考慮溫度荷載的不利組合。

3.2 屋頂設計

3.2.1 結構體系的特點與選擇

屋頂鋼結構網殼穹頂構架，網殼平面尺寸為90.0 m×99.0 m，周邊徑向支撐在周邊的44根框架柱上，支點高出大屋面9.5 m，中間對稱位置設置4根立柱，在高出大屋面9 m的位置設置樹型支點，每根支點分為4個斜支點支撐在構架上。樹型支點詳見圖5。

支點到構架頂部的高度為28 m，中部有一圓孔，并且往下凹，結構形式上屬于不標準的網殼結構體系，結構主要桿件以承受彎矩為主，軸力為輔。針對受力特點，徑向桿件均設計為焊接H型鋼，主要截面H800×300×14×25，在中間樹型支座處的兩道環形桿件，由于也存在較大彎矩，也采用焊接H型鋼，主要截面H800×400×14×25，與支座直接相連的桿件采用焊接箱型截面 口800×400×30×30，其余環向桿件均采用成品圓鋼管;鋼材均采用Q355B。

框架柱上的支點設置在柱的側面，采用鉸接支座連接。為了承擔網殼穹頂構架傳遞的水平力，在框架柱中設計H型鋼鋼骨，并往下延伸一層，確保框架柱的安全。由于支座離大屋面較高，支座存在一定量的水平位移，導致結構無法形成殼的作用，設計在中部設置4個支點，與網殼均采用交接連接。

3.2.2 結構計算分析

本工程采用SAP2000軟件進行主體鋼結構計算及設計。為得到真實受力情況，周邊混凝土立柱、內部四根樹型支撐柱等均作為計算單元輸入計算模型，模型的支座為大屋面頂部，支座均為固定支座。整體空間模型如圖6所示。

3.2.2.1 荷載取值

本工程主要考慮恒載、活載（吊掛荷載）、風荷載、溫度作用。荷載取值如下：遮陽網格布0.2 kN/m2，屋面吊掛荷載：0.5 kN/m2。（按下弦節點荷載輸入）;按恒荷載考慮。屋面活荷載：不上人屋面0.5 kN/m2。風荷載：基本風壓0.70 kN/m2。考慮遮陽網格布的通透率，按照折減系數0.5進行考慮;其組合值、頻遇值和準永久值系數分別為0.6、0.4和0，地面粗糙度為B類。溫度作用：合攏溫度按15～20 ℃考慮。考慮兩種溫度作用工況，整體升溫30 ℃和整體降溫30 ℃。

本工程設防烈度為6度，設計基本加速度0.05g，設計地震分組為第一組，場地類別II類，特征周期為0.35 s。水平地震影響系數最大值0.08。結構阻尼比取0.02。本工程計算X、Y向水平地震作用及Z向豎向地震。豎向地震影響系數采用水平地震影響系數的65 %[2]。

3.2.2.2 荷載工況組合

（1）考慮到施工組裝與正常使用時的荷載工況如表3所示。

（2）根據上述的荷載工況主要考慮控制工況組合：

①1.2×恒載（Dead）+1.4×風載（Wind*）+0.98×滿跨活載（LiveM*）+0.98×升溫荷載（TS）

②1.2×恒載（Dead）+1.4×風載（Wind*）+0.98×滿跨活載（LiveM*）+0.98×降溫荷載（TJ）

③1.2×恒載（Dead）+0.84×風載（Wind*）+1.4×滿跨活載（LiveM*）+0.98×升溫荷載（TS）

3.3 結構特性

3.3.1 靜力分析結果

鋼構件得主要鋼構件控制0.85;結構在豎向荷載標準組合下的變形形狀如圖7所示，最大豎向位移為72 mm，為跨度的1/1250，滿足規范要求。立柱頂的側向位移最大值22 mm。

3.3.2 模態分析

模態是結構的固有振動特性，每個模態具有固有的頻率。計算前12階模態均表現為結構整體的平動或扭轉。模態變形形狀如圖8～圖13所示; 計算結果表明結構整體剛度分布合理，抗震性能良好;扭轉周期與平動周期比為0.60。

3.3.3 屈曲分析

結構的線性穩定分析即是特征值屈曲分析，是一種對結構理想性的整體穩定分析，分析中不考慮幾何與材料的非線性，同時也不考慮結構的初始缺陷。本工程進行了特征值屈曲分析，假定材料為線彈性。Sap2000通過對特征方程的求解，來確定結構屈曲時的極限荷載和破壞形態。本工程進行特征值屈曲分析時施加的荷載選用1.0D（恒載）+1.0L（活載）作為初始荷載向量。經計算結構一階屈曲因子為12.02>5.0說明結構具有較好的整體穩定性。屈曲形式為網殼水平方向的失穩，如圖14所示。

3.3 主要節點應力分析

樹形分叉處的節點采用ANSYS 10.0軟件進行細化分析，確保結構安全。分析采用實體單元SOLID 45，每個單元有8個節點，每個節點有3個平移的自由度，單元具有塑性，蠕變，膨脹，應力強化，大變形和大應變能力。由于節點可以看作一個平衡體系，取豎向桿件的端部為固定約束只做，樹枝的頂部作為荷載輸入端施加節點荷載;有限元分析考察了節點的最大位移與Mises應力分布，并根據鋼材性能對節點的安全性做了評估（圖15、圖16）。

由有限元計算結果表明，在最不利的荷載工況組合下，節點的Von Mises等效應力的最大值為100 Mpa;局部存在應力較大區域，主要發生在樹干與樹枝桿之間的連接處部位且范圍很小，可發展的局部塑性范圍有限;在設計中通過光滑焊縫倒角來處理應力集中現象，使最大應力小于計算值。

4 關鍵問題的解決

4.1 超長結構的解決

4.1.1 溫度荷載全過程影響

主體結構平面尺寸為100 m×100 m，溫度荷載對結構的影響主要體現在結構的長度與溫度荷載的取值上，并且溫度荷載對施工期間和使用期間有著不同的影響。溫差取值涉及到很多因素，不同的取值會導致較大的溫差荷載，計算結果的差異也很大，設計時更應該注重結構的概念設計以及整體設計，采取一些防范措施，盡可能的避免或者減少溫差帶來的不利影響。

施工階段混凝土成型收縮受到約束，局部會產生拉應力并出現裂縫，構件截面受拉與恒活荷載疊加后，混凝土收縮拉應力或者早期裂縫寬度會有所增加，當環境溫度進一步降低時，這些拉應力或者裂縫也將進一步加劇。設計通過措施：①設置后澆帶與加強帶;②驗算截面的最大裂縫寬度并據此來設置構件配筋;③加強混凝土構件的養護等。

4.1.2 溫度荷載的取值討論

建筑物從施工開始到設計年限這段時間內，一直受著各種自然環境條件的變化，建筑物的內外表面之間，還不斷的以輻射、對流、傳到等方式與周圍的空氣進行熱交換，因此作用在建筑物上面的溫度荷載也很復雜;所以溫度荷載的正確取值，是分析溫度效應的關鍵。設計考慮的溫度荷載的分類主要有：

（1）季節溫差，根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》中，最高基本氣溫38 ℃，最低基本氣溫-3 ℃，季節溫差41 ℃。

（2）日照溫差，按照室內有取暖設備考慮，常年溫度為27 ℃，那么夏季室外升溫差10 ℃，冬季室外降溫差33 ℃。

（3）驟降溫差，驟降溫差包括強冷空氣或者超高溫的影響。

（4）混凝土收縮當量溫差，混凝土收縮等效溫差是指將混凝土的收縮換算成等效當量溫差，再和結構的溫度變化疊加，形成計算溫差后再進行溫度應力分析。

結合本工程實際情況，將溫度荷載的影響范圍分為地下室和上部結構兩種范圍分別討論。混凝土的收縮是一種隨時間而增長的變形，結硬初期發展較快，后期增長緩慢，一般兩年后趨于穩定。本工程樓蓋設置了多道后澆帶，間距約40 m，兩個月以后澆筑封閉后澆帶，混凝土的收縮應力因得到釋放而變得很小，計算時按照45 %等效溫差的影響，存在于地下結構與地上結構。

在結構完成以后到竣工直至使用時，室內的溫度由于有建筑外保溫、隔墻、幕墻等措施，使得室內外的溫差以及季節溫差等不是很明顯。這個溫度荷載的作用效應遠小于施工后期的溫度作用。

4.1.3 不同部位處溫度作用的影響

根據計算結果，設計分析：

（1）在溫度荷載作用下，由于受到底部的約束，層間變形差由下往上依次遞減。在第4層開始間變形差較小。

（2）在溫降工況下，樓板拉應力分布沿樓板縱向表現為兩端小，中間大;沿豎向隨著樓層的增加，拉應力逐步減小。

（3）本工程采用少墻框架結構，豎向構件剛度較小，且沒有明顯剛度集中或不均勻，在溫荷作用下，樓板受到約束較小，整體樓板應力不大在可控范圍，溫度應力最大的一層樓面，在降溫工況下樓板拉應力主要控制在1.2 MPa～2.4 MPa間，在房屋處有應力集中，樓梯間等樓板削弱明顯的區域局部樓板應力略偏高，主拉應力約2.4 MPa。大部分區域應力水平較低，按0.8 MPa計算，每延m溫度筋為0.8×110×1000/360=245 mm。應力集中區域局部加強。

（4）本工程樓板溫度應力在可控范圍，采用雙層雙向配筋，適當提高配筋率的措施來抵抗溫降荷載產生的拉應力。按《全國民用建筑工程設計技術措施》（混凝土結構）中建議措施，采用8@150雙層雙向拉通鋼筋，溫度應力集中的區域局部再加強。

設計加強措施：

（1）設計中采用雙層雙向配筋，選用小直徑鋼筋密排布，適當的增加配筋率。

（2）加強建筑隔熱保溫措施，特別是屋頂層。

（3）后澆帶設置只能在較短的間距范圍內解決早期混凝土收縮應力問題，對于超長結構體系的后期溫度應力的影響無意義;設計應采用膨脹加強帶與后澆帶相結合的方法。同時后澆帶采用主受力鋼筋搭接或者附加一定量的受力鋼筋。

（4）控制混凝土入模式的溫度來降低溫差效應，減少裂縫開裂。

4.2 層高與結構形式的選擇

根據建筑功能的要求，地上部分除了首層外，其余樓層的墻體均屬于高大墻體，需要針對墻體進行分別處理。外立面上根據建筑要求設置層間框架梁，內墻結合門洞、卷簾門等要求布置柱間框架梁，各種管井確保墻體的無支撐長度滿足規范要求時，不另設層間梁;確保每片墻體的高度不超過6.0 m（200 mm厚砌體墻），并對夾層框架梁參與整體計算配筋，構造上對設置夾層框架梁的框架柱進行箍筋全長加密，確保框架柱的抗剪的安全性。

由于甲方對凈高要求較高，地上盡可能多預留可用層高，采用十字梁與井格梁的結構形式。塔樓范圍地下室夾層，采用無梁樓蓋結構形式。

5 結論

本工程從設計開始到完成設計時，本著節約、經濟的原則，從幾個方面考慮，以確保結構安全[5]：

（1）本工程結構體系選擇合理，對其中薄弱部位有針對性的抗震構造措施，對各種關鍵點進行了相對應的調查研究與設計。

（2）超長結構體系應該充分考慮溫度荷載對于結構從施工期間直到使用全過程的影響;特別是后澆帶封閉后維護結構沒有施工前的時間段;應該注意施工組織設計，盡可能減少溫度荷載對主體結構的影響。

（3）大跨度結構體系應著重注意正常使用極限狀態的設計。

（4）大跨度的鋼結構屋蓋應結合主要受力形式來選擇桿件的截面，使得體系更加經濟。

參考文獻

[1] 建筑抗震設計規范：GB 50011—2010 [S]. 北京： 中國建筑工業出版社，2016.

[2] 鋼結構設計標準：GB 50017—2017 [S]. 北京： 中國建筑工業出版社，2018.

[3] 高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ 3—2010[S].北京： 中國建筑工業出版社，2011.

[4] 葉晨爽.云南文山民族大劇院抗震性能分析[J]，上海建設科技.2021（2）：1-4.

[5] 劉文燕. 某超高層辦公樓結構設計[J]，工業建筑，2014（12）：157-162.