混凝土連續薄殼屋面在建筑中的應用

■ 朱 佳 ZHU Jia

0 引言

混凝土殼由于其體形規則、可復制性強的特點，廣泛應用于施工、工業領域，常用以承受壓力為主的豎向輔助結構。如作為水平受力構件，由于其受力特性，在平面內剛度較大，而在平面外，則在壓彎作用下會產生較大的水平推力。因此，這類構件通常殼體厚度較大，以增強其自身剛度，且四周設置混凝土拉梁以平衡拱底拉力，其結構體型略顯粗重且可復制性差。本文將結合工程實例，從拱殼受力分析、施工順序及預制構件施工等方面進行簡單闡述，總結其受力特性及計算方式，以期供廣大結構工程師參考借鑒。

1 工程概況

本工程位于我國東部某大型城市，場地原為一沿江廢棄貨運碼頭。為提升城市形象，還江于民，擬在此處新建一游船碼頭，本工程則作為此游船碼頭配套的候船大廳。地塊總用地面積為 18 000 m2，地勢較為平坦。本工程地上1層，無地下室，總建筑面積約為 4 000 m2。

相比通常候船大廳采用的混凝土框架或鋼結構框架、網架或網殼體系，建筑師為保留本區域原有的歷史工業氣息，從拱橋中獲得靈感，希望營造出一種人流從橋洞下穿越而出的氛圍，因此，屋頂采用了清水混凝土連續拱殼的概念。同時，為了隱藏拱頂，在屋面上覆蓋一定厚度的輕質土，用于種植綠化，也可使外立面不會顯得過于突兀。另外，為了使游客在候船時不至有壓抑的感覺，盡可能擁有廣闊的空間和采光，擯棄了橋墩概念，改用圓形鋼柱的思路，并希望鋼柱盡可能的細巧（圖1、2）。

2 結構設計

2.1 結構體系

本工程采用鋼框架支撐體系，其結構設計理念為：屋面為混凝土連續拱殼，豎向荷載由連續拱殼承受并傳遞給鋼柱；鋼柱為純受壓構件，上、下端均為鉸接構造；結構的抗側剛度和承載力通過高強拉索和屈曲約束支撐（耗能型）提供，支撐均為V字形布置；高強拉索施加一定的應力以提高結構的初始剛度，結構的抗側剛度全部由支撐提供，傳力體系較明確。整體計算模型如圖3、4所示。

在豎向荷載作用下，荷載主要通過混凝土殼體的受壓傳給鋼柱，殼體的典型厚度取為150mm，混凝土強度等級C40。

為了更好地發揮混凝土受壓、鋼材受拉的特性，特采取以下措施：

（1）在鋼柱柱頂設置拉索，以平衡拱殼的水平推力；在售票大廳的沿江面設置懸挑雨棚，由屋蓋混凝土殼體延伸半跨形成。

圖1 建筑內部效果圖

圖2 典型剖面圖

（2）拱殼的交界處沿拱軸方向設置拉結鋼梁，可明顯降低拱殼的彎矩作用，并減小了建筑的回填厚度，降低了結構荷載。

結合建筑的需求，本工程嘗試采用耗能屈曲支撐和柔性拉索支撐的組合形式，中、大震下屈曲約束支撐進入屈服，使得結構剛度下降，周期延長，且屈曲約束支撐的滯回耗散了地震輸入能量，使得中、大震下的地震力相比彈性大震有較明顯的折減，保護了主體結構；而柔性拉索在大震下基本保持彈性，提供結構的恢復力（圖5）。

屈曲約束支撐的設置，使得結構的性能目標可基本達到“大震不屈服”，高強拉索（ftk=1 670MPa）在大震下基本保持彈性，使得結構可以自行恢復到初始位置，實現了結構的可恢復性，受力特點接近于搖擺墻結構。

由于結構柱跨為標準的7.5mx7.5m，為減小混凝土殼體的施工難度，混凝土殼體擬采用工廠預制的形式。

2.2 基礎方案

按照勘查報告的建議，本工程采用鉆孔灌注樁+獨立承臺基礎形式。由于第⑥層的土性較佳，可作為本工程的樁基持力層；采用φ600 鉆孔灌注樁抗壓樁，單樁承載力設計值1000kN，共120根。

圖3 整體模型示意圖

圖4 ETABS計算模型圖

圖5 典型支撐立面布置圖

2.3 抗震等級

本工程建筑功能為候船大廳，參照《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223—2008）的要求，房屋的抗震設防類別為丙類（標準設防類）。房屋大屋面高度為5m，屬于單層建筑。考慮到體系的特殊性，根據《抗震設計規范》（GB 50011—2010），本結構的抗震等級為三級（比規范提高一級）。

2.4 技術難點

本工程技術難點主要在于混凝土連續拱殼的受力分析、鋼柱與混凝土拱殼的連接節點及BRB、高強拉索的計算及選用等。受篇幅所限，本文僅對屋面連續拱殼的受力分析進行簡要闡述。

3 殼體受力特點分析

3.1 豎向荷載下的受力特點分析

（2）垂直于拱殼方向上，由于其柱頂處的拱殼類似于連續梁，故F11與M11方向的軸力較大，且柱的跨中受拉、頂處受壓，與連續梁的受力特點有一定吻合（圖10、11）。由于受力較小，故不進行有無拉結鋼板的內力比較。

3.2 水平荷載下的受力特點分析

地震作用下，殼體質量引起的慣性力需要傳遞至下部支撐和柱上，其垂直于拱軸方向的殼體軸向剛度較大，但平行于拱軸方向的軸向剛度類似于折板結構，相比于平板，其軸向剛度有一定的折減，因此，對地震力的傳遞影響需特別關注。

圖6 豎向荷載組合下殼體內力F22分布圖（無拉結鋼板）

圖7 豎向荷載組合下殼體內力F22分布圖（有拉結鋼板）

圖12給出了在 Y 向大震（拱軸方向）作用下結構的變形分布。可以看出，殼體的變形有一定的不均勻性，但差異不大，殼體的剛度可以保證地震力的傳遞。

圖13給出了地震作用下部分柱頂拉索的軸力分布圖。可以看出，柱頂拉索在殼體的地震力傳遞給斜撐時也起到了一定的傳遞作用，但作用較小，部分拉索出現受壓工況，但不超過受拉索的預拉力。

圖8 豎向荷載組合下殼體內力M22分布圖（無拉結鋼板）

圖9 豎向荷載組合下殼體內力M22分布圖（有拉結鋼板）

圖10 豎向荷載組合下殼體內力F11分布圖（有拉結鋼板）

圖11 豎向荷載組合下殼體內力M11分布圖（有拉結鋼板）

圖14、15給出了地震作用下殼體沿拱軸方向的內力F22和M22的分布。從圖中可看出，由于傳力特點的限制，設置支撐處的柱頂部位及角部平面區域的出現了內力集中，大部分區域的樓板內力均較小。樓板配筋基本為豎向荷載控制，柱頂區域的殼體通過構造措施進行加強（圖16）。

圖12 Y向大震地震作用下殼體變形分布圖

圖13 Y向大震地震作用下柱頂拉索內力分布圖

3.3 拱殼的壓彎承載力校核

3.3.1 校核方法選擇

拱殼的受力為雙向壓彎或拉彎構件，由于 ETABS對此類樓板暫時無法設計，本工程采用以下2種方法進行校核：

圖14 Y向大震地震作用下殼體內力F22 分布圖

（1）輸出板殼單元的內力，根據公式計算樓板配筋，由編制程序把樓板配筋輸出到AUTOCAD中作為繪圖依據。

（2）指定樓板兩個方向的配筋，利用有限元原理計算樓板的N-M 承載力相關曲線，通過板殼單元的輸出內力與N-M 曲線的相對關系，判定配筋是否滿足要求。

本文將選取第二種校核方法進行介紹。

3.3.2 承載力校核

《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）的附錄E給出了任意截面正截面承載力的計算方法：首先將截面劃分成若干個單元，再根據指定的極限應變分布，積分求出截面的軸力及彎矩承載力（圖17）。

計算時，作如下假定：①應變分布符合平截面假定；②鋼筋、鋼骨不發生局部屈曲；③鋼骨與鋼筋采用理想彈塑性應力-應變關系?；炷潦軌簯?應變關系按照《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）中 7.1.2 條的規定，不考慮混凝土的抗拉強度。

圖15 Y向大震地震作用下殼體內力 M22分布圖

圖16 拱結構立面布置示意圖

假定樓板配筋均為雙層雙向對稱配筋，按照上述原理編制計算程序，豎向荷載組合校核時，材料強度均取設計值，分別計算得到配筋為 φ8@100（ρs=0.34%）、φ10@100（ρs=0.52%）和φ12@100（ρs=0.75%）的N-M 承載力相關曲線，各關鍵點的計算結果見表1及圖18～20。

按照上述承載力計算結果，將豎向荷載組合下的設計內力與承載力曲線進行比較。從圖18～20可以看出，對于大部分板殼雙層雙向φ8@100基本可滿足豎向荷載組合下的設計要求，局部區域的配筋需加大至φ10@100。

3.4 罕遇地震下彈塑性時程分析拱殼內力復核

按照“大震不屈服”的設計內力進行配筋，計算時，材料強度均取標準值。分別計算得到配筋為φ8@100（ρs=0.34%）、φ10@100（ρs=0.52%），φ12@100（ρs=0.75%） 和φ16@100（ρs=1.34%）的N-M承載力相關曲線，各關鍵點的計算結果見表2。

對于樓板內力，ETABS 軟件中難以取平均，故取1組基地反力與時程平均值相近的地震波進行 樓板的校核。根據表2，取時程 SH8X 和 SH8Y 進行校核（圖21、22）。

可以看出，除了局部的應力集中區域外（樓板角部及柱頂），樓板采用雙層雙向φ12@100基本可實現拱殼“大震不屈服”的性能目標。

3.5 超長結構的溫度應力分析

圖17 任意截面正截面承載力的計算方法

表1 N-M承載力曲線關鍵點數據（樓板為雙層雙向對稱配筋）

圖18 殼體的典型N-M承載力相關曲線圖

圖19 豎向荷載組合下殼體的配筋承載力校核（F22+ M22）圖

本單體屋蓋為混凝土殼面，且樓蓋單方向超長，需對其進行溫度受力分析，分析軟件采用 SAP2000 V18。本節主要給出溫度作用下，屋蓋內力的分布情況和相應的應對措施。

判斷混凝土殼體屋蓋對溫度是否敏感，特別是混凝土抗拉能力較差，溫度內力計入屋蓋驗算荷載組合（圖23～30）。

由以上分析可知，混凝土殼在溫度荷載下，長度方向在升溫時受壓，壓力最大為-378kN；在降溫時受拉，拉力最大為372kN。在升溫或降溫時，樓蓋寬度方向軸力及兩個方向的彎矩都不大。

圖20 豎向荷載組合下殼體的配筋承載力校核（F11+ M11）圖

表2 N-M承載力曲線關鍵點數據（大震不屈服）

圖21 N-M承載力相關曲線（SH8X）圖

在樓蓋與拉索（特別是BRB）連接處，局部區域產生了應力集中，拉力最大為 759kN，這在節點連接設計時需要特別注意。

圖22 N-M承載力相關曲線(SH8Y)圖

圖23 30℃混凝土殼內力F11示意圖

圖25 30℃混凝土殼內力M11示意圖

圖26 30℃混凝土殼內力M22示意圖

圖27 -30℃混凝土殼內力F11示意圖

圖28 -30℃混凝土殼內力F22示意圖

圖29 -30℃混凝土殼內力M11示意圖

圖30 -30℃混凝土殼內力M22示意圖

3.6 大型標準混凝土殼預制裝配式結構的可行性分析

本工程最大的特點是采用了連續的拱殼。若采用現澆混凝土拱殼，則模板的施工和腳手架難度較大。故針對拱殼，建議采用預制裝配式的形式，以減小現場的支模工作量，保證施工質量，符合綠色建筑的要求。

現行規程對于裝配式結構設計的主要技術路線，是在可靠的受力鋼筋連接技術基礎上，采用預制構件與后澆混凝土相結合的方法，通過連接節點合理的構造措施，將裝配式結構連接成整體，保證其結構性能具有與現澆混凝土結構等同的延性、承載力和耐久性能，從而達到與現澆混凝土結構等同的效果。因此，滿足現行規程有關要求的裝配整體式結構可以按照現澆結構進行整體計算。

本工程的拱殼為標準柱跨布置，且拱殼采用圓弧拱，結構具有較高的可復制性，可根據工廠制作、 運輸及現場吊裝的需求確定標準模數進行預制。

各預制板塊間的連接節點采用現澆混凝土，節點處的鋼筋可采用機械連接、焊接等形式，以保證鋼筋的可靠錨固，即可滿足“等同現澆”的設計要求。

4 結語

通過對連續拱殼的豎向荷載、橫向荷載受力特點分析及拱殼的壓彎承載力校核,使得連續拱殼在實際工程中的應用成為可能，既滿足建筑需求，又體現建筑的美學效果，使結構形式變得新穎而不呆板。

通過合理布置屈柱頂拉索及殼頂拉結鋼板，可有效減小拱殼支座處的殼內拉力和彎矩，充分發揮混凝土受壓、鋼材受拉的特性，使結構受力更合理，傳力路徑直接、有效；使結構整體指標更易滿足現行規范要求，符合現行抗震設計標準，更易確保結構的安全可靠。

對于這類標準柱跨、同一形式的拱殼屋面，更易實現工廠的預制生產、現場拼裝，符合當前預制裝配式建筑的潮流，既可加快施工進度，又可節約資源、保護環境。