阜陽科技文化中心結構設計

朱 偉， 孫會郎， 朱 蓓， 張新英， 呂 巖

(杭州中聯(lián)筑境建筑設計有限公司， 杭州 310011)

1 工程概況

阜陽科技文化中心位于阜陽穎南區(qū)城市空間軸的交匯處，臨水而建，猶如珍珠鑲嵌在新城主軸的雙清灣畔，項目總用地面積約4.20萬m2，總建筑面積約5.40萬m2。阜陽科技文化中心采用五館一體化設計，分為科技館、工人文化宮、文化館、婦女兒童活動中心及書法藝術館，通過共享中庭把五個場館的四組功能區(qū)有機融合為一體。本項目建筑高度23.850m，平面尺寸約125m×160m，地上建筑面積約3.6萬m2，地下建筑面積約1.8萬m2，其中人防面積約4 800m2。門廳主入口部位的主結構不連續(xù)，寬度達40余米，共享中庭采光頂的最大跨度約60m，臨近雙清灣一側設有最大懸挑達8m的觀景陽臺，整體建筑效果圖如圖1所示。

圖1 整體建筑效果圖

阜陽科技文化中心地下1層，層高5.400m，用作對外開放的公共停車場和公共休閑功能區(qū)；地上4層，層高均為5.700m，1層由共享中庭及各功能區(qū)組成，包含科技展廳、球幕影院、親子中心等；2層由中庭環(huán)廊將科技館、劇場、少兒培訓中心等功能區(qū)有機連接成一體；3層及4層在入口上方增設了廊道，使得各個功能區(qū)的結合更為密切。建筑剖面圖如圖2所示。2層和屋面的結構平面布置圖分別如圖3，4所示。

本工程主體結構設計使用年限和耐久性設計

圖2 建筑剖面圖

圖3 2層結構平面布置圖

圖4 屋面結構平面布置圖

年限均為100年，建筑結構安全等級為一級，地基基礎設計等級為乙級。擬建場區(qū)的抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組[1]。根據地質勘探報告，場地類別為Ⅲ類，設計特征周期為0.45s，抗震設防類別為重點設防類(乙類)[2]。100年一遇的基本風壓為0.55kN/m2(因缺少當地資料，參考亳州的相關資料)，地面粗糙度為B類[3]。100年一遇的基本雪壓為0.60kN/m2。根據地勘報告，當地歷年最高氣溫為42.5℃,最低氣溫為-22.5℃，年平均氣溫為14.7℃。

鑒于《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[1]的地震動參數均是按50年設計基準期考慮的，當設計年限大于50年時需要調整放大。參考相關文獻[4-5]的研究，經計算，該工程100年設計基準期對應的基本設防烈度約為7.4度，設計時按7度(0.15g)考慮，水平地震影響系數最大值取αmax=0.34。為達到100年設計使用年限內的耐久性要求，根據所處環(huán)境類別，對混凝土構件的最低強度等級和最大水膠比提出了具體要求，對混凝土中的最大氯離子含量和最大堿含量進行了限定。同時采取增加混凝土保護層厚度、限制裂縫寬度等一系列措施，從材料性能和構造措施上共同確保結構的耐久性。

2 結構體系選擇

本工程結構設計存在以下兩大特點：1)建筑整體呈下小上大，逐層外擴的形態(tài)，結構構件需要貼合建筑外輪廓進行結構找形；2)建筑平面不規(guī)則，各層平面均由3個圓形或橢圓形按C字形排布構成，門廳主入口一側不連續(xù)，沒有樓板或僅有連廊拉結。

針對上述特點，結構設計時重視概念設計，并進行了大量結構方案的試算比選，最終確定采用帶周圈環(huán)向支撐的鋼框架-混凝土剪力墻結構體系，計算模型拆分圖如圖5所示。以下是參考相關資料[6-7]根據概念設計和試算結果歸納總結出的應對措施。

圖5 結構模型拆分示意圖

(1)基于建筑形態(tài)，如何減輕自重、降低柱子軸壓比、提高延性[8]是結構設計的重中之重。通過多種結構方案的對比，最終上部主體結構決定采用鋼框架-混凝土剪力墻結構體系。該方案既能充分發(fā)揮鋼框架材料強度高、自重輕、結構延性好的特點，又能充分利用剪力墻整體性好、抗側剛度大的優(yōu)點。鋼框架和剪力墻可以共同形成二道抗震防線。

(2)如何克服建筑外傾給結構帶來的不利影響，是結構布置需要認真考慮的問題(結構臨水一側的最大外傾接近20m，最外側的鋼柱傾斜角度接近45°)，結構設計時沿最外圈柱網布置了環(huán)向鋼支撐，形成斜交網格體系[9]。并且在門廳主入口位置，同時也是結構的不連續(xù)部位采用空間網格結構進行補強，整個外圈(圖5(b))可形成強有力的抱箍效應，能很大程度降低因建筑造型導致結構外傾帶來的不利影響，同時也能有效增加結構的整體性和抗扭剛度。

(3)合理布置柱網。在沿C字形排布的3個圓形或橢圓形區(qū)域內，鋼柱分別圍繞各自的中心呈放射狀布置；同時確保外圍斜柱僅在單一的徑向平面內傾斜，使得徑向布置的主梁可以部分平衡鋼柱傾斜所引起的水平分力，具體如圖6所示。

圖6 沿橢圓中心布置的柱網和沿徑向抽取的一榀

(4)剪力墻盡量均勻分布在建筑平面內，主要設置在電梯間四周。為與周邊結構可靠連接，個別位置設有鋼骨或方鋼管混凝土端柱。剪力墻豎向連續(xù)，洞口布置基本規(guī)則，平面上自然形成筒體，使得主體結構整體具有良好的抗側剛度和延性。

(5)主體結構的嵌固位置設在地下室頂板，上部圓鋼管柱均往下延伸至基礎，圓鋼管柱在地下室范圍內外包成鋼管混凝土疊合柱，如圖7所示。基礎采用直徑600mm和800mm的鉆孔灌注樁，樁端持力層為⑨土層-粉土夾粉質黏土，樁長不小于26m。

圖7 圓鋼管柱嵌固位置示意圖

采取上述一系列措施后，主體結構模型采用兩種計算軟件YJK和MIDAS Gen分別試算，相互驗證，結果見表1。通過對比，兩種軟件的計算結果較為一致，主體結構模型前3階振型均為X，Y方向的平動和整體扭轉，如圖8所示。從圖8可看出，結構主要設計指標均滿足規(guī)范要求，表明結構整體性較好，結構體系選擇合理。

圖8 模型前3階振型圖

兩種軟件計算結果對比 表1

3 專項設計

3.1 中庭采光頂和門廳主入口的空間網格結構

中庭采光頂的空間結構是建筑設計的亮點之一，建筑師對室內效果有嚴格的要求：1)采光頂結構的上弦桿截面需要一致，體現(xiàn)力度感；2)下弦桿統(tǒng)一纖細，凸顯層次感；3)空間結構的網格大小均勻，規(guī)則，邊界處整齊，不顯凌亂。根據上述特點，試算了3種結構方案，如表2所示。

中庭采光頂空間結構方案比選 表2

通過對比，本工程最終采用了方案3，該方案的結構安全冗余度較高，總體上與建筑需要的室內效果更為吻合。后期設計時為增加結構的整體性，考慮將門廳主入口空間網格結構與中庭采光頂的新型網架兩部分合二為一，協(xié)同考慮,合并后模型如圖9所示。為達到一體化的效果，門廳主入口空間網格結構與中庭采光頂新型網架在網格大小的選擇上需要相互兼顧，通過試算確定統(tǒng)一的網格大小為2.80m。

圖9 合并后的模型圖

門廳主入口空間網格結構是外圈網狀結構的重要組成部分，減小門廳主入口一側因樓板缺失帶來的不利影響。根據計算結果，該區(qū)域的桿件以承受水平軸力為主，設計截面為φ245×14(Q345B)，結構形式同管桁架，均采用相貫焊連接。水平弦桿與豎向弦桿相交時，水平桿件貫通，確保水平力能可靠傳遞。入口的雨棚結構根據建筑找形，通過相貫焊與豎向弦桿連接。

根據中庭采光頂的建筑效果，結構設計時需要有針對性地控制桿件的受力形式，要實現(xiàn)上弦桿以受壓為主、下弦桿單純受拉，才能做到建筑和結構的有機統(tǒng)一并符合力學原理，即壓桿粗壯、拉桿纖細。為此采取了以下措施：1)該網架支座按上弦桿支承設計，可以很大程度避免支座周邊的下弦桿出現(xiàn)受壓的情況；2)在采光頂和入口側面結構銜接位置，取消一個節(jié)間的下弦桿，如圖10所示，防止采光頂在靠近門廳主入口一側的下弦桿出現(xiàn)受壓的情況；3)根據整體計算結果，發(fā)現(xiàn)下部主結構在水平地震作用下會傳力給中庭采光頂，從而對上部空間結構產生不利影響；為避免上述情況，中庭采光頂的部分支座采用水平限位滑動支座，以最大程度減小下部主體結構對上部空間結構的影響；4)該新型網架的平面形狀十分不規(guī)則，即便采取上述措施仍無法完全避免下弦桿在個別工況組合下出現(xiàn)受壓，最終通過調節(jié)部分支座豎向剛度，較好實現(xiàn)了下弦桿在各種組合下單一受拉的設計目標；5)根據建質〔2018〕37號[10]，對該網架進行了專項施工方案論證，為確保安裝過程中不出現(xiàn)下弦桿拉桿變壓桿的不利情況，通過施工模擬計算，明確中庭采光頂新型網架結構的安裝應采用滿堂腳手架，分步卸荷的施工方案。安裝完畢后中庭采光頂新型網架整體變形趨勢與模擬計算一致，恒載下的最大豎向變形為38mm，略小于理論計算值，與設計較為吻合。安裝完畢后的中庭采光頂新型網架結構和下弦節(jié)點處細節(jié)分別如圖11,12所示。

圖10 箭頭標注部位取消下弦桿

圖11 中庭采光頂新型網架結構實際效果

圖12 下弦節(jié)點放大效果(燈具與節(jié)點合二為一)

3.2 樓板設計

根據本工程的特點，雖然上部主要采用鋼結構，但沒有選擇鋼樓承板或鋼筋桁架樓層板，而是采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，樓板厚度不小于120mm，這樣設計的主要目的是為了實現(xiàn)樓板鋼筋的環(huán)向和徑向放置，結合鋼次梁的放射狀布置，整個樓蓋布置方案能充分發(fā)揮鋼筋和鋼材抗拉強度高的特點，可有效減小混凝土樓板的拉應力，圖13截取了其中一個區(qū)域的樓板配筋示意圖。

圖13 某區(qū)域的典型樓板配筋示意

本工程上部結構最大長度接近160m，最大寬度125m，屬于超長結構，為減少混凝土早期收縮引起的裂縫，沿C字形平面設置3道后澆帶，具體位置見圖3和圖4。設計中考慮了溫度的不利影響，其中鋼結構在施工階段按極端溫度驗算，此處不再贅述；樓板根據平均溫度驗算，要求合攏溫度控制在10～15℃, 考慮溫差ΔT=±30℃。圖14為2層樓板在降溫工況下的應力云圖，可見樓板在局部收進形成蜂腰形部位的應力較大。

圖14 降溫工況下樓板應力云圖/(N/mm2)

根據計算結果，對薄弱部位進行了加強，樓板板厚和配筋均相應增大，同時有針對性地對圖14箭頭所指位置(應力集中部位)的結構布置進行了優(yōu)化：1)在剪力墻筒體的兩個角部增設了方鋼管混凝土端柱；2)與剪力墻(主要在端柱處)連接的鋼梁連接形式由鉸接調整為剛接；3)對應的鋼梁截面適當加大，設計成箱形截面，按壓彎構件驗算；4)鋼梁上翼緣栓釘加密，確保樓板和鋼梁間應力的可靠傳遞。調整后局部結構布置如圖15所示。

圖15 調整后的局部結構布置

由于樓板在整個結構中的作用非常重要，除了承受和傳遞豎向荷載外，更起到傳遞水平力，協(xié)調變形，加強整體性的作用。通過上述一系列的細化分析和采取的針對性措施，較好地克服了本工程樓板固有的不利因素，實現(xiàn)了傳力可靠和設計合理的基本目標。

4 結語

阜陽科技文化中心項目結構設計的重難點在于如何解決獨特的建筑外形給結構受力性能帶來的不利影響。本文著重介紹了方案階段如何根據概念設計，結合試算對比確定結構體系，并選擇分享了空間結構和樓板設計兩塊內容在施工圖階段的一些經驗總結和設計體會，希望通過該項目的介紹，可以給類似項目帶來一定的借鑒和參考。

致謝：感謝陳忠麟、楊旭晨兩位總工在設計過程中提出的寶貴意見；感謝中國建筑第八工程局有限公司和浙江中南建設集團鋼結構有限公司提供的現(xiàn)場施工資料。