某景觀工程構筑物鋼結構的設計與分析

1 工程概況

海口市南渡江河口右岸生態(tài)修復項目位于海南省海口市南渡江河口右岸，長約4 500 m，寬約130~650 m 不等，總占地面積1 073 061.43 m2。建設內容包括綠化種植工程、土方工程、硬質工程、小品及設施、構筑物、建筑、橋梁、駁岸生態(tài)提升、室外安裝工程、生態(tài)停車場及其他相關設施等。 其中構筑物工程中的東岸塔、觀鳥塔、樹屋均采用鋼框架結構，外立面采用金屬格柵，效果圖見圖1。

圖1 效果圖

主要設計參數：設計使用年限為50 年，建筑結構安全等級為二級，重要性系數為1.0，抗震設防類別為標準設防（丙）類。

2 結構布置

2.1 東岸塔

東岸塔平面呈圓形，立面呈紡錘形,內設7 層上人平臺，層高均為5.8 m，主屋面高度48.0 m，建筑最大高度59.8 m。 主體結構由內、外兩個筒體組成：內筒直徑沿高度相同，均為10.1 m；外筒直徑沿高度變化， 底部為11.84 m， 中部最大直徑為16.123 m，屋面為13.595 m；結構平面和立面布置見圖2。

圖2 東岸塔結構平面和立面布置圖

外筒框架柱、環(huán)形框架梁均采用矩形鋼方管。 根據建筑立面要求，柱截面寬度、梁截面高度不變，均為400 mm，柱截面高度、梁截面寬度、壁厚沿建筑高度增加逐漸減小：柱高600~1 000 mm、壁厚24~32 mm，梁寬400~800 mm、壁厚20~28 mm。

內筒框架柱采用圓鋼管， 鋼管直徑均為400 mm， 壁厚36~40 mm。 框架梁采用鋼方管，環(huán)形框架梁截面為400 mm×250 mm×18 mm，其余梁為450 mm×250 mm×18 mm。

內外筒體之間在各層平面采用鋼梁連接， 在34.750 m、40.550 m 標高層設鋼梁與樓板連接， 形成剛度較好的整體結構，共同承擔豎向荷載和水平荷載。

2.2 觀鳥塔

觀鳥塔與東岸塔類似，平面呈圓形，立面呈紡錘形，內設3 層上人平臺，層高自下向上分別為11.88 m、11.88 m、15.14 m，主屋面高度38.9 m，建筑最大高度55.3 m。 主體結構由內、外兩個筒體組成： 內筒直徑在38.850m 標高以下為6.12 m（B軸），38.850 m 標高以上縮小至3.12 m（C 軸）；外筒直徑沿高度變化， 底部為8.9 m、 中部最大直徑為13.616 m、 屋面為11.953 m；結構平面和立面布置見圖3。

圖3 觀鳥塔結構平面和立面

外筒框架柱、 環(huán)形框架梁均采用矩形鋼方管。 柱截面26.788 m 標高以下為700 mm×300 mm×24mm，26.788 m 標高以上為500 mm×300 mm×20 mm；8~12 軸外框架柱因設置出入口不落地， 采用700 mm×300 mm×38 mm 雙曲落地拱進行豎向轉換。 環(huán)形框架梁沿高度在樓梯平臺層、上人平臺層設置，間距為2.91~3.1m，梁截面：11.830m 標高及以下為500mm×300mm×20 mm，11.830m 標高以上為400 mm×250 mm×18 mm。

內筒框架柱采用φ299 mm×16 mm 圓鋼管。框架梁采用鋼方管，截面：上人平臺層為350 mm×250 mm×12 mm，樓梯平臺層為250 mm×150 mm×12 mm。

外筒與內筒在11.830 m、23.710 m、38.850 m 標高設置鋼梁連接，形成剛度較好的整體結構，共同承擔豎向荷載和水平荷載。

2.3 樹屋

樹屋外形類似樹形，內設3 層上人平臺，層高自下向上分別為6.0 m、6.0 m、4.8 m，主屋面高度16.8 m，建筑最大高度20.3 m。平面近似圓形，底部為4.36 m、中部最大直徑為9.947 m、屋面為8.361 m，結構平面和立面布置見圖4。

圖4 樹屋結構平面和立面

樹屋采用中央φ1 500 mm×40 mm 直徑圓鋼筒， 與周邊200 mm×100 mm×8 mm 方鋼管雙曲密柱，共同形成內部1.5 m圓鋼管筒體+ 外部鋼結構雙曲密柱的結構體系。 內外結構通過5.950 m、11.950 m、16.750 m 標高3 處鋼結構平臺連接，形成剛度較好的整體結構。 類似觀鳥塔，部分外筒雙曲密柱因設置出入口不落地， 采用200 mm×100 mm×16 mm 雙曲落地拱進行豎向轉換。

2.4 材料

鋼材均采用Q355B。當板厚≥40 mm 時，鋼材應具有厚度方向抗撕裂性能即Z 向性能的保證， 沿板厚方向斷面收縮率不小于Z15 級允許限值[1]。

樓屋面板混凝土強度等級采用C30，鋼筋采用HRB400 級。

3 計算分析

3.1 荷載和作用

活荷載標準值：觀景平臺等上人處為4.0 kN/m2，不上人屋面為0.5 kN/m2。

由于主體結構均為鋼結構，對風荷載敏感，且海口市處于臺風多發(fā)地區(qū)，因此，基本風壓按100 年一遇，取風荷載w0=0.90 kN/m2，地面粗糙度取A 類。 風振系數取2.0，高度變化系數1.1~2.0（分段按高點取值），體形系數（偏保守按封閉柱形面取值）：迎風面為+1.0、背風面為-0.6、側面風吸最大值為-2.5[2]。 由效果圖可知，各構筑物僅設置鏤空格柵作為外圍護結構，鏤空格柵占外立面的面積很小，偏于安全，風荷載鏤空系數取0.8。 各單體分荷載取值見表1。

表1 各構筑物風荷載標準值

該項目位于海口市，抗震設防烈度8 度，設計基本地震加速度值0.30g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別Ⅲ類，設計特征周期為0.55 s，多遇地震作用下水平地震影響系數最大值0.24[3]。

由于構筑物外圍護結構不封閉，因此，計算中需要考慮溫度作用。海口市基本氣溫最低為10 ℃，最高為37 ℃，計算時，合龍時溫度取24 ℃（年平均氣溫），按升溫+15 ℃、降溫-15 ℃考慮。

3.2 計算分析

東岸塔、觀鳥塔、樹屋均采用Midas GEN 通用有限元程序進行計算。 由于各單體平面呈圓形或近似圓形，計算中對風荷載、地震作用的計算方向角進行包絡設計，取0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°、豎向，共14 個方向（180°~360°區(qū)間與0~180°區(qū)間對稱）進行計算。 結構阻尼比取0.03。 抗震等級：東岸塔二級；觀鳥塔、樹屋三級。

各構筑物前三周期見表2。 計算結果表明：結構自振周期隨構筑物總高度的降低而減小；扭轉周期比0.376~0.506，均遠小于0.9。 各構筑物在多遇地震作用下，底層剪重比和扭轉位移比見表3，最大層間位移角見表4。 在風荷載作用下最大層間位移角見表5。各構筑物在風荷載和地震作用下的最大頂點位移見圖5。 各構筑物變形均由風荷載控制，且均為標準設防丙類、多遇地震下層間位移角遠小于規(guī)范現值，因此，按JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》[4]的3.5.3 條，可不進行罕遇地震作用下的薄弱層彈塑性變形驗算。

表2 前三周期和扭轉周期比

表3 多遇地震作用下底層剪重比和扭轉位移比

表4 多遇地震作用下層間位移角

表5 風荷載下層間位移角

圖5 風荷載和地震作用下的最大頂點位移

計算結果表明：

1）多遇地震作用下最大層間位移角均小于1/250，底層剪重比均大于4.8%，扭轉位移比均小于1.5，風荷載下最大層間位移角均小于1/250，滿足現行規(guī)范要求。

2）最大層間位移角方向角東岸塔為135°、樹屋為165°，證明按15°增量方向角包絡計算是必要的。

3）風荷載下最大層間位移角方向角為0°或180°，為迎風面積最大的方向。

4）多遇地震作用下層間位移角均遠小于風荷載下的層間位移角，水平控制荷載為風荷載。

3.3 二階彈性分析

東岸塔、觀鳥塔、樹屋的高寬比為5.05、6.21、4.66。 觀鳥塔大于鋼結構建筑適用的最大高寬比6.0， 東岸塔高度較高，樹屋立面不對稱，呈上大下小形態(tài)，且東岸塔、觀鳥塔外圍框架柱均為曲柱，樹屋外圍框架柱為雙曲柱。因此，3 個構筑物應考慮重力二階效應的影響，根據外圍柱最大計算應力組合，選取“1.3 恒載+1.5 風載+1.05 活載”組合進行二階P -Δ 彈性分析。二階彈性分析和一階彈性分析頂點最大位移見表6，桿件最大應力見表7。

表6 一階彈性分析、二階彈性分析頂點最大位移

表7 一階彈性分析、二階彈性分析桿件最大應力

計算結果表明：

1）3 個構筑物二階彈性分析和一階彈性分析對桿件的最大應力相差不大，應力二階效應系數小于0.05，影響不大，從桿件應力角度可不考慮二階效應的影響。

2）二階彈性分析和一階彈性分析頂點的最大位移，東岸塔位移差4.016 mm，觀鳥塔位移差5.314 mm，二階效應系數0.026~0.040，均小于0.10，可不考慮二階效應的影響。

3）樹屋二階彈性分析和一階彈性分析頂點的最大位移相差5.374 mm，二階效應系數0.107，大于0.10，應考慮二階效應的影響。 樹屋雖然在3 個構筑物中高寬比最小，但二階效應影響最大， 與樹屋上大下小的不規(guī)則立面形態(tài)、 質量分布不均勻、以及雙曲外圍框架柱的結構布置特點密不可分。

3.4 風振舒適度及臨界風速驗算

東岸塔、觀鳥塔高度接近60 m，平面圓形，因此，對兩單體進行了風振舒適度和臨界風速驗算，計算結算結果見表8。

表8 頂點加速度、臨界風速、頂部風速

計算結果表明：10 年一遇的風荷載標準值作用下，結構頂點的順風向和橫風向振動最大加速度計算值小于加速度限值0.20 m/s2，結構頂部風速均小于臨界風速，滿足規(guī)范要求，東岸塔頂部風速和臨界風速較接近。

3.5 外筒柱穩(wěn)定分析

由于3 個單體的外筒柱均為曲柱， 對外筒柱進行了屈曲分析。東岸塔第一階屈曲模態(tài)出現在11.6 m 高度，觀鳥塔第一階屈曲模態(tài)出現在11.88 m 高度、樹屋第一階屈曲模態(tài)出現在底層雙曲柱。屈曲系數、外筒框架柱應力比見表9。柱的最大穩(wěn)定應力比均小于0.8。

表9 屈曲系數、應力比

3.6 外筒轉換拱計算分析

觀鳥塔、 樹屋底層入口位置設置轉換拱支撐上部外筒框架柱。 對轉換拱進行了細化分析，并考慮了二階效應的影響，應力云圖見圖6。 觀鳥塔、樹屋轉換拱最大應力為230.6 MPa、242.4 MPa。

圖6 轉換拱應力云圖

4 結論

1）通過結構一階彈性分析、二階彈性分析、穩(wěn)定性分析等，表明東岸塔、觀鳥塔、樹屋的強度、穩(wěn)定、變形、舒適度驗算等均滿足現行規(guī)范要求，結構設計是合理安全可靠的。

2）計算分析表明，圓形平面建筑在風荷載和地震作用計算時，應按15°增量方向角進行包絡計算，確定該荷載作用下的最大方向角。

3）二階彈性分析表明，類似于樹屋的立面形態(tài)復雜的建筑結構，應進行二階彈性分析。

4）舒適度驗算表明，高寬比較大、第一周期也較大的圓形平面建筑，應進行臨界風速的驗算。