結(jié)構(gòu)思享【11】| 廣州融創(chuàng)滑雪場(chǎng)高區(qū)高層大跨重載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹

結(jié)構(gòu)思享匯，將不定期分享RBS在技術(shù)領(lǐng)域的研究及設(shè)計(jì)成果，借此機(jī)會(huì)與同行們互相學(xué)習(xí)切磋，共同提高，以期促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

此文發(fā)表于《建筑結(jié)構(gòu)》雜志

本文作者：曹春華   廖耘   吳金妹   李華榮   常磊

摘要

介紹了大型滑雪場(chǎng)的荷載條件及特殊的建筑要求，針對(duì)其既是高層又是大跨重載結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用了“四個(gè)落地筒+大跨桁架轉(zhuǎn)換平臺(tái)+鋼格構(gòu)柱+大跨鋼屋蓋”的結(jié)構(gòu)體系。為解決傾斜滑道推力造成落地筒彎矩巨大這一關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)在落地筒頂部設(shè)置了先滑動(dòng)后簡(jiǎn)支支座群，大幅減小了落地筒彎矩，提高了結(jié)構(gòu)安全性。

第一作者

曹春華 CAO CHUN HUA

總工程師助理

高等分析部副總監(jiān)

高級(jí)工程師 / 博士

一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

1 工程概況

本文介紹的大型滑雪場(chǎng)位于廣州市花都區(qū)，L形平面總長(zhǎng)約370米，滑道區(qū)設(shè)縫分為滑道低區(qū)和架空的滑道高區(qū)兩部分。滑道區(qū)橫向總寬度約110米，滑道高度從66米逐漸下降到地面。

滑道區(qū)凈高要求22米，再加上約10米的屋面桁架高度，滑雪場(chǎng)屋面最高點(diǎn)標(biāo)高為98米，沿滑道以7~12°的坡度逐漸下降到最低點(diǎn)標(biāo)高40米。

圖1   滑雪場(chǎng)平面、剖面及室內(nèi)外三維效果示意圖

建筑要求整個(gè)滑雪場(chǎng)內(nèi)部接近無柱空間，導(dǎo)致滑道區(qū)的結(jié)構(gòu)柱只能設(shè)置在跨度110米的兩條邊上形成大跨屋蓋。同時(shí)如圖1d所示，滑道高區(qū)滑道面標(biāo)高66m，其下架空，采用距離約60米的四個(gè)落地筒支承，導(dǎo)致整個(gè)滑道高區(qū)及其上的鋼屋蓋都只能采用大跨鋼桁架轉(zhuǎn)換支承。因此滑道高區(qū)的結(jié)構(gòu)形式非常特殊，既是高約100米的超高層，又是大跨重載結(jié)構(gòu)，后文將詳細(xì)介紹滑道高區(qū)的結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

作為一種功能非常特殊的大型公共建筑，地處亞熱帶的滑雪場(chǎng)內(nèi)部要求常年處于-3°的設(shè)計(jì)溫度，而室外溫度高達(dá)30~40°，因此對(duì)保溫和防水有極高的要求。在架空的滑道結(jié)構(gòu)板之上，要先設(shè)置砂漿找平層、內(nèi)埋冷熱管的素砼層、保溫層、砂漿找平層、防水層、抗凍砼層等諸多構(gòu)造層后，才能覆蓋400mm厚的積雪層(圖2a)。這使得滑道面附加恒載高達(dá)8.5kpa，為典型的大跨重載結(jié)構(gòu)。

經(jīng)建筑節(jié)能論證，為滿足滑雪場(chǎng)屋面及墻面的保溫要求，必需采用“內(nèi)保溫+外幕墻”的雙層圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系(圖2b)。內(nèi)層采用自重及厚度均較大的A級(jí)保溫材料，外層為鋁板隔熱幕墻。為與雙層維護(hù)體系相匹配，結(jié)構(gòu)立面及屋面也需設(shè)置雙層檁條及墻梁，這使得滑雪場(chǎng)屋面附加恒載高達(dá)2.4kPa，遠(yuǎn)大于常規(guī)輕鋼屋面[1]。如果再計(jì)入屋面桁架層內(nèi)還有大量的制冷造雪設(shè)備、檢修馬道等重量，屋面等效均布荷載將超過3.5kPa。因此，滑雪場(chǎng)的屋蓋也是大跨重載結(jié)構(gòu)。

圖2   "內(nèi)保溫+外幕墻"雙層維護(hù)體系及滑道層構(gòu)造示意圖

為避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面結(jié)露并形成冷橋，設(shè)計(jì)要求所有立面和屋面結(jié)構(gòu)構(gòu)件都不能暴露在滑雪場(chǎng)內(nèi)，只能設(shè)置在雙層圍護(hù)結(jié)構(gòu)中間。但為了盡量不浪費(fèi)實(shí)用面積，建筑又要求結(jié)構(gòu)的兩層立柱截面寬度不能超過3米，進(jìn)一步加大了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。

滑道高區(qū)平面示意如圖3a所示，因用地邊線傾斜，導(dǎo)致滑道高區(qū)平面呈直角梯形，斜邊縱向長(zhǎng)度從88米變化到105米。為保證立面效果，建筑要求靠近端部的兩個(gè)后落地筒需平行于用地邊線布置，因此后落地筒為平行四邊形平面，而前落地筒為矩形平面。四個(gè)落地筒的縱向凈距為44.6~57.6米，橫向凈距為60.4米。經(jīng)計(jì)算，矩形前落地筒尺寸為12.0x9.2米，高度37.7米，高寬比4.1，墻厚1.2米；平行四邊形后落地筒尺寸12.0x10.9米，高度56米，高寬比5.1，墻厚1.2米。

圖3   高區(qū)平面及架空桁架定位示意圖

在四個(gè)落地筒間，采用10米高的箱式巨型桁架形成一個(gè)轉(zhuǎn)換平臺(tái)，以支承整個(gè)高區(qū)滑道層及屋蓋。箱式縱向桁架跨度44.6～57.6米，兩端分別出挑約9米；箱式橫向桁架跨度60.4米，兩端分別出挑13米，再與連接屋面3米寬鋼格構(gòu)柱的縱向邊桁架相連。為了減輕落地筒上方兩道縱向主桁架的負(fù)擔(dān)，在橫向主桁架跨中又增設(shè)了一道中間縱向主桁架(圖4a)。由于轉(zhuǎn)換桁架平臺(tái)受力很大，縱、橫向主桁架均采用Q420GJB矩形鋼管，中間縱向主桁架及其余構(gòu)件采用Q345B圓管。以滑道區(qū)傾斜面與平臺(tái)區(qū)水平面的交線為界，縱向桁架形成圖4b所示的彎折桁架。

圖4   轉(zhuǎn)換平臺(tái)主桁架及縱向典型剖面示意圖

在各榀主桁架間，結(jié)構(gòu)設(shè)置了多榀橫向次桁架、邊桁架、縱向聯(lián)系桿以及斜平面支撐，形成一個(gè)剛度很大的完整轉(zhuǎn)換桁架平臺(tái)，用來支托上部的滑道和屋蓋體系(圖5a)。考慮到節(jié)點(diǎn)連接的便利，上述構(gòu)件均采用圓管截面。

圖5   轉(zhuǎn)換桁架平臺(tái)整體及找形次結(jié)構(gòu)構(gòu)成示意圖

由于高區(qū)三條滑道的起坡位置、坡度均不相同，在轉(zhuǎn)換桁架平臺(tái)以上，還需設(shè)置找形次結(jié)構(gòu)。在次結(jié)構(gòu)框架間設(shè)置了縱向、橫向柱間支撐，形成框架支撐體系，以抵抗滑道傾斜引起的下滑力(圖5b)。

圖6   大跨屋蓋構(gòu)成及與下部轉(zhuǎn)換桁架平臺(tái)連接示意圖

如前所述，支承110米跨屋蓋的滑道兩側(cè)結(jié)構(gòu)柱寬不能超3米。為減輕構(gòu)件自重，滑道高區(qū)屋蓋選用了“大跨桁架+鋼格構(gòu)柱”的門式剛架體系。如圖6a所示，屋面橫向主桁架間距8.4m一榀，3m寬的格構(gòu)柱支承在轉(zhuǎn)換平臺(tái)兩側(cè)的縱向邊桁架上。大跨鋼屋蓋由橫向主桁架、縱向次桁架、上下弦穩(wěn)定桿、上下弦屋面抗風(fēng)撐、鋼格構(gòu)柱系統(tǒng)以及端部的山墻抗風(fēng)系統(tǒng)等構(gòu)件組成。設(shè)計(jì)中在支承鋼屋蓋的格構(gòu)柱之間設(shè)置了立面支撐，與下部的縱向邊桁架形成一個(gè)通高的立面巨型桁架以提高承載力^[2]。

與雙層圍護(hù)保溫體系相對(duì)應(yīng)，結(jié)構(gòu)在屋面主桁架上下弦設(shè)置了雙層屋面次梁、在格構(gòu)柱內(nèi)外兩側(cè)也設(shè)置雙層墻面次梁。

高區(qū)采用四個(gè)落地筒支承架空轉(zhuǎn)換桁架平臺(tái)，結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)接近一個(gè)傾斜布置的巨型框架。豎向荷載下不僅轉(zhuǎn)換桁架承受巨大的彎矩，四個(gè)落地筒的彎矩也很大。從圖7可知，落地筒底部彎矩的構(gòu)成，可分為縱向彎折桁架水平推力Fx引起的彎矩M1，和由筒兩側(cè)桁架豎向力不平衡引起的彎矩M2這兩部分。

圖7   大跨屋蓋構(gòu)成及與下部轉(zhuǎn)換桁架平臺(tái)連接示意圖

在方案比選階段發(fā)現(xiàn)，雖然后筒頂部的水平推力Fx只有11523kN，但由于后筒高達(dá)60米，由推力引起的彎矩高達(dá)69.1萬kN.m。要抵抗如此巨大的彎矩，基礎(chǔ)和筒體配筋設(shè)計(jì)需付出巨大代價(jià)，難以實(shí)現(xiàn)。因此必須采取有效措施來減小筒底彎矩。

表1   豎向荷載下,原方案落地筒底彎矩統(tǒng)計(jì)分析

表2   不同施工階段的荷載分配

考慮到筒底彎矩主要是由桁架的水平推力造成，設(shè)計(jì)中在兩個(gè)后筒頂部設(shè)置了單向滑動(dòng)支座，以有效釋放縱向水平推力Fx。但考慮到后筒內(nèi)有電梯，且支座長(zhǎng)期滑動(dòng)也難以滿足抗震要求，如表2所示，設(shè)計(jì)中將支座狀態(tài)分為兩個(gè)階段，在結(jié)構(gòu)接近完工、開始造雪前，將后筒頂?shù)膯蜗蚧瑒?dòng)支座采取特殊措施鎖定，變?yōu)楹?jiǎn)支支座。

如表3所示，在采用兩階段先滑動(dòng)后簡(jiǎn)支支座后，落地筒水平推力Fx下降約50%，Y向總彎矩下降約70%，效果非常顯著。

表3   先滑動(dòng)后簡(jiǎn)支支座對(duì)減小筒體彎矩及剪力效果比較

由于轉(zhuǎn)換桁架荷載巨大，單個(gè)支座無法承受，設(shè)計(jì)中采用了支座群的布置方案。在兩個(gè)后筒上各設(shè)置有7個(gè)先滑動(dòng)后簡(jiǎn)支支座，在兩個(gè)前筒上各設(shè)置有8個(gè)簡(jiǎn)支支座(圖8)，這些支座的性能目標(biāo)均設(shè)為大震彈性。考慮到實(shí)際施工的復(fù)雜性，支座的滑動(dòng)不一定非常理想，在落地筒配筋和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，也考慮了滑動(dòng)支座失效的最不利情況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

根據(jù)計(jì)算，先滑動(dòng)后簡(jiǎn)支支座的最大滑移量為29~33mm，最大軸壓力設(shè)計(jì)值為10500~56000kN，為目前國(guó)內(nèi)民用建筑中采用的最大噸位成品支座。

圖8   落地筒頂支座布置及設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖

5.1   彈性計(jì)算結(jié)果

1) 結(jié)構(gòu)前三周期分別為1.91、1.40、1.30s，扭轉(zhuǎn)周期比為0.68。由于下部的四個(gè)落地核心筒及架空轉(zhuǎn)換桁架是剛度很大的重鋼結(jié)構(gòu)，而鋼屋蓋則是剛度較小的大跨鋼結(jié)構(gòu)，形成了下剛上柔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此結(jié)構(gòu)前三階周期都是鋼屋蓋振動(dòng)。

圖9   結(jié)構(gòu)前三階振型圖

2) 結(jié)構(gòu)阻尼比采用應(yīng)變能法按材料特性自動(dòng)計(jì)算，混凝土、鋼材的材料阻尼比分別取5%、2%,前三階等效阻尼比分別為2.4%、2.3%、2.2%，符合前三周期主要為鋼屋蓋振動(dòng)的特性。

3) 在豎向荷載作用下，架空轉(zhuǎn)換平臺(tái)、鋼屋蓋的最大豎向撓度分別為1/509、1/521，可分別滿足1/400、1/300的限值要求。鋼屋蓋在風(fēng)荷載下的位移角為1/524，可滿足1/250的限值要求；混凝土落地筒在豎向荷載下的最大位移角為1/2435，可滿足1/800的限值要求。

4) 由于對(duì)筒體采取了有效的彎矩減小措施，四個(gè)落地筒在豎向荷載下底部墻肢均未出現(xiàn)豎向拉應(yīng)力，筒頂最大豎向拉應(yīng)力僅為1.4MPa，小于混凝土的開裂應(yīng)力^[3]。

5) 整體屈曲及局部屈曲分析結(jié)果表明，鋼屋蓋格構(gòu)柱面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)在0.65以內(nèi)，設(shè)計(jì)中偏安全的取節(jié)間長(zhǎng)度。

5.2   抗震性能目標(biāo)驗(yàn)算情況

結(jié)構(gòu)屬于“特殊型式的大型公共建筑”，對(duì)下部砼核心筒，根據(jù)《高規(guī)》^[4]第3.11節(jié)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)并采取相應(yīng)措施；對(duì)上部鋼結(jié)構(gòu)，根據(jù)《抗規(guī)》^[5]第3.10節(jié)內(nèi)容及附錄M進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)并采取相應(yīng)措施。

1)   四個(gè)砼核心筒定義為關(guān)鍵構(gòu)件，中震下要求滿足 抗剪彈性、墻肢名義拉應(yīng)力不超過2ftk；大震下要求滿足 抗剪彈性、壓彎彈性。

2) 架空平臺(tái)主桁架、鋼屋蓋格構(gòu)柱、鋼屋蓋主桁架定義為關(guān)鍵構(gòu)件，在中震下承載力按設(shè)計(jì)值復(fù)核；大震下承載力按極限值復(fù)核。

計(jì)算結(jié)果表明各構(gòu)件均可滿足設(shè)定的性能目標(biāo)，且因大跨結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力主要為豎向荷載控制，抗震性能目標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗(yàn)算的影響并不大。

大震彈塑性分析的結(jié)構(gòu)與性能驗(yàn)算吻合，即使在提高一度設(shè)防的7度罕遇地震時(shí)程下，落地筒、轉(zhuǎn)換桁架平臺(tái)、鋼屋蓋主桁架等主承重結(jié)構(gòu)也沒有出現(xiàn)明顯的塑性損傷，抗震性能良好。僅屋蓋水平斜撐出現(xiàn)輕微塑性，與設(shè)定的屈服順序相符。

圖10   大震彈塑性分析構(gòu)件塑性應(yīng)變情況

本項(xiàng)目已接近完工，高區(qū)先滑動(dòng)后簡(jiǎn)支支座目前處于表2中定義的1-6施工階段，即鋼屋蓋外層墻面次梁及其墻板安裝完成階段。從表4的實(shí)測(cè)與理論值的統(tǒng)計(jì)分析可以看到，各支座均正常滑移，除個(gè)別支座外，滑移實(shí)測(cè)值與理論值均比較接近。考慮到實(shí)際的安裝順序、荷載重量及分布均與理論計(jì)算有所差異，目前的誤差是可以接受的。

表4   1-6施工階段中支座滑移量實(shí)測(cè)與理論差異統(tǒng)計(jì)

針對(duì)該滑雪場(chǎng)項(xiàng)目既是高層又是大跨重載結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中選用了“四個(gè)落地筒+大跨桁架轉(zhuǎn)換平臺(tái)+鋼格構(gòu)柱+大跨鋼屋蓋”的結(jié)構(gòu)體系。構(gòu)件應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形等各項(xiàng)指標(biāo)均控制在合理范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)抗震性能良好，主要抗側(cè)力構(gòu)件均可滿足設(shè)定的性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行且安全的。

針對(duì)傾斜滑道水平推力造成落地筒彎矩巨大這一關(guān)鍵問題，設(shè)計(jì)中通過設(shè)置兩階段先滑動(dòng)后簡(jiǎn)支支座群，將落地筒彎矩降低約70%，顯著提高了結(jié)構(gòu)安全性，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范: GB 50009-2012 [S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2012.

[2] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范: GB50017-2017 [S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2017.

[3] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范: GB50010-2010(2015年版) [S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2015.

[4] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程: JGJ 3-2010 [S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2010.

[5] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范: GB 50011-2010(2016版) [S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2016.