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【精品案例】靖江市文化中心大跨度楼面结构设计

1 工程概况
靖江市文化中心用地面积11.2万㎡,建筑总面积14.3万㎡,从建筑功能上分为商业区、剧场区及高层文化区,东西长364.2m,南北宽128.7m,建筑效果如图1所示。建筑物屋顶标高47.5m,地下1层,层高6m,混凝土结构柱网以8.5m×8.5m为主。
图1 建筑效果图
项目建成后将成为集社会性、文化性、开放性于一体的文化商业综合体,内含大剧院、音乐厅、群艺馆、青少年活动中心、图书馆、博物馆、城市展览馆、文化商业区等多种功能,是一座名副其实的文化航母,对靖江市文化教育建设有重要意义,能够显著提高城市软实力。
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结构分为两大部分,在结构分缝处,商业区、剧场区为高层文化区的楼板提供竖向支承,结构分区如图2所示。
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图2结构分区图
大跨度楼面结构位于商业区、剧场区,楼面的功能为商场,该部分结构平面形状复杂且有复杂造型的次结构附属在商业区上,从大跨度楼面延伸至室外地面。建筑造型新颖别致,具有强烈视觉冲击效果,远看像一个装满集装箱的巨大货轮,与靖江的本土航运文化相得益彰。
商业区、剧场区楼面结构最大跨度为101.3m,结构高度仅有6.3m,跨高比约为1/16。钢桁架范围外的其他楼面通过次钢桁架往外悬挑,最大悬挑长度为17.5m。
2 结构体系
本工程大跨度楼面结构主要由四个暗藏钢桁架的混凝土核心筒支承,结构冗余度较少,属超长结构。如何解决抗连续性倒塌设计和温度效应是结构设计的难点和重点。
大跨度楼面结构最大的特点为承受的荷载较大。竖向荷载为大跨度楼面结构的控制荷载,温度效应和地震作用通过采用有效的支座布置形式并附加消能减震措施可得到有效控制。
为解决商业区楼面结构跨度大、悬挑结构较长产生的不平衡力,在楼面设置双榀桁架,有效将因楼面悬挑产生的倾覆弯矩转换成双榀桁架的一拉一压竖向荷载,避免单榀桁架受扭,桁架及核心筒布置见图3。
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图3 桁架及核心筒布置图及剖面图
商业区、剧场区建筑功能复杂,在核心筒2与核心筒4上的上部结构无法与核心筒脱开,故商业区楼面主桁架1,3与核心筒2,4内藏的钢骨桁架刚接,同时通过支座支承于核心筒1,3顶面。
核心筒1,3处支座选型是实现大跨度楼面结构的关键因素之一。通过比选,优选支座形式为:核心筒3顶面为双向滑动球铰支座,楼面结构通过两个方向的阻尼器向核心筒3传递地震作用;核心筒1顶面同样设置双向滑动球铰支座,但在核心筒和主桁架间附加水平刚性连杆,通过水平连杆将水平力从楼面结构传向核心筒1,具体构造如图4所示。
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图4 核心筒1处主桁架支座示意图
选取三个方案(图5)对结构进行分析对比。经研究决定,最终选择方案1作为实施方案。支座方案1既有效释放了超长结构的温度作用,又通过附加消能减震装置、水平刚性连杆将地震作用传递到核心筒上。整体分析时,方案1核心筒2,4处存在拔力,同时还需要满足万向转动和水平滑动,设计时考虑在施工过程中采用实现不同支座分批就位的方式,消除了拔力支座,将所有桁架支座均控制为压力支座。
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图5 三种支座方案
3 抗连续性倒塌设计
本工程安全等级为一级,按照高规对抗连续性倒塌设计的要求,采用拆除构件的方法进行抗连续性倒塌设计。抗连续性倒塌采用了如下概念设计:1)在核心筒2,4处,将楼面桁架与核心筒内钢桁架刚接提高结构冗余度;2)在楼面结构内设置空间桁架,结合建筑隔墙设置短向桁架,提高空间主桁架的整体性;3)桁架节点设计时应力水平低于构件;4)通过拆除构件或假想构件出铰(图6,7)的方式,模拟在偶然事件发生时,结构能继续承载,并满足高规要求。
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图6 拆除主桁架支座处腹杆示意图
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图7 楼面桁架刚接端出现塑性铰
4 楼面舒适度
商业区、剧场区结构跨高比较小,各主桁架楼面分区(图8)自振频率均无法满足3Hz的最低要求,按照高规要求,应控制楼面结构的竖向加速度。
因商业区较为特殊,后期入住的商业厂商有可能在自家经营范围内举办推广活动,期间会产生有节奏的跳跃激励,设计时预留了TMD的安装位置。
以大跨1区结果为例,在竖向频率为结构基频及倍频的人行激励下,三个分区的加速度峰值见表1,均满足高规对于楼面舒适度的控制要求。
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图8 楼面舒适度分区
各分区竖向周期、频率及加速度峰值 表1
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5 活荷载不均匀布置
考虑4种活荷载不均匀布置(图9)对主桁架结构受力的影响,经结构复核,钢结构构件强度、稳定均满足钢结构规范的相关要求。
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图9 活荷载不均匀布置示意/m
6 施工过程模拟
核心筒1,3处支座布置如图10所示,支座之间的距离最大约为20m,与桁架跨度相比较小,形成长短跨,在短跨远端(图10中支座ZZ9a,ZZ9b)产生了拔力支座。经比较,施工过程最终选择如下方案:1)取消桁架2内侧远端支座;2)钢结构卸载前仅安装支座ZZ9a,ZZ9b;3)钢结构卸载完成后,楼面板浇筑完成,再安装剩下的支座。
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图10 核心筒1,3处支座布置图
按照该施工步骤,可确保核心筒1,3上的所有支座均为压力支座,降低了支座的设计、加工制作难度,提高了支座的可靠性,为桁架向核心筒传力提供可靠的保证。施工过程如图11所示。
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图11 施工过程示意图
7 节点设计
桁架受力复杂部位杆件汇交较多,桁架端部受力较大,为满足承载能力要求,如采用钢板,厚度将达到200mm,钢板的采购和加工制作均存在较大困难,故特殊部位节点选用铸钢节点。最大的主桁架3下弦和核心筒3,4连接处的两个关键铸钢节点ZGJ-01,ZGJ-02见图12。采用ABAQUS分析可知节点ZGJ-01,ZGJ-2在罕遇地震下均处于弹性状态(图13),满足了大震不坏的设计要求;其他荷载组合下,铸钢节点仍满足承载能力要求,且应力水平较构件低。
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图12 关键铸钢节点模型
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图13 罕遇地震下节点ZGJ-01,ZGJ-02应力分布图/MPa
目前,本工程处于施工图设计收尾阶段,仍有较多设计细节需要完善,关键节点试验正在进行中,节点局部构造可能根据节点试验结果进行修正。
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