结构工程论文
摘 要： 日照海洋公园为国际首个将创新型海洋馆与花鸟园等多业态完美融合的海洋公园, 结构形式为混凝土框架和钢框架组成的混合框架结构。该工程具有大跨度钢结构、大悬挑混凝土结构、楼板开大洞、楼板不连续等不规则类型;设计需解决海洋氯化物环境混凝土结构抗腐蚀, 近海环境钢结构防腐等问题;主体结构与幕墙设计通过参数化来实现建筑复杂立面的需求。设计中较好地解决了上述结构设计难题, 实现了结构与建筑的完美结合。
关键词： 混合框架结构; 大跨度大悬挑; 楼板不连续; 混凝土抗腐蚀; 钢结构防腐蚀; 幕墙;
Abstract： Rizhao Ocean Park is the first marine park in the world to integrate the innovative aquarium with the flower and bird garden. The mixed frame structure is composed of concrete frame and steel frame. The project has the following irregular types: large-span steel structures, large cantilevered concrete structures, large floor slab openings, and discontinuous floor slabs. The design needs to solve the problem of anti-corrosion of concrete structure in marine chloride environment and anti-corrosion of steel structure in offshore environment. The main structure and curtain wall design were parameterized to meet the needs of complex facades. In the design, the above structural design problems were solved, and the perfect combination of structure and architecture was realized.
Keyword： mixed frame structure; large span and large cantilever; slab discontinuity; concrete corrosion resistance; steel structure corrosion protection curtain wall;
1、 工程概况
日照海洋公园位于山东省日照市东港区, 总占地面积108 000m2, 总建筑面积约3.95万m2, 距海边距离约270m。项目分为阳光海洋馆、四季花鸟园两个主题场馆及酒店商业配套三部分。阳光海洋馆 (简称海洋馆) 地下1层, 地上3层, 屋面最高点标高24.00m;四季花鸟园 (简称花鸟园) 地上2层, 屋面最高点标高20.00m。
海洋馆主体平面为圆形, 圆形半径约71m, 建筑中间圆心位置为鲸鲨池, 水深7.5m, 鲸鲨池顶部为钢结构采光穹顶, 穹顶跨度约39m。东北角为主入口, 主入口最大跨度约42m。西南角为表演场, 表演场最大跨度约40m。花鸟园主体平面为梭形, 长边尺寸约145m, 短边尺寸约68m, 结构最大跨度约66m。该项目的建筑效果图如图1所示。结构模型轴测图如图2所示。
图1 建筑效果图
图2 结构模型轴测图
设计使用年限为50年, 抗震设防类别为重点设防类, 抗震设防烈度为7度, 场地类别为Ⅱ类, 海洋馆抗震等级为二级, 花鸟园抗震等级为三级, 基本风压为0.4kN/m2, 地面粗糙度类别为A类, 基本雪压为0.4kN/m2。
2、 结构体系和布置
2.1、 海洋馆结构体系及布置
根据建筑平面特点及建筑总高度, 海洋馆采用混凝土框架及钢结构框架的混合框架结构。建筑平面为圆形, 结构梁柱以圆心呈放射状布置, 环向最小跨度约5.2m, 最大跨度约9.6m, 径向跨度约4.8～12m, 局部跨度达23m, 为大跨度框架结构。柱直径为800～1 200mm, 主梁截面尺寸为300×800, 400×800, 400×900, 500×1 000。混凝土强度等级为C40。海洋馆主体部分为混凝土框架结构, 中心鲸鲨池、主入口、表演场等区域因方案立面、采光及建筑功能要求不允许结构柱落地, 因此采用过大跨度钢结构框架或单层网壳结构形式 (图3) 。
图3 海洋馆屋面层结构布置
2.2 、花鸟园结构体系及布置
花鸟园建筑平面布置呈梭形, 根据建筑使用功能, 下部房间、走廊及布景等采用混凝土框架结构, 整个建筑的围护结构采用大跨度刚架结构形式。在棱形端部刚架跨度约9m, 在棱形中部刚架跨度约67m (图4) 。柱截面为H800×400×16×20, ?800, ?600, 主梁截面为H1 100×400×12×18, H800×400×10×14, H650×300×14×20, 钢材采用Q345B。
图4 花鸟园刚架结构布置
3 、结构的不规则项
本项目海洋馆结构存在的不规则项[1]:1) 楼板开大洞、楼板不连续, 海洋馆2层、3层开洞面积大于本层面积的30%, 楼板有效宽度小于50%;2) 扭转不规则, 考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2。
4、 结构整体计算分析
4.1、 小震分析结果
海洋馆选用YJK软件 (1.7.0.0版) 和MIDAS Gen软件进行小震弹性计算分析。结构计算的整体指标如表1所示。
小震弹性计算结果 表1
计算结果表明结构周期、位移及剪重比等主要参数符合规范要求, 结构体系及布置合理。
4.2、 混凝土结构大悬挑舒适度验算
图5 大悬挑看台剖面图
海洋馆2层鲸鲨池正面有一个大悬挑混凝土结构看台, 悬挑跨度约6.6m。采用混凝土变截面梁作为看台的主受力构件, 梁的截面还需要根据看台的高差做成下折梁。如图5所示。
采用增大悬挑梁根部截面及梁截面宽度的方式加大悬挑部分的刚度。经楼板舒适度验算, 悬挑部分竖向振动频率为3.72Hz。在悬挑端部施加连续行走荷载, 最大荷载为0.8kN, 竖向振动峰值加速度为0.145m/s2, 满足舒适度规范要求[2]。在悬挑端部施加跑动 (AIJ) 荷载, 最大荷载为0.8kN, 竖向振动峰值加速度为0.199m/s2。
5、 大跨度屋面钢结构设计
5.1、 分析软件
本项目钢结构主要包括入口钢结构、中央穹顶和花鸟园三部分。钢结构设计采用MIDAS Gen软件进行整体分析。
5.2、 入口钢结构设计要点
由于建筑功能的要求, 海洋馆入口处是平面为扇形的单层大跨钢结构, 其径向跨度约33m, 弧向最大跨度约50m, 两侧沿径向的钢柱和弧线上的钢柱通过钢梁与主体混凝土结构连接。其中弧向的钢柱分为上下两部分, 上柱和下柱均向外倾斜, 并通过一段4.5m的水平挑梁连接, 上柱、下柱和水平挑梁共同形成了“Z形柱”结构 (图6) 。柱截面为□900×600×20, □850×600×20, ?700×20, 主梁截面为□1 200×400×20, H1100×400×12×14, H600×200×10×20, 钢材采用Q345B。
由于“Z形柱”在平面内无法在6.000m处设置径向拉梁, 斜柱的稳定性分析就成为此部分钢结构设计的一个最大难点。
图6 入口处“Z形柱”平面图
图7 入口处“Z形柱”剖面图
对于这部分“Z形柱”斜柱的稳定分析, 结构设计充分考虑建筑方案的实际情况, 巧妙利用水平挑梁的宽度, 在6.000m标高处设置了一道水平桁架作为支撑 (图7) , 桁架两端通过两侧径向钢框架支承在混凝土结构主体上, 进而形成刚度。并以此作为斜柱在平面内的一道支撑, 从而减小计算长度。
水平支撑桁架宽度为4.5m, 桁架跨度弧线方向约为50m, 水平桁架跨高比约为1/11。结构计算结果表明, 水平风荷载作用下, 水平位移为9mm, 水平方向挠跨比为1/5 556, 桁架刚度较大, 可以作为斜柱平面内的稳定支撑。
对于斜柱的稳定计算, 借鉴了以往的工程经验并结合本工程的实际情况, 采用屈曲分析方法确定杆件计算长度。屈曲分析方法采用的是整体模型法, 从而得到计算杆件的临界承载力。然后通过欧拉公式Pcr=π2EI/li2 (Pcr为临界承载力;E为钢材弹性模量;I为截面惯性矩;li为计算长度) 来反算杆件的计算长度[3], 再将计算长度指定给计算模型中的对应杆件, 从而完成杆件的稳定分析。
5.3 、中央穹顶钢结构网壳设计
海洋馆中央是个圆形的穹顶, 跨度40m, 起拱高度4.0m, 矢高比1/10。穹顶杆件截面为?426×16, ?325×12, ?278×8, 钢材采用Q345B。充分考虑方案效果和结构受力因素, 结构方案采用单层圆钢管网壳结构, 网壳四周支承在混凝土结构的柱顶, 采用固定铰支座连接。对于单层网壳结构, 结构整体稳定分析是结构分析的重点。本项目在进行整体稳定分析时, 按照《空间网格结构技术规程》 (JGJ 7—2010) 取跨度的1/300作为初始缺陷, 不考虑结构的材料非线性影响, 进行几何非线性分析。非线性分析荷载组合为1.0恒荷载+1.0活荷载, 计算方法为位移控制法, 荷载系数曲线如图8所示。
图8 中央穹顶荷载系数曲线
通过荷载系数曲线, 可以确定荷载系数为18.1, 大于4.2, 满足《空间网格结构技术规程》 (JGJ 7—2010) 的要求。
中央穹顶位于海洋馆中部, 底部挑空, 无法设置施工临时支撑。鉴于施工现场的实际情况复杂, 中央穹顶施工采用整体吊装方案。
现场整体拼装完成后, 实际吊重达到1 050kN, 吊装高度90m, 吊装距离74m, 安装高度27m, 采用XGC16000型1250t履带起重机一次性整体吊装完成 (图9) , 解决了现场场地问题, 同时保证了现场施工的进度。
图9 中央穹顶整体吊装照片
5.4、 花鸟园钢结构设计
花鸟园平面为梭形, 按照建筑功能使用要求, 采用刚架结构形式。四周为焊接工字形柱, 中柱采用圆钢管柱, 纵向设置两道柱间支撑, 同时在对应柱间设置屋面支撑, 形成整体受力体系。结构模型轴测图见图2 (b) 。
采用MIDAS Gen进行特征值分析, 模态分析结果表明:第1与第2振型均为平动, 自振周期T1=1.41s, T2=1.14 s, T3=0.83 s, T3/T1=0.589<0.9, 结构刚度较好, 刚度分布较均匀。变形分析结果表明:恒荷载+活载标准组合作用下竖向挠度最大值为72mm, 最大挠跨比72/29 500=1/410, 满足规范要求;风荷载工况下, 水平位移最大值为32mm, 最大层间位移角32/14 000=1/437, 满足规范要求。
6、 混凝土结构抗腐蚀措施
根据《混凝土结构耐久性设计规范》 (GB/T 50476—2008) [4] (简称混凝土耐久性规范) 中6.1.2条文说明中“接触海水的混凝土构件也应考虑海洋氯化物的腐蚀, 如海洋馆中接触海水的混凝土池壁、管道等”, 因此本项目应重点考虑混凝土结构的抗腐蚀措施。
本项目距离海岸仅200m, 所以按《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) [2]室外露天环境应属于Ⅲ-B海岸环境, 而对于海洋馆内部与海水或空气中来自海水的氯化物直接接触的环境按混凝土耐久性规范应属于Ⅲ类海洋氯化物环境。
本项目所有水池均设有玻璃钢防水, 因此池壁混凝土与池底混凝土与海水不会直接接触, 另外室内均有空调及排风通风系统, 室内都应为轻度盐雾, 所以依据混凝土耐久性规范中6.2.1条, 本项目所有水池及有水池的室内环境类别均设为Ⅲ-D环境。
针对海洋氯化物Ⅲ-D环境, 混凝土结构采取的抗腐蚀措施主要有:
(1) 材料。混凝土强度等级采用C40, 混凝土抗渗等级为P8, 最大水胶比为0.40, 最大氯离子含量为0.1%, 最小胶凝材料用量为340kg/m3, 最大胶凝材料用量为450kg/m3, 单位体积混凝土中三氧化硫的最大含量不应超过胶凝材料总量的4%, 单位体积混凝土的含碱量不超过3kg/m3。采用较大掺量矿物掺合料混凝土, 矿物掺合料中加入占胶凝材料总重约30%的粉煤灰。混凝土抗氯离子侵入性指标应满足混凝土耐久性规范中6.3.6条的要求, 28d龄期氯离子扩散系数DRCM≤10×10-12m2/s。用作矿物掺合料的粉煤灰应选用游离氧化钙含量不大于10%的低钙灰。
(2) 保护层厚度。根据海洋氯化物Ⅲ-D环境类别增加混凝土保护层厚度, 墙和板的保护层厚度为35mm, 梁和柱的保护层厚度为40mm。
(3) 混凝土裂缝控制。裂缝控制等级为二级, 裂缝宽度限值为0.2mm。
(4) 混凝土外加剂。混凝土内掺适量优质粉煤灰、SY-K膨胀纤维抗裂防水剂 (6%～8%, 膨胀加强带或后浇带掺加量为胶凝材料的10%～12%) 及SY-R (3%～6%) 混凝土防腐阻锈剂。混凝土外加剂应满足《混凝土外加剂应用技术规范》 (GB 50119—2013) 、《混凝土膨胀剂》 (GB 23439—2009) 的要求。
(5) 施工及养护。浇筑后立即覆盖并加湿养护, 养护至现场混凝土的强度不低于28d标准强度的50%, 且不少于7d, 加湿养护结束后应继续用养护喷涂或覆盖保湿、防风一段时间至现场混凝土的强度不低于28d标准强度的70%。若大气温度低于10℃, 应延长养护时间。
7、 钢结构防腐措施
本项目因离海岸较近, 且室内为海洋氯化物环境, 钢结构防腐极其重要。本项目提高一级采用防腐措施, 提高了防腐涂层的成分要求和防腐实验要求, 具体采取的钢结构防腐措施有:
(1) 所有钢构件先做抛丸除锈达到Sa2.5级。
(2) 钢结构涂环氧富锌底漆, 厚度为2×40μm, 干膜中锌粉含量不小于75%, 体积固体含量不小于61%;环氧云铁中间漆, 厚度为2×70μm, 体积固体含量不小于80%, 快干型且具有在-5℃低温固化功能;面漆氟碳漆厚度为2×30μm, 体积固体含量不小于50%;氟含量大于35%。
(3) 防腐涂料的耐久年限要求25年以上。
(4) 所有锚具、螺杆等均做热镀锌处理, 厚度为不小于30μm。
(5) 无机富锌底漆应具6 000h盐雾试验合格报告。
(6) 钢结构使用过程中, 应根据材料特性 (如涂装材料使用年限, 结构使用环境条件等) , 定期 (不超过10年) 必要维护 (如对钢结构重新进行涂装, 更换损坏构件等) , 以确保使用过程中的结构安全。
8 、主体结构与幕墙设计的结合
本项目立面造型为倾斜曲面, 若按照常规的二维图纸设计, 将无法精准快速地表达设计内容, 也无法管控校核施工过程中误差。另外因项目造型复杂繁琐, 对加工安装精度要求极高, 因此本设计采用了BIM技术 (图10) , 以此来提供精准的三维控制信息来指导设计与施工, 最终目标使主体结构与幕墙设计通过参数化来落地实现。
图10 BIM模型幕墙分格
本项目幕墙设计难点在于玻璃采光顶系统。该系统位于海洋馆的屋顶, 为使室内外效果最佳, 玻璃采光顶的分隔线完全与主体钢结构龙骨中心对应。设计难点在于龙骨安装调节精度和冷凝水处理问题, 这也是大跨度采光顶项目长期以来难以解决的问题。针对此问题采取了有效的改进措施, 采光屋面的所有玻璃面板自重及外荷载通过面板依次传至副框、钢龙骨支撑结构, 然后通过U形支座传至主体钢结构上。钢龙骨支撑结构的大小和安装位置与理论设计尺寸可能相差较多且采用的材料在温度变化的情况下, 会产生较大温度应力, 因此在设计中考虑三维调节功能和应力释放是非常必要的。玻璃副框系统创新性地采用了冷凝水双集水槽系统 (图11) , 通过高低搭配的集水槽来实现冷凝水的采集、导流、排除, 达到最优的使用效果。
图11 玻璃采光顶系统标准竖剖节点
9、 结语
本项目结构形式为混凝土框架和钢框架组成的混合框架结构, 结构体系复杂, 立面建筑造型繁琐, 结构设计需紧密结合建筑和幕墙设计。针对大跨度钢结构、大悬挑混凝土结构、楼板开大洞、楼板不连续等不规则, 设计采取了有效措施保证了结构的安全储备度。针对海洋氯化物环境和近海环境, 设计从材料、施工、使用等方面对混凝土结构和钢结构采取了有效的防腐措施。为实现建筑复杂立面的需求, 主体结构与幕墙设计采用了BIM参数化设计, 为设计和施工提供了准确的三维控制信息。结构设计很好地解决了各种设计难题, 实现了结构与建筑、幕墙的完美结合。
参考文献
[1] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.
[2] 混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.
[3] 钢结构设计规范:GB 50017—2003[S].北京:中国计划出版社, 2003.
[4] 混凝土结构耐久性设计规范GB/T 50476—2008[S].北京:中国建筑工业出版社, 2008.