哈尔滨万达文化旅游新城位于哈尔滨市松北新区, 项目地块总用地面积约19.77万m²。该项目包括室内滑雪场、室内步行商业街、娱乐楼、超市、室内滑冰场、电影乐园等业态, 总建筑面积33.7万m²。其中, 哈尔滨万达滑雪场是目前全球最大的室内滑雪场, 建筑面积约8.6万m²。图1为滑雪场整体效果图。

　　 滑雪场总用钢量超过4万t, 从方案设计、初步设计、施工图设计、施工完成至项目竣工开业仅用4年时间, 设计中经过多次专家评审论证, 对结构体系及优化、设计标准、抗震性能目标、各种荷载取值及复杂节点优化等各方面不断的完善和改进, 最终于2014年1月通过了超限高层建筑抗震设防专项审查, 2015年陆续完成施工图设计, 2017年6月30日竣工并投入使用。

　　 滑雪场总建筑高度为119.66m, 平面尺寸长487m, 跨度从150m渐变到90m, 属超长超大跨度高层建筑。滑雪场采用钢结构大跨度屋面, 高区楼面为巨型框架的大跨度建筑, 楼面荷载包括钢结构自重、雪自重、雪道特殊面层做法、用于滑雪制冷工艺的大型设备荷载、索道魔毯荷载、铲雪车荷载、上部景观及建筑物荷载 (餐厅, 咖啡厅及嬉学乐园) 等, 楼面荷载远远超出普通大跨度建筑楼面。

　　 雪场的立面造型酷似一只红色冰舞鞋或一架红钢琴, 最高处为119.66m, 雪道最大高差为87m, 楼面存在25.44°的倾角, 两侧水平刚度差异很大, 其独特的建筑立面造型给结构设计和施工安装带来了很大的困难和挑战。

　　 雪场位于冰城——哈尔滨, 哈尔滨冬季严寒, 气温可达到-38℃, 雪场的特殊功能要求保温体系置于钢结构内侧, 且高强度钢材和厚钢板使钢结构脆性断裂问题尤其突出, 因此钢筋选型及研究低温下钢材的性能尤为重要。

　　 设计基准期及使用年限为50年, 建筑抗震设防类别为乙类, 抗震等级为二级。重要构件安全等级取为一级, 其他构件为二级。工程抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g, 设计地震分组为第一组, Ⅲ类场地土, 场地特征周期为0.45s。小震时计算按照安评报告取峰值加速度 (32cm/s²) , 中震和大震时峰值加速度按照小震安评报告较规范反应谱加速度的放大的倍数 (32/18=1.78) 进行同比放大。反应谱形状参数和T_g按规范^[1]及地勘报告取值。

　　 (1) 雪道楼面恒荷载依据冰雪制冷工艺厂家提资, 为8.5kN/m² (包括雪体及面层自重, 不包括结构楼板自重) 。活荷载根据滑雪运动场地要求和压雪车轮压扩散及制动荷载, 取为4kN/m²。楼面索道荷载及魔毯荷载依据索道及魔毯厂家提资。

　　 (2) 屋面上弦恒荷载取0.9kN/m², 包括二次结构檩条和金属屋面做法。屋面上弦活荷载考虑屋面活荷载和雪荷载的包络, 取0.7kN/m²。屋面檐沟恒荷载按建筑做法取3.5kN/m。根据哈尔滨的气候特征, 檐沟活荷载考虑满水荷载和满冰荷载的包络组合。满冰荷载包括檐沟内冰荷载和覆冰荷载, 覆冰荷载按照《高耸结构设计规范》 (GB 50135—2006) 计算, 满冰荷载共计5.7kN/m。

　　 (3) 屋面下弦恒荷载取0.7kN/m, 包括二次结构檩条和冷库板做法。屋面吊挂的冷风机和吹雪机等制冷设备荷载依据冰雪制冷工艺厂家提资与马道荷载合并计算。吊挂活荷载取0.3kN/m²。

　　 (4) 侧墙荷载取值考虑内外两侧二次结构檩条、冷库板、外装饰材料及LED屏等做法自重。墙面吊挂制冷设备荷载计算方式同屋面下弦, 此外还有特殊的擦窗机荷载, 依据厂家提资进行设计。

　　 (5) 基本风压为0.7kN/m² (100年重现期) , 地面粗糙度为B类, 按照《哈尔滨万达城风洞测压试验报告》和《哈尔滨万达城风致振动分析报告》进行外墙、屋顶、楼面底部的主体风荷载设计和围护结构的风荷载设计。

　　 (6) 基本雪压为0.7kN/m² (考虑极端气候影响适当放大) , 根据《哈尔滨万达城雪荷载分布数值模拟报告》, 考虑在风荷载作用下屋面积雪的漂移堆积分布, 对积雪情况进行最不利情况分析, 不同风向角下积雪分布系数在0.75～1.25之间。

　　 (7) 使用阶段钢结构最高温度为35℃, 最低温度为-32℃;施工阶段钢结构最高温度为55℃, 最低温度为-38℃;合拢温度应控制在5～15℃。

　　 整体结构分析采用通用有限元分析软件MIDAS Gen ver800, 并采用SAP2000软件进行复核。混凝土部分及基础设计采用YJK软件。大震及防连续倒塌分析采用通用有限元分析软件ABAQUS。

　　 由于结构长487m, 属于超长钢结构, 为了减小结构单体长度并简化结构受力的复杂性, 将其与下部停车楼及超市等混凝土结构脱开, 并设置两条缝将其分割为低区、中区、高区三个部分。图2为结构分区示意图。其中低区平面尺寸为158m×150m, 中区平面尺寸为151m× (120～150) m, 高区平面尺寸为173m× (90～120) m, 整体结构立面高度最低42m (最西端) , 最高119.66m (最东端) 。经超限认定, 三部分均属于超限结构。

　　 滑雪场高区是最为复杂和独特的部分, 文献[2]详细介绍了高区的结构设计, 此处不再赘述。

　　 滑雪场中区上部钢结构为横向桁架、纵向框架的结构体系, 跨度在120～150m之间。下部混凝土结构为框架结构, 见图3。钢结构柱脚铰接于下部混凝土结构上。为减小上部钢结构纵向地震作用时的地震反应, 在纵向框架两端设置黏滞阻尼器。

　　 屋面主受力方向采用单榀门式刚架, 各榀门式刚架通过支撑连成整体。屋面桁架上下弦中心线之间的最大高度为11m, 柱肢中心线间距:刚架直线段部分为3m, 顶部与屋顶连接处过渡到6m。

　　 主桁架弦杆采用工字形截面, 腹杆采用箱形截面和圆钢管, 主桁架之间通过联系桁架和水平连梁连成整体, 见图4。格构柱采用箱形截面。

　　 滑雪场低区上部钢结构也采用横向桁架、纵向框架的结构体系, 下部为钢筋混凝土框架结构, 跨度为150m, 为有效减小屋面跨度, 在不影响建筑功能的前提下, 增设跨中柱, 跨中柱柱底铰接、柱顶刚接, 见图5。屋面结构体系同中区结构, 不同之处在于抽空了局部屋面斜腹杆^[3], 使跨中柱的受荷面积减小, 并补充了防连续倒塌分析。

　　 哈尔滨万达滑雪馆高区滑道部分长约167m、宽约113m, 为超长楼板;滑道楼板两端最大高差高达45m, 最大坡度角为25.44°, 远远超过迪拜滑雪场的最大坡度15°。楼面次梁和钢筋桁架楼层板设计都存在很大的难度。仅在重力荷载的作用下, 楼面梁和楼面板均存在较大的平面外和平面内拉应力, 见图6。

　　 楼面次梁沿雪道坡度方向布置, 均为斜梁, 且与楼面主桁架铰接, 在楼面重力荷载作用下, 产生很大的轴向力, 节点仅通过腹板连接不能满足受拉要求;若将翼缘与主桁架焊接, 则会产生过大的梁端弯矩, 会导致次梁截面抗弯承载力严重不足。最后通过增加铰接斜撑的方式承担滑道方向的拉力, 做法见图7。

　　 楼面板平面内受拉分析采用MIDAS软件, 在高区整体模型中对钢筋桁架楼承板进行仿真分析, 楼板选用弹性板6, 荷载施加为压力荷载, 并对楼板进行单元剖分, 真实模拟楼板平面外和平面内的应力状态。图8为楼面板平面受拉应力云图, 可见楼板平面内存在较大的拉应力, 尤其在楼面转角区域和V形柱支承区域楼板平面内受拉比较明显, 沿坡度方向楼板最大拉应力达到2.69MPa, 超出了混凝土的抗拉强度, 楼板除配置相应的受弯钢筋外, 分区域额外配置受拉钢筋, 表1为平面内受拉钢筋的配置。

　　 哈尔滨万达滑雪场雪道基层做法复杂, 图9为雪道基层的做法示意, 包括制冷混凝土层、保温层、防水及砂浆保护层、防结露暖管层等, 高区雪道存在很大倾角, 最大倾角为25.44°, 雪道基层会产生较大的下滑力, 同时在施工阶段、造雪初期及使用过程中室外区大温差循环往复作用下, 主体结构楼面与雪道基层间可能会产生较大的相对变形。这种大倾角、大温差变化及特殊的使用功能属于世界首例, 无相关的经验及数据, 研究在各种荷载工况下雪道基层是否会产生滑移破坏及采用相应的预防措施是非常有必要的。

　　 雪道基层滑移试验包括现场试验和实验室试验。现场试验是在坡度25.44°的森林道上按照真实的雪道基层做法制作样板段, 如图10所示, 模拟使用过程中可能发生的最不利荷载, 包括各基层重力荷载、雪荷载、活荷载及压雪车加减速引起的制动荷载等。现场试验结果为雪道样板段并未产生向下的滑移。

　　 考虑到现场试验的局限性, 同时进行了实验室试验, 分别对雪道基层抗剪承载力和SBS蠕变性能进行了测试。雪道基层抗剪承载力试验结果表明, 雪道基层破坏首先发生在聚氨酯防水层, 表现为交界面先开裂, 之后发生滑移, 滑移过程中的剪切承载力不小于5.0kN。另外, SBS防水卷材上表面有一层薄膜, 导致其与上部水泥砂浆保护层之间的粘接面是剪切破坏模式的第二薄弱环节。SBS蠕变性能试验结果表明, 在低温条件下 (-15, -5℃) SBS防水卷材的剪切蠕变量较小, 但剪切蠕变量随温度的提高而增加, 蠕变量随温度变化呈非线性, 常温41d的蠕变量达到5.1mm。

　　 通过对现场试验和实验室试验的结论进行分析, 得出以下结论:1) 使用过程中保持低温, 雪道层不会产生滑移;2) 施工过程中的SBS蠕变可能会因为温度过高, 蠕变量增大, 有产生滑移的可能性。因此需要采取措施防止因施工过程中SBS蠕变而产生雪道基层滑移。

　　 结合施工现场具体情况, 通过在垂直于雪道方向设置反坎来阻止施工过程中可能产生的滑移。按照雪道角度的不同进行计算, 红道及蓝道需设置两道反坎, 森林道需设置三道反坎, 图11为雪道反坎平面布置。

　　 保温层外的主体结构在使用阶段的最高温度为35℃, 最低温度为-32℃;滑道面层使用阶段的温度保持在-6℃左右;外部主体结构和内部滑道面层之间的最高温差近30℃。增加反坎前, 雪道面层和主体结构楼面之间是自由的, 温差产生二者的相对变形可以通过材料之间的粘结和摩擦力来协调。增加反坎后, 反坎约束了雪道面层与主体结构之间的变形协调, 若主体结构升温, 变形增大, 反坎之间的距离加大, 滑道混凝土面层受拉, 经MIDAS软件仿真模拟分析, 反坎处混凝土的最大拉应力接近4N/mm², 滑道混凝土面层有被拉裂的风险。故通过在反坎与滑道面层之间设置变形缝释放应力, 嵌缝材料采用500级高强挤塑聚苯。混凝土反坎高度为140.5mm, 中间采用方钢管 (□140×140×5.5) 连接, 并以栓钉保证型钢的可靠锚固, 型钢间距取为1 000mm, 图12为反坎的具体构造做法。

　　 哈尔滨地处严寒地区, 极端气温可下降到-38℃。随着温度降低, 钢材塑性和韧性逐渐降低, 钢材易产生脆性破坏。滑雪场工程中钢结构部分大量使用高强度钢材和厚板, 最大厚度为60mm, 在设计初期, 经与建设方及建筑专业协商, 对钢结构采取增加外保温措施, 提高钢结构的使用温度。因而在钢材选择上, 依据《钢结构设计标准》 (GB 50017—2017) 选择Q345C级钢 (工作温度:-20～0℃) 和Q345D级钢 (工作温度≤-20℃) 。

　　 在施工进行过程中, 为节省工程造价, 建设方提出要将V形巨柱外保温及外装饰去掉, 如图13所示。这样V形巨柱直接外露, 极端工作气温下降至-38℃, 此时, 高区主体结构已施工完毕, 而国内的设计规范中对钢结构低温脆断的控制还不是很完善, 不能对构件在低温下发生脆性断裂进行定量的准确判断和分析。

　　 经多方面资料汇集, 并结合2014年10月8日《哈尔滨万达茂滑雪乐园钢结构在严寒地区外露结构可行性专家论证会》专家意见, 最后参考欧洲规范EN1993-1-10复核钢结构受拉杆件在极端低温下的应力比。欧洲规范EN1993-1-10中2.3.2条给出了不同种类钢材在不同温度、不同应力状态下的最大厚度要求, 本工程可以根据钢结构板材厚度反推出低温下的最大应力状态, 即在一定的低温条件下钢材的抗拉强度随钢材厚度进行不同程度的折减。Q345D级钢材在低温-38℃时允许的强度及最大应力比见表2 (Q345D级钢材参考表2中的屈服强度为335N/mm²的钢材) 。

　　 通过MIDAS软件计算复核, 与V形巨柱相连的楼面桁架杆件中, 有38根受拉杆件应力比大于0.58, 最大应力比高达到0.88, 不满足欧洲规范EN1993-1-10的要求, V形巨柱外露存在一定的风险, 因此必须对外露钢结构进行保温围护和外装饰处理, 不能将其直接外露。

　　 滑雪场结构体型复杂, 各区自身荷载和刚度分布差异很大, 需根据各区不同的特点选取不同的地基和基础形式, 分别抵抗不均匀的竖向力和水平力, 并严格控制基础变形。

　　 高区结构为巨型框架结构, 屋面和楼面的全部荷载均由6根巨型框架柱传递给基础, 基础反力集中在6根巨柱上, 基础节点构造复杂。另外, 雪道高差较大, 两侧水平刚度差异很大。质量中心和刚度中心相差较大, 且哈尔滨地区温差较大, 在重力荷载和温度荷载等非地震作用工况下, 巨型框架柱底存在很大的水平力, 此区的基础设计是最为复杂和独特的部分, 是基础设计的重点和难点。

　　 基础设计采用YJK软件模拟各巨柱分肢在各种工况下的真实内力, 采用基础设计模块进行桩筏有限元分析。巨柱筏板下采用非均匀布桩方式, 通过调整布桩位置, 使群桩中心尽量与荷载中心重合, 改变基础反力分布不均匀状态, 并有效减小沉降差异, 从根源上改变筏板的受力状态, 减小筏板厚度, 最终达到节省造价的目的。

　　 高区结构抗水平力设计方案经过多方案的经济性和可行性的对比分析及上部结构的优化, 最终采用增设抗水平力桩与原桩体共同抵抗水平力的方案。增设的专门抗水平力桩的桩长由原来的45m优化为12m, 通过水平承载力试验, 单桩水平承载力特征值可达到230kN, 具有很好的经济性。

　　 另外, 考虑到巨柱柱脚对整个工程的重要性, 将地下室侧墙和承台侧面的回填土体及承台底土体的摩擦力作为抗水平力的安全储备, 施工土方回填要求采用3∶7灰土分层夯实, 压实系数不小于0.96。

　　 中区和低区下部结构均为不同层数的混凝土框架结构支承, 且柱间存在水平拉梁或承台梁, 支承屋面柱的水平力通过水平梁体系整体平衡和分配。其中支承屋面柱的恒荷载、活荷载及温度荷载产生的水平力, 由于两侧柱的内力相对, 可通过水平梁体系相互抵消。支承屋面柱由风荷载产生的水平力可通过水平梁体系协调和分配到中部水平力较小的柱底。因此桩体自身便可承担其分担的相应水平力。

　　 本文仅对基础设计进行概括性的论述, 详细分析将在后续详细介绍。

　　 滑雪场钢结构为重载大跨度钢结构, 大跨度楼面荷载为常规楼面荷载的4倍左右, 节点尺寸和受力均超常规, 节点类型种类繁多且空间关系复杂。

　　 节点设计应首先保证节点区的承载能力高于构件要求如下:1) 结合抗震超限专家论证会意见, 对于结构体系中的关键节点, 应达到的抗震性能目标为大震应力比不超过0.95 (钢材强度取屈服强度) ;2) 节点传力直接, 节点区应有可靠的传递主受力构件内力的能力;3) 方便施工, 避免焊缝重叠, 有较强的可操作性;4) 有较好的经济性。

　　 在满足以上4条的前提下, 进行各种优化:1) 进行了螺栓连接和栓焊混合连接方法的论证和优化;2) 通过优化截面形式的方法来实现节点构造的优化;3) 优化有限元分析方法, 通过MIDAS软件把关键节点的三维实体模型嵌入整体线性模型中, 实现有限元分析, 避免荷载和边界条件的假定不符合实际受力状态, 提高节点设计的效率和准确性。

　　 限于篇幅, 本文仅对节点设计进行概括性论述, 后续节点专项分析将分别对巨型框架交叉节点、楼面及屋面复杂节点、低区跨中柱与屋面连接节点、抗风桁架典型节点、柱脚设计等关键节点做详细介绍。

　　 工程耐火等级为一级, 建筑各承重构件的耐火极限见表3。哈尔滨地区昼夜温差较大, 巨型框架柱耐火极限要求较高, 柱肢最大截面宽度为1.8m, 所需涂装宽度较大, 涂装厚度也较厚, 且与地面成70°斜角, 在大面积涂装过程中, 下挂的防火涂料在自重及极端温差下, 极易出现裂缝, 产生气泡、空鼓等现象, 且易掉落。

　　 结合以上特点, 在保证耐火极限及安全使用性能要求下, 最终选择自重轻、粘结强度高、耐候性好的厚型防火涂料, 且在防火涂层中增设钢筋网片, 强度不小于6MPa。此种措施在一定程度上增加了防火喷涂的难度, 但有效预防了后期掉落的危险。

　　 雪场钢结构涂层应保证50年 (防腐设计使用年限) 内需进行维修的次数不多于两次 (不含正常养护次数) 。经除锈处理后涂环氧富锌底漆, 干膜厚度≥75μm;中间漆采用环氧云铁, 干膜厚度≥75μm。防火涂料涂于中间漆之上、面漆之下。当采用厚型防火涂料时, 应在防锈漆外侧喷涂防火涂料。

　　 马道及檩条等二次结构的安装顺序是在主体结构卸载而产生变形以后, 此时二次结构的安装对主体结构和二次结构均产生有害次应力, 因此对二次结构的施工安装进行模拟分析, 得出正确的受力模型和施工顺序尤为重要。

　　 采用MIDAS软件对马道 (图14) 和主体结构模型进行整体非线性仿真模拟分析, 得出马道必须分段均匀安装, 且提供侧向刚度的马道斜撑应在主体结构、马道结构、围护结构吊装完毕之后安装的结论, 并优化了马道杆件断面, 取得了很好的经济性。

　　 高区钢结构巨柱采用双向倾斜无支撑片状吊装, 屋盖采用带支撑高空倾斜累积滑移安装^[4], 避免了传统施工方法临时支撑用量大、人工和机械成本高的缺点。低、中区结构采用了地面原位拼装、分块提升的安装方法^[5], 并采用了国内首次应用的提升水平控制系统, 为国内先进的施工工艺。采用有限元程序进行施工过程模拟分析, 具体如下:1) 对不同的施工方案进行对比优化分析;2) 分析每个施工阶段的变形和稳定性, 确保了施工安全;3) 为施工临时设施的设计和制作提供了力学参数;4) 对支撑系统卸载过程进行模拟分析并与卸载监测值比较, 验证钢结构临时支撑系统设计及布置的合理性, 各卸载监测点的实测值均处于理论及规范允许范围内;5) 为临时支撑的生根处主体结构提供设计依据, 验算其施工中的安全性。图15为施工过程照片。

　　 针对该建筑的特殊结构形式及结构本身的复杂性, 为了全面掌握钢结构在施工和使用过程中的实际受力状态, 提供结构工作状态的实时信息, 准确把握安全状况, 依靠现代高精度的监测分析系统对结构施工过程及结构工作状态进行长期监测, 以确保工程结构使用的完整性、适用性和耐久性。

　　 施工监测包括施工过程中的沉降观测、大跨度钢结构控制点的变形监测、大跨度钢结构关键部位的应力、关键节点的关键焊缝监测及施工过程中临时支护等构件监测。

　　 监测变形、应力/应变数据变化的预警值按照设计值的80%取值。根据监测结果, 高区结构巨柱区域的沉降最大值为8.94mm, 低区和中区结构沉降最大值在跨中柱支承屋面柱下, 为8.20mm。整体沉降值及沉降差值均相对较小, 且远小于设计值及预警值, 满足规范^[6]对不均匀沉降的要求, 可保证建筑使用中的安全性。

　　 哈尔滨万达滑雪场健康监测可以在雪场运营过程中监测结构的整体健康状况, 定期分析雪场钢结构整体内力状态的变化趋势, 尤其是对钢结构温度的监测, 对钢材发生冷脆破坏有一定的预测作用。健康监测可以建立滑雪场钢结构的数字化和信息化档案, 科学合理地协助滑雪场的管理和养护。在运营阶段健康监测的项目包括:温度监测、环境监测、代表性结构构件应力/应变监测、支座位移监测、钢结构的卸载监测。健康监测工期为工程竣工后3年。

　　 (1) 哈尔滨万达滑雪场为超大跨度结构, 造型独特, 结构复杂超限, 设计难点较多, 通过合理的分缝简化设计, 各区结构体系均传力路径清晰, 设计标准明确。实现了建筑与结构的完美结合。

　　 (2) 对超大室内滑雪场的特殊关键技术问题进行了归纳和总结, 其中包括雪道楼面抗拉设计, 雪道基层抗滑移试验及设计, 低温钢结构性能研究, 基础抗不均匀竖向力及水平力设计和节点设计原则等。