广州融创雪世界位于广州市花都区,L形平面总长约370m,滑道区横向总宽度约110m,滑道高度从66m逐渐下降到地面。滑道区净高要求22m,再加上约10m的屋面桁架高度,雪世界屋面最高点标高为98m,沿滑道以7°～12°的坡度逐渐下降到最低点标高40m(图1)。以立面架空区为界,设置变形缝将滑道区分为滑道高区和滑道低区,为满足邻近单体中震不碰撞的要求,缝宽400mm。

　　 如图2所示,建筑要求整个雪世界内部接近无柱空间,导致滑道区的结构柱只能设置在跨度110m的两条边上形成大跨屋盖。滑道高区滑道面标高66m,其下架空,采用距离约60m的四个落地筒支承,导致整个滑道高区及其上的钢屋盖都只能采用大跨钢桁架转换支承。因此滑道高区的结构形式非常特殊,既是高约100m的超高层,又是大跨重载结构。

　　 作为一种功能非常特殊的大型公共建筑,地处亚热带的雪世界内部要求常年处于-3℃的设计温度,而室外温度高达30～40℃,因此此建筑对保温和防水有极高的要求。滑道层构造如图3(a)所示,在架空的滑道结构板之上,要先设置60mm厚细石混凝土(内埋冷热管)、防水层、保温层、细石混凝土找平层、抗冻混凝土层等诸多构造层后,才能覆盖400mm厚雪层。这使得滑道面附加恒载高达8.5kPa,为典型的大跨重载结构。

　　 经建筑节能论证,为满足雪世界屋面及墙面的保温要求,必需采用图3(b)所示的“内保温+外幕墙”双层围护结构体系。内层采用自重及厚度均较大的A级保温材料,外层为铝板隔热幕墙。为与双层围护体系相匹配,结构立面及屋面也需设置双层檩条及墙梁,这使得雪世界屋面附加恒载高达2.4kPa,远大于常规轻钢屋面 ^[1]。如果再计入屋面桁架层内大量的制冷造雪设备、检修马道等重量,屋面等效均布荷载将超过3.5kPa。因此,雪世界的屋盖也是大跨重载结构。

　　 为避免结构构件表面结露并形成冷桥,设计要求所有立面和屋面结构构件都不能暴露在雪世界内,只能设置在双层围护结构中间。但为了尽量不浪费实用面积,建筑又要求结构的两层立柱截面宽度不能超过3m,这进一步加大了结构设计难度。

　　 滑道高区平面示意如图4(a)所示,因用地边线倾斜,导致滑道高区平面呈直角梯形,斜边纵向长度从88m变化到105m。为保证立面效果,建筑要求靠近端部的两个后落地筒需平行于用地边线布置,因此只能采用图4(b)所示的弯折架空桁架平台,并将后落地筒设置为平行四边形平面,而前落地筒依然可以保持为矩形平面。四个落地筒的纵向净距为44.6～57.6m,横向净距为60.4m。经计算,矩形前落地筒平面尺寸为12.0m×9.2m,高度为37.7m,高宽比为4.1,墙厚为1.2m;平行四边形后落地筒平面尺寸为12.0m×10.9m,高度为56m,高宽比为5.1,墙厚为1.2m。

　　 在四个落地筒间,采用图5(a)所示的10m高的箱式巨型桁架形成一个转换平台,以支承整个高区滑道层及屋盖。箱式纵向桁架跨度44.6～57.6m,两端分别出挑约9m;箱式横向桁架跨度60.4m,两端分别出挑13m,再与连接屋面3m宽钢格构柱的纵向边桁架相连。为了减轻落地筒上方两道纵向主桁架的负担,在横向主桁架跨中又增设了一道中间纵向主桁架。由于转换桁架平台受力很大,纵、横向主桁架均采用Q420GJB矩形钢管,中间纵向主桁架及其余构件采用Q345B圆管。以滑道区倾斜面与平台区水平面的交线为界,纵向桁架形成图5(b)所示的弯折桁架。

　　 在各榀主桁架间,结构设置了多榀横向次桁架、边桁架、纵向联系杆以及斜平面支撑,形成图6(a)所示的刚度很大的完整转换桁架平台,用来支托上部的滑道和屋盖体系。考虑到节点连接的便利,上述构件均采用圆管截面。

　　 由于高区三条滑道的起坡位置、坡度均不相同,在转换桁架平台以上,还需设置图6(b)所示的找形次结构。在次结构框架间设置了纵向、横向柱间支撑,形成框架支撑体系,以抵抗滑道倾斜引起的下滑。

　　 支承110m跨屋盖的滑道两侧结构柱宽不能超3m。为减轻构件自重,滑道高区屋盖选用了如图7所示的“大跨主桁架+格构柱”的门式刚架体系,大跨主桁架间距8.4m。3m宽的格构柱支承在转换平台两侧的纵向边桁架上。大跨钢屋盖由主桁架、次桁架、上下弦稳定杆、屋面抗风撑、格构柱以及端部的山墙抗风系统等构件组成。设计中在支承钢屋盖的格构柱之间设置了立面支撑,与下部的纵向边桁架形成一个通高的立面巨型桁架以提高承载力 ^[2]。

　　 与双层围护保温体系相对应,结构在屋面主桁架上下弦设置了双层屋面次梁、在格构柱内外两侧也设置双层墙面次梁。

　　 从图8可知,高区采用四个落地筒支承弯折架空转换桁架平台,结构受力特点接近一个弯折且倾斜布置的巨型框架。竖向荷载下,由于纵向桁架弯折、桁架受弯、滑道倾斜等影响,不仅桁架自身承受巨大的弯矩,四个落地筒的弯矩也很大。落地筒底部弯矩可分解为纵向弯折桁架水平推力F引起的弯矩M₁和由筒两侧桁架竖向力不平衡引起的弯矩M₂这两部分。

　　 在方案比选阶段发现,虽然后筒1顶部的水平推力F只有表1中的11 523kN,但由于后筒1高达60m,由推力引起的弯矩高达约69.1×10⁴kN·m。要抵抗如此巨大的弯矩,基础和筒体配筋设计需付出巨大代价,难以实现。因此必须采取有效措施来减小筒底弯矩。

　　 考虑到筒底弯矩主要是由桁架的水平推力造成,设计中在两个后筒顶部设置了单向滑动支座,以有效释放纵向水平推力F。但考虑到后筒内有电梯,且支座长期滑动也难以满足抗震要求,如表2所示,设计将支座在施工时的状态分为两个阶段,在结构接近完工、开始造雪前,将后筒顶的单向滑动支座采取特殊措施锁定,使之变为简支支座。

　　 如表3所示,在采用两阶段先滑动后简支支座后,落地筒水平推力F下降48%,Y向总弯矩下降约70%,效果非常显著。

　　 由于转换桁架荷载巨大,单个球铰钢支座 ^[3]无法承受,设计采用了支座群的布置方案。在两个后筒上各设置7个先滑动后简支支座,在两个前筒上各设置8个简支支座(表4、图9),这些支座的性能目标均提高至大震弹性。考虑到实际施工的复杂性,支座的滑动不一定非常理想,在落地筒配筋和基础设计时,也考虑了滑动支座失效的最不利情况进行包络设计。如表4所示,先滑动后简支支座的最大滑移量为29～33mm,最大轴压力设计值为10 500～56 000kN,为目前国内民用建筑中采用的较大吨位成品支座。

　　 根据设计内力包络值,专业厂家对球铰钢支座进行了深化设计(图10)。为保证滑动和转动的顺畅,采用球冠板上表面设置不锈钢板且镀铬、上支座板侧壁镶嵌SF-1复合材料、球冠板四周充填润滑硅脂等措施。如图11所示,对受力最大的H1类先滑动后简支支座的应力进行分析,有限元得到的最大应力约为199MPa,可满足要求。受试验设备加载能力限制,选取受力较小的H3,J3类支座进行了整体竖向抗压、抗拉承载能力试验,试验结果表明这两类支座承载力均可满足设计要求。厂家还试验测定了整体支座的摩擦系数,实测的摩擦系数≤0.01,小于规定的0.03限值要求,性能良好。

　　 鉴于支座的重要性,还专门召开了支座专项论证会。与会专家一致认为支座专项方案基本可行,主要参数和措施基本合理。

　　 (1)结构前3阶周期分别为1.91,1.40,1.30s,扭转周期比为0.68。由于下部的四个落地核心筒及架空转换桁架是刚度很大的重钢结构,而钢屋盖则是刚度较小的大跨钢结构,形成了下刚上柔的结构特点,因此图12所示的结构前3阶振型都是钢屋盖振动。

　　 (2)结构阻尼比采用应变能法按材料特性自动计算,混凝土、钢材的材料阻尼比分别取5%,2%,结构前3阶等效阻尼比分别为2.4%,2.3%,2.2%,符合前3阶周期主要为钢屋盖振动的特性。

　　 (3)在竖向荷载作用下,架空转换平台、钢屋盖的最大竖向挠跨比分别为1/509,1/521,可分别满足1/400,1/300的限值要求。钢屋盖在风荷载下的层间位移角为1/524,可满足1/250的限值要求;混凝土落地筒在竖向荷载下的最大层间位移角为1/2 435,可满足1/800的限值要求。

　　 (4)由于对筒体采取了有效的弯矩减小措施,四个落地筒底部墙肢在竖向荷载下均未出现竖向拉应力,筒顶最大竖向拉应力仅为1.4MPa,小于混凝土的开裂应力 ^[4]。

　　 (5)整体屈曲及局部屈曲分析结果表明,钢屋盖格构柱面内计算长度系数在0.65以内,设计中偏安全地取1.0。

　　 结构属于“特殊形式的大型公共建筑”,根据《高规》 ^[5]第3.11节内容对下部混凝土核心筒进行结构抗震性能化设计并采取相应措施;根据《抗规》 ^[6]第3.10节内容及附录M对上部钢结构进行结构抗震性能化设计并采取相应措施。

　　 (1)作为重点设防类建筑,对其提高一度抗震设防。

　　 (2)四个混凝土核心筒承担全部的竖向荷载,将其定义为关键构件,并将性能目标提高至大震弹性。

　　 为确保结构安全,在筒顶5m高度范围内设置图13所示的钢支撑筒,并偏安全地假定其承担筒顶支座的全部内力。之后再由栓钉将内力逐渐传递给混凝土墙体,并逐渐减小型钢截面,但要求全部型钢下落至基础。除已配置的型钢外,约束边缘构件的配筋率仍不小于1.4%。图14(a)的大震弹性组合下剪应力使筒顶的混凝土开裂,虽然该区段全部内力可由钢支撑筒承担,设计仍偏安全地将墙身水平筋提高至1.65%;其余区域的墙肢受剪不会开裂,可采用配筋率为0.55%的水平配筋。大震弹性组合下拉应力(图14(b))使筒体底部的混凝土开裂,墙身竖向配筋率提高至1.2%;其余区域的墙肢不会受拉开裂,可采用配筋率为0.55%的纵向配筋。

　　 (3)将架空平台主桁架、钢屋盖格构柱和主桁架定义为关键构件,并按大震极限值复核。架空平台主桁架、钢屋盖等关键构件在大震下的最大应力比分别为0.67,0.89,可满足设定的性能目标且还有一定的富余。

　　 图15的大震弹塑性分析结果与性能验算结果一致,即使在提高一度设防的7度罕遇地震作用下,落地筒、转换桁架平台、钢屋盖主桁架等主承重结构也没有出现明显的塑性损伤,抗震性能良好。仅屋盖水平斜撑出现轻微塑性,与设定的屈服顺序相符。

　　 高区先滑动后简支支座目前已施工到表2中定义的1-6施工阶段,即钢屋盖外层墙面次梁及其墙板安装完成阶段。从表5支座滑移量实测值与理论值的统计分析可以看到,各支座均正常滑移,除个别支座外,滑移实测值与理论值均比较接近。考虑到实际的施工顺序、荷载分布及大小与理论值难免出现偏差,目前的误差是可以接受的。

　　 (1)针对广州融创雪世界既是高层又是大跨重载结构的特点,设计中选用了“四个落地筒+大跨桁架转换平台+钢格构柱+大跨钢屋盖”的结构体系。构件应力、结构变形等各项指标均控制在合理范围内,结构抗震性能良好,主要抗侧力构件均可满足设定的性能目标,结构设计是可行且安全的。

　　 (2)针对倾斜滑道水平推力造成落地筒弯矩巨大这一关键问题,设计中通过设置两阶段先滑动后简支支座群,将落地筒弯矩降低约70%,显著提高了结构安全性,并取得了很好的经济效益。