成都万达文化旅游城位于都江堰市玉堂镇, 由娱雪乐园、水乐园和停车楼三部分建筑组成。本文着重对娱雪乐园屋盖结构体系进行研究。为模拟自然的冰雪环境, 娱雪乐园的公共区域接近无柱空间, 且在其使用阶段冷区常年处于低温状态, 其建筑面积地上为7.36万m², 地下为0.14万m², 娱雪乐园的效果图见图1。

　　 娱雪乐园平面尺寸长428m, 跨度从174m渐变到94m, 左侧区域跨度最大为174m, 右侧区域跨度最小为94m。娱雪乐园钢结构屋盖为重载、大跨结构, 是本项目结构设计的重点和难点。由于娱雪乐园结构长428m, 属于超长结构, 为了减小结构单体长度并简化结构受力的复杂性, 设置两道结构防震缝, 分为北侧 (低区) 、中部 (中区) 和南侧 (高区) 三部分, 如图2所示。

　　 滑雪场的特殊功能需求为:1) 为保证滑雪场冷区常年处于-3°的设计温度, 经建筑节能等专业论证, 需采用内保温+外幕墙的双层保温方案;2) 为避免构件表面结露并形成冷桥效应, 要求所有立面和屋面结构的构件都不能外露在滑雪场内 (内部尽量少柱) ;3) 由于滑雪场内外两层之间的区域基本不能使用, 只能用来放置桁架、外排柱等主结构构件, 建筑要求内外两层之间距离的尽可能减小 (排架柱进深不大于3m) 。

　　 基于以上需求, 对屋盖结构分别考虑桁架式钢框架、门式刚架、混凝土排架支承立体桁架及网架方案, 从经济性、功能使用性、节点构造、施工难度等方面综合对比上述方案, 最后确定采用混凝土排架支承立体桁架方案。

　　 图3 高区屋盖结构透视图

　　 以高区为例, 屋盖及支承排架布置见图3。排架柱沿框架方向间距为16.8m, 立体桁架与排架柱对应布置, 共布置10榀立体桁架, 立体桁架跨度为90～125m, 立体桁架高度随跨度变化而变化, 跨中最大高度为8～13m, 跨高比在10左右。采用抗震球铰支座将立体桁架两端支承于排架柱顶。

　　 为提高屋盖结构整体性, 在立体桁架之间设置连系桁架, 间距为8m左右, 同时在连系桁架的下弦中部设置吊梁以减小下弦面内保温及造雪设备的龙骨跨度, 节省龙骨用钢量 (图4, 5) ;并在排架柱顶之间设置加强的封边桁架, 提高结构的鲁棒性。

　　 吊梁作为檩条的支承梁, 采用受弯为主的工字形截面, 与连系桁架下弦节点采用插板栓接, 为避免吊梁参与整体受力, 边部及跨中位置的节点采用单边长圆孔连接进行轴向释放 (图6) ^[1]。

　　 立体桁架上弦起拱形成双坡排水, 跨中最大起拱高度约3m。为减小立体桁架产生的水平推力, 将立体桁架的支承点上抬, 上抬的高度与立体桁架高度对应。

　　 屋盖结构采用排架柱支承, 柱顶设置抗震球支座支承屋盖立体桁架结构。沿屋盖跨度方向为排架结构, 垂直跨度方向通过在排架柱之间设置双梁形成框架结构 (图7) 。沿框架方向柱距分别为16.8m (中高区) 、15.2m (低区) 。排架柱截面为1 000×3 000～2 000×3 000的工字形混凝土柱, 角部排架柱增设型钢 (截面为2 200×600×30×30) 提高其抗震承载力;框架双梁为截面500×800及500×1 000的钢筋混凝土梁。

　　 娱雪乐园主体结构设计基准期为50年, 耐久年限为50年, 结构安全等级为一级, 抗震设防类别为丙类, 设防烈度为7度 (0.15g) ^[2]。

　　 屋盖结构荷载与作用为:1) 恒载:除钢结构自重外, 屋盖上弦面恒载为1.5kN/m², 下弦面内保温恒载为0.7kN/m²;2) 活载:0.5kN/m²;3) 温度作用:升温取+30℃, 降温取-30℃。4) 风荷载:基本风压为w₀=0.3kN/m² (50年一遇) ;风振系数为β_z=1.8, 根据风洞试验结果选取体型系数, 其中屋盖顶面最大正压体型系数为0.2, 最大上吸体型系数为-0.5～-2.3。

　　 屋盖结构立体桁架的弦杆、腹杆、排架柱与双梁均采用梁单元模拟, 在排架柱横梁的位置设置两个刚性牛腿与双梁连接。分析软件分别采用YJK1.8.2及MIDAS/Gen8.3.6。

　　 屋盖立体桁架在方案阶段采用桁架下弦支承, 下弦为水平布置, 在竖向荷载作用下会产生推力 (图8) 。推力引起的柱底弯矩造成独立基础设计困难, 方案阶段为减小该推力, 尝试采用施工过程释放变形的方式 (图9) 。

　　 但方案论证会上, 专家对柱顶支座采用考虑桁架安装时释放支座水平向变形从而减小对排架柱的推力的方法有疑虑, 因此, 考虑通过优化桁架构型减小支座推力 (图10) , 同时对双梁进行构造加强。与初步结构方案 (简称原方案) 相比, 改动如下:1) 增大了跨中桁架高度, 竖向刚度挠度减小37%, 排架柱底由推力产生的弯矩可减小83%, 推力减小效果明显;2) 恒载下柱底弯矩平均减小91.3%, 推力减小比重与弯矩减小比重相当 (图11) ;3) 柱顶推力为50kN左右, 基本小于摩擦力, 因此, 不再考虑施工过程释放变形。

　　 由于排架柱与框架双梁尺度差异较大, 为评估尺度差异对结构的影响, 分别建立局部实体有限元及杆系模型 (图12) 以进行内力对比。

　　 框架方向加载:实体有限元模型框架方向刚度与杆系有限元模型基本相当, 实体有限元模型比杆系有限元模型最大变形小0.93%左右。

　　 排架方向加载:实体有限元模型框架方向刚度与杆系有限元模型基本相当, 实体有限元模型比杆系有限元模型最大变形大0.89%左右。

　　 实体有限元模型与杆系有限元模型的横梁在对应位置弯矩基本相当, 差别较小。实体有限元模型内力稍小, 差别最大为0.4%。

　　 实体有限元模型与杆系有限元模型的横梁在对应位置的面外弯矩基本相当, 绝对差别较小。

　　 对比分析结果表明, 采用合理简化的杆系模型模拟相对双梁构造, 在受力模式、构件内力以及变形方面的结果与实体有限元结果吻合较好, 能够满足工程应用的需求精度。

　　 根据防连续倒塌设计的基本思路, 结合本工程的实际特点, 判定排架柱为支承屋盖结构的关键构件, 采取逐排拆除排架柱 (图12) 的方法, 验算结构的防连续倒塌能力^[3]。

　　 采用MIDAS/Gen2014版, 建立整体分析模型。按《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) 第3.12节的拆除构件法对其进行防连续倒塌验算, 对与拆除构件直接相连的构件和其他构件分别进行验算, 其中直接相连构件考虑了动力放大系数。

　　 拆除目标排架柱后, 按照《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) 第3.12.4条要求在准永久荷载组合下对直接相连构件以及其余构件进行校核, 校核结果 (图14) 表明, 直接相连构件承载力均满足要求, 非直接相连构件的封边桁架及邻近两跨连系桁架部分斜腹杆承载力不足, 需加强。

　　 根据以上验算结果的规律对封边桁架及所有排架柱附近的两跨连系桁架腹杆同步加强, 以满足规范防连续倒塌设计的基本要求。

　　 立体桁架端部支座节点为项目的关键节点, 该位置通常采用焊接球形式与各杆件连接, 但由于相连杆件管径大, 最大为600mm, 且支座位置连接杆件较多, 如采用焊接球, 球径需大于1 200mm, 目前焊接球的最大加工直径不超过1 000m, 因此, 考虑采用加大的焊接圆管作为节点核心, 其余杆件与节点核心采用圆管相贯焊接, 核心圆管内部根据需要设置多道水平及竖向加劲板, 确保连接的强度及刚度, 立体桁架端部支座构造见图15。

　　 为分析节点的复杂受力, 建立有限元模型如图16所示, 钢管柱、加劲板及杆件的材质均为Q345B, 加劲板及其厚度均为30mm。

　　 当加载至大震及非抗震组合包络荷载工况时, 支座短柱节点部分区域等效应力超过265MPa, 管壁出现截面塑形发展, 需要对短柱节点进行加强。改进方式为短柱加厚至50mm, 最大应力降至245MPa, 管壁未出现塑形发展, 能够满足大震弹性的要求。

　　 结合成都万达城娱雪乐园的特殊功能, 通过方案比较, 其屋盖结构采用了混凝土排架柱+立体钢桁架方案, 对屋盖结构进行分析, 得到以下结论:

　　 (1) 对屋盖体系的竖向承载模式分析表明, 桁架支承点与桁架形心轴的距离越大产生的水平力越大, 提高支承点位置可大幅度优化支座水平推力。

　　 (2) 对垂直排架方向的框架双梁体系的受力性能进行多尺度对比分析表明, 整体分析模型中的框架双梁的计算模拟准确可靠。

　　 (3) 优化屋盖结构布置, 在减小下弦面檩条跨度同时可提高结构的防连续倒塌能力。

　　 (4) 设计焊接柱筒式节点可有效解决相贯焊接的可靠性和可操作性, 经验算节点承载力满足设计需求。