苏州浒墅关文体中心项目位于苏州市虎丘区, 总占地面积为12 150m², 建筑面积为23 049m², 项目主要功能区——电影院、游泳馆、篮球馆、羽毛球馆都属于大空间, 建筑整体造型如图1所示。

　　 建筑地下一层, 地上五层, 地下室埋深为-4.9m, 地上高度为23.1m, 建筑主体剖面如图2所示。地下一层局部为6级人防, 一层为游乐场和培训室, 二层以上整个建筑分为左右两个部分, 左边为羽毛球馆、篮球馆, 右边为电影院、游泳馆。羽毛球馆平屋面为钢桁架结构, 篮球馆、游泳馆屋面为拱形钢桁架组成的折线形屋面, 其余屋面为普通钢筋混凝土屋面。二层室外中庭上方为玻璃顶钢网格屋面, 架设于左右两个建筑之上。南北立面为曲线幕墙, 连接左右两个建筑。

　　 结构设计基准期和设计使用年限均为50年, 结构安全性等级为一级。抗震设防类别为重点设防类, 抗震设防烈度为7度 (0.10g, 第一组) ^[1], 建筑场地类别为Ⅲ类, 特征周期为0.45s, 地面粗糙度为B类, 基本风压为0.45kPa^[2]。结构嵌固层设在地下室顶板, 框架抗震等级为二级, 大跨框架抗震级提高至一级。

　　 本工程采用钢筋混凝土框架带局部支撑的双塔结构, 整个结构左右两部分抗侧力构件布置方向不一致, 且结构底盘平面 (二层平面) 呈斜L形, 导致二层扭转位移比及偏心率比较大, 在设计中需增加大二层抗扭刚度并减小偏心率;二层以上分成左右两个单塔, 二层楼面是竖向体型突变部位, 楼板承担很大的面内应力, 对上部结构有嵌固效应, 需增加其刚度。综合上述原因, 在一至二层两个塔楼投影范围内局部设置南北向柱间交叉混凝土斜撑, 以增加二层的抗扭刚度及结构底盘刚度, 如图3所示。如采用钢支撑, 数量需求较多, 不易满足建筑功能要求, 施工较麻烦, 且增加竖向抗侧力构件类型, 故此处支撑采用混凝土支撑, 并能与二层西侧悬挑处斜柱一同构成框架+局部支撑结构体系。

　　 羽毛球馆、篮球馆及游泳馆钢桁架屋面两端通过固定铰支座与混凝土结构相连;中庭玻璃顶钢网格结构, 在满足结构自身整体刚度要求和减小结构自身温度效应原则的基础上, 通过滑动铰支座与两侧混凝土结构连接;南北两侧曲面幕墙通过由主体结构外挑的型钢混凝土梁、矩形钢管梁及钢管二力杆作为支撑, 为曲面幕墙结构提供足够的抗侧刚度。建筑整体结构模型如图4所示。

　　 选用SATWE及ETABS两种软件分别对结构在风荷载及多遇地震作用下的各种工况进行弹性分析, 并对多塔及分塔模型进行包络设计。考虑到结构抗侧力构件有三个主方向, 故计算地震作用时附加与另外两个主抗侧力方向相应的地震方向角度, 即-36°和-69°。同时将电影院设备层及其上一层强制指定为薄弱层, 薄弱层地震剪力放大系数取1.25, 以考虑电影院设备层大开洞的不利影响。弹性分析时结构阻尼比取为0.05, 计算结果如表1所示。从计算结果看, 本项目结构体系及受力是合理的, 各项指标均能满足规范要求。

　　 为保证上部结构地震作用可靠地传递到下部结构, 对本项目采取如下抗震计算及构造措施:开大洞的电影院楼层按弹性板进行计算;对因楼板开大洞形成的跃层柱, 按其实际计算长度进行设计, 并以非跃层柱的地震剪力复核此跃层柱设计;游泳馆的大跨框架 (梁、柱) 设计为型钢混凝土 (SRC) 构件, 抗震等级提高一级。将二层楼板板厚加大为150mm, 采用双层双向配筋, 控制配筋率不小于0.25%;并将二层及其相邻上层塔楼周边构件的抗震等级提高一级, 配筋率相应提高, 柱箍筋全高加密。对二层设置局部钢筋混凝土斜撑区域的结构构件, 设计时按有斜撑和无斜撑的模型进行包络设计;并将二层与斜撑相交的梁截面加大, 在不考虑其周围楼板的作用下, 对此楼面梁按拉弯构件进行复核计算, 同时按各塔楼单体模型与整体模型分别计算, 包络设计。

　　 考虑到本工程不规则程度较高, 体系较复杂, 需对其中一些关键构件进行性能设计。其中对支承大跨曲面幕墙钢结构和大跨钢桁架屋面的竖向构件, 以及泳池大跨框架, 按中震抗剪弹性、抗弯不屈服进行性能设计。采用SATWE 软件分别对结构进行中震不屈服和中震弹性计算。限于篇幅, 本文仅列出4根柱的中震分析结果, 柱位置如图5所示, 计算结果如表2和表3所示。由计算结果可知, 选定的关键竖向构件受剪满足中震弹性要求, 受弯满足中震不屈服要求。

　　 羽毛球馆钢桁架平屋面结构尺寸约为33.6m×44.8m, 结构形式为横向主受力桁架+纵向支撑桁架+屋面钢梁+组合楼板, 如图6所示。主受力桁架的跨度为33.6m, 每榀间隔8.4m, 共计5榀, 纵向支撑桁架设置于主受力桁架之间, 沿横向每8.4m设置1榀, 共计3榀。

　　 主受力桁架杆件中心线高度为3m, 跨高比为11.2, 桁架两端通过抗震球型钢铰支座连接, 搁置于下部混凝土柱顶, 上弦杆截面为□400×300×14×14, 下弦杆截面为□300×300×20×20, 斜腹杆截面为□250×250×14×14和□150×150×6×6;纵向支撑桁架两端通过抗震球型钢铰支座连接, 上弦杆截面为□300×200×12×12, 下弦杆截面为□250×250×12×12, 斜腹杆截面为□200×200×12×12和□150×150×6×6。屋面钢梁采用H型截面, 梁两端与桁架铰接, 钢梁截面为H400×300×8×14 (用于中部) 和H300×200×8×14 (用于边部) , 屋面采用压型钢板组合楼板, 厚度为120mm。

　　 屋面普通钢梁最大的应力比为0.514;主受力桁架最大的应力比为0.626, 位于中部主受力桁架上弦;纵向支撑桁架最大应力比为0.531, 位于中部纵向支撑桁架端部斜腹杆, 平屋面桁架杆件截面满足承载力极限状态的要求。桁架的挠度最大值为59mm, 挠跨比为1/569, 满足正常使用极限状态要求。

　　 拱形钢桁架屋面部分共两块, 篮球馆侧屋面结构尺寸约为25.1m×36.4m, 游泳池侧屋面结构尺寸约为26.4m×64.5m。屋面结构形式为:横向主受力拱形桁架+侧向支撑斜桁架+轻钢屋面, 如图7所示。结构布置信息见表4。拱形桁架上下弦杆截面为ϕ300×10, 拱面内竖杆的截面为ϕ100×8, 拱形屋面侧向支撑桁架杆件截面为ϕ180×8。

　　 由于拱形桁架没有与之垂直的纵向支撑桁架, 而是通过相邻拱形桁架上下弦间的侧向支撑将整个屋面连为一体, 形成多折线形非常规屋面结构, 为考察拱形桁架结构的整体稳定性能, 防止连续倒塌, 对结构进行特征值屈曲分析。在1.0恒荷载+1.0活荷载作用下, 篮球馆上部拱形桁架折线形屋面结构屈曲时的临界荷载系数为22.66, 游泳馆上部拱形结构屈曲时的临界荷载系数为16.64, 结构整体稳定性能好, 可不计结构二阶效应。

　　 经计算, 篮球馆拱形屋面主拱最大应力比为0.459, 侧向支撑桁架杆件最大应力比为0.517。主拱最大挠度为18mm, 挠跨比为1/1 482, 侧向支撑杆件挠度为12mm, 挠跨比为1/458, 满足规范要求。游泳池拱形屋面主拱最大应力比为0.593, 侧向支撑桁架杆件最大应力比为0.836。主拱最大挠度为30mm, 挠跨比为1/880, 侧向支撑杆件挠度为8mm, 挠跨比为1/725, 满足规范要求。

　　 中庭玻璃顶钢网格结构坐落于两侧塔楼中间^[3], 为空间曲面网格, 结构尺寸约为16.8m×37m, 局部位置跨度约为22.5m, 结构平面布置如图8所示, 杆件截面主要为□400×150×6×8。结构总体采用弱连接原则与两侧混凝土结构连接, 篮球馆侧采用单向滑动铰支座连接, 游泳馆侧采用双向滑动铰支座连接。同时为满足结构整体刚度的要求, 并减小结构温度效应, 在篮球馆侧布置一个抗震球型固定铰支座, 并在篮球馆侧及游泳馆侧分别布置两个普通橡胶支座, 支座连接如图9所示。

　　 为加强结构的整体稳定性能, 对结构周圈的刚度予以提高, 东西两侧与主体结构相接的封边钢梁截面采用□450×450×20×20, 南北两侧边梁截面采用□ (450～800) ×150×12×20, 同时整体网格通过起拱加强面外刚度, 拱高约为1.5m。对结构的整体稳定性进行特征值屈曲分析。在1.0恒荷载+1.0活荷载作用下, 结构的屈曲模态如图10所示, 临界荷载系数为54.95, 可不计结构二阶效应。

　　 根据《空间网格技术规程》 (JGJ 7—2010) ^[4]的要求, 采用考虑几何非线性的全过程分析方法对网格结构进行计算, 网格结构初始缺陷最大值取为跨度的1/300, 即56mm。计算结果见图11, 当荷载系数达到14时, 结构仍未达到稳定临界状态, 且荷载系数大于10, 结构整体稳定满足要求。

　　 考虑结构合拢温度为15～20℃, 升温温差取+35℃, 降温温差取-20℃。基本风压取0.45kN/m², 风压体型系数取1.6, 风吸体型系数取-1.3, 局部取-2.0, 风振系数取2.0。基本雪压为0.4 kN/m², 考虑积雪堆积, 与高屋面相接处, 雪压取0.8kN/m²。经计算中部主要杆件应力比为0.2～0.4, 边部杆件应力比最大值为0.8, 满足承载力极限状态的要求。中部最大挠度约为40mm, 挠跨比为1/420, 满足规范要求。

　　 南北两侧弧形曲面幕墙结构支承于两侧主体结构上, 曲面幕墙结构最大跨度约为25m, 网格大小为 (0.6～1.0) m× (1.5～1.8) m。普通网格构件截面为□200×100×6×6, 与主体外伸梁相接位置网格构件截面加大为□200×200×12×12, 同时曲面幕墙网格上下边部截面加强为□200×200×6×6, 结构布置如图12所示。结合主体混凝土结构布置, 在楼层处设置外挑梁, 采用型钢混凝土梁、矩形钢管梁和钢管二力杆三种形式与曲面幕墙网格连接, 支座布置及连接如图13所示。外挑型钢混凝土梁刚支座将曲面幕墙网格与左右两侧塔楼连接, 同时还将参与抵抗地震作用下两座塔楼间的相互作用, 型钢混凝土梁截面为450×750, 内含H400×200×20×25型钢。矩形钢管梁铰支座用于传递幕墙本身的竖向荷载及风荷载, 矩形钢管截面为□400×200×20×25。此外, 在曲面幕墙网格底部设置钢管二力杆与主体结构相连, 传递幕墙风荷载, 杆件截面为ϕ180×12。

　　 为考察结构的整体稳定性能, 进行特征值屈曲分析。在1.0恒荷载+1.0风荷载作用下, 南侧曲面幕墙结构最小临界荷载系数为49.6, 北侧曲面幕墙最小临界荷载系数为44.09, 可不计结构二阶效应。南北两侧曲面幕墙结构临界屈曲模态如图14, 15所示。

　　 温度荷载考虑合拢温度为15～20℃, 升温温差取+35℃, 降温温差取-20℃。基本风压为0.45kN/m², 考虑多种风向的风荷载, 风振系数取2.0。由于南北曲面幕墙钢结构把东西两座塔楼联系在一起, 故将结构东西两座塔楼、钢屋面、钢网格等部分和南北曲面幕墙结构组合在一起, 采用组装模型对此大跨曲面幕墙结构在各工况下进行截面承载力验算, 地震作用取为中震。经计算杆件应力比最大为0.77, 结构能达到中震弹性的性能水准。考虑1.0恒荷载+1.0风荷载 (满布最大风压) 下, 结构最大节点位移为10.5mm, 挠跨比约为1/2 100, 满足使用要求。

　　 苏州浒墅关文体中心项目是体型复杂、功能多样的文化综合类建筑, 存在大底盘双塔、大跨屋面、复杂幕墙连接体等复杂结构形式。对大跨钢屋面采用双向桁架结构来保证其自身空间稳定性, 并采用抗震球型铰支座与混凝土结构连接, 减小二者的相互影响。对双塔间的玻璃顶网格, 通过起拱加强其面外刚度并减小构件截面尺寸;并通过设置各种形式的支座实现与主体结构的弱连接, 保证结构刚度的同时减小温度荷载效应。对南北大跨曲面幕墙结构, 通过采用强连接与弱连接相结合的方式, 减小对混凝土主体结构影响并保证自身的安全性。对下部主体混凝土结构的关键竖向构件按中震抗剪弹性、抗弯不屈服进行性能设计, 通过采取各种适当的抗震计算及构造措施, 缓解竖向刚度突变部位和平面薄弱部位在地震作用下的应力和变形集中程度, 提高结构的抗震性能, 保障整体结构的安全。