中国(淮安)国际食品博览中心项目位于江苏省淮安市清江浦区,北至枚皋路,西至北京南路,邻近城市门户主要干道G25高速路,为城市门户至市中心的必经地点。项目总建筑面积为127 766.6m²,地上建筑面积为94 112.9m²,包括展览、会议、商业及服务等功能。地下建筑面积为33 653.7m²,主要功能为人防地下室、地下停车库和设备用房。建筑效果如图1所示。

　　 本工程建筑平面为矩形,地上建筑平面总尺寸为288m×171.75m,建筑总高度为37m。主要柱网尺寸为9m×9m,18m×18m。地上4层,首层层高10m,2层层高6.5m,3层层高6.5m,4层层高8m。地下1层,层高6.3m,地下室最大平面尺寸为270.8m×154.4m。屋面最大跨度约90m。

　　 本项目地上为超长建筑,建筑平面总长度达到261m。结合建筑平面布置,并利用1层以上为通高中庭仅局部有通道连接的特点,设置如图2所示的防震缝将结构分为A,B两部分。分缝之后A区地上部分为两栋四层单体,通过比选,西侧塔1采用框架结构,东侧塔2采用框架-剪力墙结构,两栋塔楼通过屋盖连接成一个整体,计算模型如图3所示。本文主要论述对象为A区屋盖结构。

　　 屋盖结构分为两部分,如图4所示,一部分为连接塔1与塔2之间的大跨度部分(跨度为90m,两端支承),一部分为塔2中间会议厅上空36m跨部分(四边支承),两部分交接处均为焊接球节点,通过杆件连为一体。

　　 该部分屋盖跨度较大,设计中需在保证结构刚度的前提下尽量减少用钢量。针对该部分屋盖进行了如图5所示的三种结构布置方案的对比,三种方案采用相同的跨度、结构高度、荷载工况及支承条件:由南至北跨度由54m渐变至90m,结构高度均为4.5m。各方案用钢量及挠度对比结果如表1所示。

　　 由表1可知:1)用钢量方面,由于方案二节点用钢量较大且方案三下弦檩条较长导致次结构用钢量较大,综合考虑方案一用钢量最省,相比其他方案节省约12%;2)结构刚度方面,方案一及方案二整体刚度更好;3)美观性方面,本工程屋盖结构下部设有吊顶,可不考虑结构美观性;4)制作及安装方面,方案三杆件较少,制作较为方便,三个方案均可分段吊装施工,相差不大。

　　 综合以上四个方面的比选,在结构设计中A区屋盖90m跨度部分采用方案一,即正交平面桁架的布置形式。

　　 桁架高度4.5m(端部配合建筑效果高度为10.8m),杆件为Q345B的圆钢管,节点形式为相贯焊节点。如图6所示, X向为主桁架,弦杆规格主要为ϕ219×6～ϕ299×10;Y向为次桁架,弦杆规格主要为ϕ140×4.5～ϕ159×4.5。普通腹杆规格主要为ϕ140×4.5～ϕ168×8,支座腹杆规格主要为ϕ245×7～ϕ299×16。

　　 该部分区域屋盖主要跨度为36m,由于该区域跨度不大,杆件截面较小,采用四角锥网架结构,网架高度为2.4m,节点主要采用螺栓球节点(部分采用焊接球节点)。杆件主要为ϕ60×3.5～ϕ159×8圆钢管,支座杆件主要为ϕ159×6～ϕ180×10圆钢管,钢材均为Q355B。

　　 屋盖X向长度为230m,且最大跨度达90m,对温度及地震作用较为敏感,设计考虑尽可能释放温度及地震作用。为比较不同支座约束条件下的结构表现,对塔1顶部支座进行了三种约束条件(双向固定、X向滑动、双向滑动)的比选,对比结果如表2所示。

　　 通过表2可知,支座形式对支座竖向反力及塔楼顶层最大层间位移角影响不大。塔1顶部支座X向滑动可以有效地减小支座剪力从而减小支座柱的附加弯矩;而Y向所需支座滑动距离过大,支座难以制作且存在坠落隐患。综合以上两点,塔1顶部支座采用X向单向滑动球形钢支座,滑动位移量为±150mm。塔2西侧柱顶为固定铰支座。考虑塔2顶部屋盖长达100m,将东侧支座也设为X向单向滑动球形钢支座,计算得到最大滑动位移80mm,选取位移量±100mm的球形钢支座。支座布置如图7所示。

　　 屋盖结构静力分析主要采用SAP2000 V20软件进行,并使用YJK软件进行设计复核,计算模型均包含下部结构整体。

　　 结构自重;屋面恒载上表面0.45kPa,下表面为金属屋面时取0.45kPa,下表面为室内吊顶时取0.35kPa,马道附加1kPa。恒载有利时折减系数取0.9。

　　 屋面活载0.5kPa,吊挂预留0.2kPa,马道附加0.5kPa,并考虑活载不均匀布置。

　　 按100年一遇,基本风压取0.45kPa,风压高度变化系数取1.5,根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[1](简称荷载规范)计算得到风振系数为1.78,实际根据以往项目经验保守取2.0;体型系数入口大厅室外部分按悬挑考虑取2.0,其余部分按拱形屋面取0.8,并按照过往项目经验考虑1.0kPa向下穿堂风工况。

　　 按100年一遇,基本雪压取0.45kPa,并按荷载规范考虑大跨屋面雪荷载不均匀布置,分布系数最大值和最小值分别取1.2,0.8。

　　 根据当地最高、最低气温计算,升温21.1℃,降温-23.7℃。

　　 屋盖结构在恒载+活载标准值组合下的竖向位移云图如图8(a)所示,其中90m跨部分最大竖向位移为169mm(向下),约为跨度的1/532;36m跨部分会议厅上部最大竖向位移为70mm(向下),约为跨度的1/514;36m跨部分端部悬挑22m处最大位移为80mm(向下),约为悬挑长度的1/275。屋盖结构在0.9恒载+风荷载标准值组合下的竖向位移云图如图8(b)所示,其中90m跨部分最大竖向位移为70mm(向上),约为跨度的1/1 285;36m跨部分端部悬挑22m处最大竖向位移为110mm(向上),约为悬挑长度的1/200。各部分竖向位移均小于跨度的1/250(悬挑1/125)的限值,满足要求。

　　 为研究屋盖对下部结构的约束作用,对比删除屋盖后(屋盖荷载通过节点形式加载在支座顶部)的下部结构变形与整体模型中的变形的差异,以衡量屋盖对下部结构的约束作用。

　　 塔1及塔2在整体模型及分塔模型下的层间位移角对比如图9所示。由图9可知,整体模型和分塔模型层间位移角差异很小,底部楼层基本没有差异,顶层差异也均在10%以内。由此可以看出,屋盖结构对下部结构的约束作用较小。

　　 本工程塔1及塔2由屋盖连接形成连体,塔1为框架结构,塔2为框架-剪力墙结构,结构体系不同。虽然设计中对塔1的层间位移角要求及构件性能水准进行了提高,频遇地震下层间位移角限值由1/550提高为1/650,罕遇地震下由1/56提高为1/74,但两个单元之间变形差仍然存在,本节主要研究频遇及罕遇地震作用下塔1及塔2支座顶部变形差是否在可接受范围内。由于塔1顶部X向的变形已经被释放,本节研究对象主要为Y向变形。

　　 频遇地震作用下,塔1支座顶点最大位移为36mm,塔2支座顶点最大位移为12mm,变形差约为24mm,仅为跨度的1/3750,远小于《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102—2003) ^[2](简称幕墙规范)横梁跨度1/250的要求。

　　 罕遇地震作用下,选取Y向层间位移角最大的地震波,分别提取塔1及塔2支座顶点位移时程并计算差值,得到的顶点位移差值时程曲线,如图10所示。由图10可以看出,最大位移差为120mm,约为跨度的1/750;而且在整体计算过程中,塔1及塔2屋盖顶点位移差较小,即使在罕遇地震下也能满足幕墙规范横梁跨度1/250的要求,不会引起次结构破坏。

　　 设计中采用单塔模型及整体模型包络设计,以考虑位移差导致的结构内力变化。

　　 采用Perform 3D软件对结构进行罕遇地震动力弹塑性时程分析。屋盖钢构件采用SteelBar/Tie/Strut轴力杆单元模拟,采用考虑屈曲的钢材本构及滞回曲线。

　　 采用5条天然波及2条人工波进行分析,地震动峰值加速度220gal,持续时间30s,X,Y,Z三向输入。每条地震波与罕遇地震反应谱吻合均较好,地震波平均反应谱在各周期点上与规范谱差值在20%以内。各条地震波弹性时程与规范谱基底剪力差异均在35%之内,平均剪力差异在20%以内。

　　 屋盖构件临近支座两个网格范围内的弦杆及腹杆均为关键构件,允许轻度损坏;其余杆件均为普通构件,允许部分构件中度损坏。构件损坏评价参考《建筑结构抗倒塌设计规范》(CECS 392—2014) ^[3]相关条文,损坏程度定义如表3所示。

　　 在罕遇地震作用下,屋盖钢构件损伤情况如图11所示。大部分(96%～97%)的构件保持弹性状态,2.5%的构件轻微损坏,0.6%～0.7%的构件轻度损坏,0.2%～0.3%的构件中度损坏,并未有构件重度损坏,其中临近支座两个网格范围内的弦杆及腹杆损坏程度最大为轻微损坏,满足预期的抗震性能目标。

　　 参考《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[4](简称高规),抗连续倒塌能力分析采用高规3.12节建议的拆除构件方法进行设计,拆除杆件选为支座附近的弦杆、腹杆以及关键跨中弦杆。

　　 按拆除构件法逐一拆除罕遇地震下损坏的关键跨中弦杆及应变最大的支座上弦杆、支座下弦杆,然后施加相应的荷载对剩余结构进行计算分析。拆除构件的位置如图12所示。

　　 拆除弦杆后,罕遇地震下屋盖构件最大应力比如表4所示。由表4可以看出,拆除弦杆后屋盖构件最大应力比均小于1.0,满足规范要求。

　　 按拆除构件法逐一拆除罕遇地震下应变最大的支座腹杆,然后施加相应的荷载对剩余结构进行计算分析。拆除构件的位置如图13所示。拆除支座腹杆后,罕遇地震下屋盖构件最大应力比如表5所示。由表5可以看出,拆除支座腹杆后屋盖构件最大应力比均小于1.0,满足规范要求。

　　 (1)中国(淮安)国际食品博览中心A区屋盖经方案比选,秉着最少的用钢量提供最大的刚度的原则,90m跨部分最终选择正交平面桁架结构体系,36m跨部分采用四角锥网架结构体系。屋盖跨度较大,为释放温度及地震作用,经过方案比选,塔1顶部及塔2东侧顶部支座选用X向单向滑动球形钢支座,塔2西侧顶部支座采用固定铰支座。

　　 (2)采用SAP2000软件建立模型,对屋盖钢结构进行深入分析,计算得到杆件应力、结构变形等均满足要求。通过对比分塔及整体模型层间位移角、塔1及塔2之间顶点位移差可知,屋盖对下部结构的约束作用较小且两栋塔楼之间位移差较小,即使在罕遇地震下也能满足幕墙规范横梁跨度1/250要求,不会导致次结构破坏,进一步证明了支座选择的合理性。

　　 (3)通过罕遇地震动力弹塑性分析得出,屋盖结构构件在罕遇地震作用下仅少数杆件屈服,且支座附近杆件最大仅为轻微损坏,仍能继续工作。结合抗连续倒塌结果,在地震过后,个别杆件损坏的情况下,屋盖整体结构也能保持完整,不会出现倒塌。