郴州市国际会展中心(图1)位于湖南省郴州市新城区,占地面积13.37万m²,总建筑面积约58 821 m²,是一座现代化的大型会展场馆。2010年设计,2014年投入使用,为第三届国际矿物宝石博览会主会场。建筑设计以郴州山、水自然风貌特色为设计理念,将郴州的山形水势抽象再现,“存其意、取其形、求其势”。郴州市国际会展中心建筑波澜回转,犹如重峦叠嶂的罗霄山脉,湛蓝的玻璃幕墙跟随山势起伏,正如蜿蜒曲折的东江水系。

　　 郴州市国际会展中心平面形状为长方形,东西方向长约290m,南北方向宽约130m,屋盖最高点标高约为41.2m。建筑地上2层,局部地下1层。建筑依地形而建,北边室外与1层相连,南边室外与2层相连。

　　 工程设计使用年限为50年,建筑安全等级为二级,抗震设防类别为重点设防类(乙类),基本设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.35s,基础设计等级为乙级。

　　 郴州市国际会展中心主体根据建筑功能的要求,采用了由圆钢管混凝土柱、型钢混凝土柱、钢筋混凝土柱、钢结构柱、型钢混凝土梁、预应力混凝土梁、钢筋混凝土梁、钢结构梁、钢结构支撑等组成的混合框架-中心支撑结构体系。楼盖采用现浇钢筋混凝土梁板体系,混凝土强度等级为C40。

　　 根据建筑功能的要求,落地屋盖采用空间钢桁架结构,钢材采用Q345B。沿南北方向在④,⑥,⑧,(13),(15),(17)轴布置6道倒三角形主桁架作为屋盖的主要支撑结构。一级次桁架沿东西方向布置,采用平面桁架,两头落地,中间支承于主桁架上。在主桁架之间布置二级平面次桁架,以保证一级次桁架的平面外稳定。同时,在屋盖上弦设置水平交叉支撑。

　　 由于建筑物东西方向长约为290m,属于超长结构,结构利用建筑防火分区,在⑧,(13)轴处设置伸缩缝,将下部混凝土结构分成独立的3个区域,但基础不脱开,上部钢结构屋盖也不设缝。同时,在⑧,(13)轴设置柱间支撑。结构空间布置如图2所示,2层结构平面布置见图3, ⑧轴钢支撑布置如图4所示,北侧“聚宝盆”门厅结构布置如图5所示,钢屋盖结构平面布置如图6所示,一级次桁架详图如图7所示。

　　 展厅的柱距为18m×18m,支撑屋盖框架柱采用圆钢管混凝土柱,直径为1 200mm,壁厚为30mm,内填充C40高性能自密实混凝土,其余柱采用钢筋混凝土柱,直径为1 200mm。

　　 与钢筋混凝土柱相连的框架梁,均采用预应力混凝土梁,梁截面为600×2 000。与圆钢管混凝土柱相连的框架梁,一个方向采用型钢混凝土梁,另一个方向采用预应力混凝土梁,梁截面均为600×2 000。在框架柱之间设置了“三横三纵”井字次梁,梁截面为400×1 400。楼板厚度均为160mm。

　　 ⑧,(13)轴的柱间交叉钢支撑采用方钢管,截面为□600×800×25×25。屋盖钢结构杆件采用圆钢管,杆件节点采用空间相贯节点 ^[1]。其中,主桁架高度为4.5m,跨度最大为52.5m,上弦杆截面为ϕ400×20,下弦杆截面为ϕ600×35,腹杆截面为ϕ180×8。一级次桁架高度为3.5m,跨度最大为54m,弦杆截面为ϕ325×12,腹杆截面为ϕ180×6。二级次桁架高度为3.5m,跨度为7.5m,弦杆截面为ϕ245×12,腹杆截面为ϕ180×6。

　　 首先对结构进行了模态分析,表1为单独下部混凝土主体结构、上部钢结构屋盖以及整体结构的前6阶振型的周期,图8为钢结构屋盖典型振型。

　　 结构振型有如下特点:1)与下部混凝土主体结构相比,整体模型结构频谱特性丰富,周期变长; 2)与上部钢结构屋盖相比,由于钢结构屋盖落地,支撑结构刚度较大,周期相近; 3)屋盖结构跨度大,荷载大,局部振型明显; 4)结构前12阶振型均表现为上部钢结构屋盖的局部竖向振动。

　　 2层柱距为18m×18m,建筑使用功能为展览,人群密集,人行走下楼盖振动舒适度的计算和控制显得尤为重要。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[2](简称高规)有相关规定,主要控制楼盖振动峰值加速度和楼盖竖向自振频率。

　　 郴州市国际会展中心整体结构模型计算表明,2层楼盖竖向第1自振频率为3.65Hz>[3Hz],满足高规要求。同时,对2层楼盖进行了振动加速度分析。分析中考虑了人员密集步行通过和多人跑步穿行两种激励工况:1)激励工况1,人员密集步行通过,人员密度按2人/m²取用。人正常行走的频率为1.6～2.4Hz ^[3],取2.0Hz进行计算。2)激励工况2,较少人员跑步穿行,人员密度按0.2人/m²取用。人跑步频率为2.0～3.5Hz,取3.0Hz进行计算 ^[4]。

　　 每个人员的重量取为0.7kN,激励时程曲线见图9,10。激励工况1,2对应的2层楼盖最不利点的竖向振动加速度峰值分别为9.92,12.43cm/s²,均小于15cm/s²,详见图11,12,楼盖舒适度满足要求。

　　 郴州市国际会展中心主体设置了2道伸缩缝,设缝后混凝土结构最大长度为130m,远远超过了《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010) ^[5]中第8.1.1条对伸缩缝的要求。为减小温度作用和收缩变形对钢筋混凝土结构的不利影响,并且防止混凝土裂缝的产生,设计中采取的措施主要分为构造措施和结构计算两方面。

　　 (1)设置后浇带。每40m左右留设后浇带,后浇带采用比相应结构部位高一级的微膨胀混凝土浇筑,在其相邻构件浇筑不少于2个月后进行封闭,并控制封闭时的气温为+15℃。

　　 (2)梁板中配置纵向通长钢筋。

　　 (3)根据楼盖温度应力计算结果,在楼板中设置1Uϕ^s15.2@350预应力钢筋,双向通长布置。

　　 (4)采用补偿收缩混凝土,减小混凝土收缩裂缝。

　　 (5)严格控制混凝土的砂率、水灰比和坍落度。要求将砂率控制在38%以内,水灰比小于0.5,坍落度在12cm左右,使其既满足泵送混凝土的施工要求,也尽可能减小水化热。

　　 (6)加强养护。采用覆盖草包、浇水等养护措施,保证混凝土在湿润条件下硬化 ^[6]。

　　 对楼盖的温度应力进行了计算。温差计算时考虑了季节温差、混凝土收缩和徐变的影响,最终温度荷载取值如下:室内混凝土结构温差±15℃,室外混凝土结构温差±25℃。由于混凝土收缩引起的结构变形和应力分布均与降温效果类似,计算中将混凝土最终收缩应力等效为降温作用引起的应力加以考虑。

　　 根据温度应力计算结果(图13,14)可知:降温荷载产生的纵向拉应力和横向拉应力分布较为均匀,平均收缩应力为1.5～2.8MPa。少数区域纵向拉应力和横向拉应力较大,平均收缩应力3.0～3.6MPa,最大可达5.0MPa。

　　 根据楼盖温度应力计算结果,由于在楼板中配置了双向通长预应力钢筋,抵消了绝大部分由于温度作用导致楼板产生的拉应力,温度作用对框架梁和框架柱产生的内力可忽略不计。

　　 对边界条件特别复杂的构件,需要用屈曲分析来研究其稳定情况,确定计算长度等设计参数 ^[7]。

　　 在本工程中,支撑屋盖的柱采用圆钢管混凝土柱。由于屋盖高低起伏, 支撑屋盖的圆钢管混凝土柱长短不一。而且钢屋盖结构布置错综复杂,整体刚度较大,其与圆钢管混凝土柱相互约束。这些将导致支撑屋盖的圆钢管混凝土柱的计算长度系数不尽相同。

　　 为准确反映支撑屋盖的圆钢管混凝土柱所处的受力、刚度和边界情况,采用整体模型进行特征值屈曲分析。主要考察支撑屋盖的圆钢管混凝土柱的屈曲形态,分析过程中等比例地增大各支撑柱的应力刚度矩阵(即等比例加大各支撑柱顶所受的集中荷载),从而诱发支撑柱率先屈曲,钝化屋盖自身的屈曲形态。

　　 由欧拉公式可知,轴心受压杆件的临界荷载P_cr=π²EI/(μl)²,可得支撑屋盖的圆钢管混凝土柱的计算长度系数$\mu =\sqrt{\text{π}{}^{2}E{\rm I}/{\rm P}{}_{\text{c}\text{r}}l{}^2}{}^{[8]}$。

　　 采用上述方法得到各支撑柱的计算长度系数在1.3～1.6之间。为偏安全考虑及计算方便,支撑屋盖的圆钢管混凝土柱计算长度系数统一取1.6。

　　 本工程柱跨较大,荷载较大,结构根据需要采用了多种构件类型,节点构造复杂 ^[9,10]。针对具体情况,选取了3个典型节点进行了有限元分析,具体情况如下: 1)节点1(图15),此节点为铸钢节点,位于“聚宝盆”门厅2层处。下柱为直柱,上柱为斜柱,均为圆钢管混凝土柱,2层处有4根非正交的型钢混凝土梁与之相连。2)节点2(图16),此节点为单边带上下斜撑的梁柱节点,位于2层⑧轴、(13)轴交Ⓒ轴处。上、下柱均为圆钢管混凝土直柱,2层处有3根正交的型钢混凝土梁与之相连,节点南侧有上下两道钢斜撑与节点相连。3)节点3(图17),此节点为梁柱连接典型节点,位于2层。上、下柱均为圆钢管混凝土直柱,2层处有4根正交的框架梁与之相连,其中一个方向为型钢混凝土梁,另一个方向为预应力混凝土梁,柱头圆钢管上对称位置均开2排共4道穿预应力钢筋孔。

　　 利用 ANSYS 软件建立计算模型,混凝土用 Solid65 单元模拟,型钢采用Solid45单元模拟,整体式模型中的各受力钢筋参数采用Link8单元模拟。同时,型钢采用双线性随动强化模型,钢筋采用ANSYS程序中的理想弹塑性材料模型。

　　 有限元建模时采用实体单元,荷载直接作用于相应杆件上,计算中按1.3倍设计荷载进行受力验算。

　　 图18～20有限元分析结果表明,3个节点局部区域应力水平较高,但面积较小,其余区域应力均在200MPa以下,节点整体处于弹性受力范围。

　　 为进一步验证节点的安全性,对节点2和节点3进行了足尺试验。节点2,3的千斤顶布置见图21,22。试验时在梁、柱、支撑的相应位置粘贴了应变片,并且设置了位移计。试验结果表明:1)节点2和节点3的最大加载值为1.5倍设计荷载; 2)混凝土表面未出现开裂,钢骨和钢管也未出现屈服,节点的承载力满足设计要求,并有足够的安全储备。

　　 通过对复杂节点进行有限元分析和足尺试验,确保了节点设计的安全、可靠,满足“强节点、弱构件”的设计要求。

　　 (1)由于钢、混凝土两种材料本身的材料特性差异以及钢屋盖和下部混凝土主体结构之间结构布置的差异,考虑上下部协同工作、对结构进行整体分析是非常必要的。

　　 (2)大跨度楼盖具有阻尼小、竖向刚度小、基频低的特点,对楼盖结构进行舒适度分析非常重要。通过人员密集步行通过和多人跑步穿行等工况分析表明,本工程楼盖结构具有适宜的刚度和人行舒适度。

　　 (3)郴州市国际会展中心楼盖属于超长混凝土结构。结构设计中通过结构计算和在楼板中设置预应力钢筋等措施,减小了温度作用和收缩变形对钢筋混凝土结构的不利影响。

　　 (4)从稳定分析的原理出发,运用屈曲分析法求解支撑屋盖的圆钢管混凝土柱的计算长度系数是一种行之有效的方法。在求解的过程中,需综合考

　　 虑受力、刚度和边界情况,合理的参数设置能够在确保计算精度的前提下,大量地节约计算分析时间。

　　 (5)复杂节点设计缺乏规范指导,对其进行节点有限元分析,并通过足尺试验加以验证,确保节点设计的安全、可靠,并有一定的安全储备。

　　 说明:郴州市国际会展中心获2016年度湖南省优秀工程设计一等奖,2017年度全国优秀工程设计二等奖,2013年中国钢结构金奖,2014～2015年度中国建设工程鲁班奖。