国家会展中心(上海)配套的能源中心,位于上海虹桥商务区进口博览会场馆主入口的东面。能源中心有2座大型蓄水罐,蓄水罐本体是由专业厂家提供的配套钢结构,直径24.4m,高度30m,蓄水体积1.2万m³,两罐之间净距4m。由于进口博览会建筑功能提升,需在水罐外侧设置幕墙,水罐改造前实景图详见图1,改造后实景图详见图2,钢框架施工现场详见图3。

　　 本幕墙支承结构的安全等级二级,结构重要性系数1.0,基础设计安全等级二级,地基基础设计等级乙级。抗震设防烈度7度,场地类别Ⅳ类,特征周期0.9s。基本风压为0.55kN/m²,地面粗糙度类别B类。室外钢结构温度取±30℃,钢结构施工合拢温度取20℃。

　　 本幕墙支承结构为钢结构,结构设计具有以下特点及难点:1)工期较紧,设计与施工周期总计3个月。紧凑的工期需要设计满足构件标准化、轻型化的要求,同时构件连接采用螺栓连接以实现快速安全的施工。2)现场施工场地局限。蓄水罐北侧及西侧均为设备用房,水罐距相邻结构最小间距仅有7m。3)场地内地下管线较多。经物探检测,蓄水罐基础1.5m范围外,燃气管、水管较为密集。4)独立结构为暴露钢结构,在施工和使用阶段,由于年温差变化、日照温差变化等引起的效应不容忽视。

　　 基于以上特点,结构体系应满足受力合理、施工快捷、对场地环境影响小的要求。

　　 结构体系比选考虑两种承重方案:附着式和自立式。

　　 附着式结构方案是依附于水罐的预应力拉索结构,无需新增基础,环向预应力拉索沿竖向设置2～3道,水平向的预拉力使幕墙结构紧紧抱箍于水罐结构,两者之间的摩擦力可平衡幕墙结构的竖向荷载。由于蓄水罐在施工过程中需保持正常运行,且不具备承载幕墙系统的条件。因此,幕墙支撑体系需完全独立于蓄水罐,并形成自立式的结构体系。

　　 自立式结构方案最初以单榀桁架为研究对象,逐步拓展为空间结构体系。以三种空间结构方案为研究对象,分析钢支撑在空间结构中的刚度贡献作用。三种空间结构方案布置详见图4～6。

　　 三种空间结构方案分别为:无支撑钢框架空间结构方案(简称无支撑方案); 柔性支撑满布钢框架空间结构方案(简称柔性支撑方案),支撑截面采用ϕ40圆钢支撑,支撑满布; 刚性支撑钢框架空间结构方案(简称刚性支撑方案),支撑截面采用焊接H型钢H200×250×12×12,支撑棋盘式布置 ^[1,2,3]。

　　 为定量评价空间钢结构的整体空间作用,本文提出两种指标,指标1为基于倾覆力矩的空间作用指标γ₁:

　　 $\gamma {}_1=1-\frac{{\rm M}{}_{\text{y}\text{t}\text{r}\text{u}\text{s}\text{s}}}{{\rm M}{}_{\text{y}}}(1)$

　　 式中:M_y为风荷载作用下空间结构总倾覆力矩; M_ytruss为各榀桁架部分倾覆力矩之和,${\rm M}{}_{\text{y}\text{t}\text{r}\text{u}\text{s}\text{s}}=2{\displaystyle \sum \left(F{}_{\text{z}1i}-F{}_{\text{z}2i}\right)}\Delta {}_{\text{y}i}(i=1\sim 17)$,如图7所示。

　　 单榀桁架的倾覆力矩为桁架竖向弦杆的竖向反力差与力臂Δ_yi的乘积,单榀桁架相对于自身的倾覆力矩为$\left(F{}_{\text{z}1i}-F{}_{\text{z}2i}\right)\Delta {}_{\text{y}i}$,如图8所示。

　　 无支撑方案、柔性支撑方案、刚性支撑方案倾覆力矩对比见表1。刚性支撑方案γ₁=96.1%,表明结构的空间整体作用占绝对主导,单榀桁架自身抗倾覆作用未充分表现。无支撑方案γ₁=36.7%,表明结构的空间整体作用较弱,以单榀桁架自身抗倾覆作用为主。柔性支撑方案γ₁=90.8%,与刚性支撑方案相比,空间作用略弱。

　　 刚性支撑方案的桁架自身抗弯刚度对整体结构及单榀桁架抵抗水平变形来说,可以忽略。同样地,就结构抗倾覆承载能力而言,桁架自身抗弯作用对于整体结构的承载力贡献较小。

　　 指标2为基于顶点位移的空间作用指标γ₂:

　　 $\gamma {}_2=1-\frac{\Delta {}_i/{\rm H}}{\Delta {}_0/{\rm H}}(2)$

　　 式中:Δ₀为无支撑方案的最大顶点位移; Δ_i为柔性或刚性支撑方案的最大顶点位移; H为结构总高度。

　　 三种方案在y向风荷载作用下结构的水平位移云图见图9。基于顶点位移的空间指标详见表2。

　　 由图9及表2可知:1)刚性支撑方案在风荷载作用下的顶点位移较小,且结构的变形模式趋向于支撑筒结构的整体变形模式,侧向力通过刚性支撑和竖向桁架直接传递给基础,结构的整体作用较强。2)柔性支撑方案中支撑无法受压,侧向力以受拉支撑作为主要传力构件传递给基础; 侧向风荷载作用下的变形是刚性支撑方案的2.72倍。3)无支撑方案的变形模式表现为各榀桁架自身的弯曲变形和剪切变形,桁架与桁架之间的空间变形协调作用未充分表现出来,各自较为独立地抵抗侧向风荷载。

　　 刚性支撑方案与柔性支撑方案均可较好地发挥空间作用。但柔性支撑方案在抵抗侧向力时,约一半数量的柔性支撑会因受压而屈曲,屈曲的支撑无法提供抗侧刚度; 要达到相同的抗侧刚度,则要增加一倍的支撑截面面积; 增加的支撑会带来结构的刚度增加,进而导致在升温工况下产生过大的温度应力。

　　 综合以上因素,结构方案最终选择刚性支撑方案。结构体系为34榀单榀竖向桁架、空间斜撑、2道水平环桁架及水平环梁组成的8字形钢框架支撑空间,平面布置及立面展开详见图10,11。主要构件尺寸详见表3。整个钢结构总重量6 520kN,按展开面计算,平均每平方米重量为1.25kN。

　　 结构分析采用3D3S空间分析软件 ^[4],选取了前120阶振型,x,y,z三个方向质量参与系数均大于90%。结构周期与前3阶振型详见表4及图12。

　　 与常规建筑结构相比,本结构的竖向荷载小,结构的抗侧刚度大。两个支撑筒刚度较大,两个筒的振动表现出较强的耦合作用。

　　 根据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017) ^[5],在风荷载、多遇地震作用下多层钢结构的弹性层间位移角不宜超过1/250。本结构的结构层选取水平钢梁所在层,风荷载、多遇地震作用下的弹性层间位移角如表5所示,满足规范要求。

　　 为分析结构的屈曲模态,采用特征值屈曲分析来评价结构的稳定承载力。本项目考虑工况(1.0×结构自重+1.0×附加恒载+λ×y向风荷载)作用下,前3阶失稳模态及整体屈曲因子λ如图13所示。

　　 上述结果表明,结构具有很高的整体屈曲因子,局部杆件屈曲先于整体屈曲。

　　 本项目是室外围护的幕墙钢结构,钢结构合拢温度13～26℃。温度作用设计值取升温工况+30℃,降温工况-30℃ ^[6]。

　　 无论是否有支撑,由于基础对上部结构的强位移约束、层层环梁的套箍作用,升温降温均会引起一定的温度内力。刚性支撑方案的约束较强,会造成温度作用下大部分柱脚反力增加。同时,加支撑会改变温度作用下柱脚反力分布。无支撑方案和刚性支撑方案在温升工况下的竖向反力分量值见表6(取1/4部分结构的支座反力来说明,拉为正,压为负,支座编号见图14)。除支座4,12,13,15,17外,其余支座在升温工况下的反力,均比未考虑温度作用的反力大。

　　 原蓄水罐采用桩筏基础,基础高1.6m,直径26m; 桩型为预应力混凝土管桩,每个罐下139根桩,两个蓄水罐总计278根,单根预制管桩竖向承载力设计值为1 200kN,桩长38m,桩端持力层为⑦₂粉砂层,原蓄水罐桩基图详见图15。

　　 蓄水罐基础外侧约1.5m范围外管线密集,且距相邻建筑较近,基础施工条件较差。因此,提出两种基础方案进行对比分析,如图16所示。

　　 方案A:钢框架完全落在新基础,新基础宽度1.6m; 新建基础承担所有竖向荷载及水平荷载作用。方案B:钢框架内钢柱落至老基础,外钢柱落至新基础,新基础宽度1.0m。外柱脚待竖向荷载完成后延迟安装,竖向荷载通过内柱脚传至老基础,而外柱脚与内柱脚共同抵抗水平荷载下的倾覆力矩。

　　 两种后置基础方案各有优缺点,方案A受力简单直接、安装方便,但对地基承载力和场地条件要求高。方案B对地基承载力要求低且对周边环境影响较小,但对施工要求较高。由于本项目受工期及场地限制,综合考虑,选择方案A作为施工图的基础方案。

　　 由于幕墙支承钢结构自重较轻,新建基础采用天然基础,埋深及基础高度同老基础,新基础平面布置图见图17。本文提出一种解决新老基础抗倾覆作用的抱箍节点。

　　 在既有混凝土基础的侧表面凿出凹槽(图18),将新建浅基础直接浇筑在既有基础周边,新建浅基础紧密贴合既有基础,形成闭合环状浅基础。新老基础的紧密贴合作用会限制新基础在倾覆力矩作用下的刚体转动,实现新老基础之间的自锁效应。通过自锁效应,新建的环状基础作为一个整体抵抗倾覆力矩。该抱箍节点一方面利用整体环状基础截面惯性矩远大于分离式基础截面惯性矩的特性,大大降低基底压应力的最大值,从而易于满足地基承载力的要求; 另一方面利用界面自锁效应,将倾覆力矩转化为界面承压作用,从而避免基底零应力区的不利影响,提高新基础的抗倾覆能力。

　　 为验证新老基础共同工作的合理性,通过ABAQUS有限元软件 ^[7,8]进行数值模型,验证风荷载作用下结构倾覆力矩对基础的影响。

　　 桩土约束条件模拟:原有基础为桩基承台基础,基床反力系数按桩刚度推算,取31 420kN/m³; 新基础为条形天然基础,基床反力系数按荷载准永久值与沉降的比值,取11 850kN/m³; 新老基础的桩土刚度贡献均采用非线性弹簧单元模拟。

　　 新老基础接触面模拟: 新老基础间的相互作用采用接触单元模拟。其中,摩擦系数取值参考美国规范ACI 318-05 ^[9],接触面凿毛处理后的摩擦系数取1.0。ABAQUS整体有限元模型如图19所示。

　　 考虑支撑结构的荷载组合,环向条形基础von Mises应力详见图20,最大应力出现在基础中部的顶面与底面,最大值为12.7MPa,其余位置应力小于1MPa。设计对应力超限的位置增加配筋率,使基础满足设计承载力及裂缝要求。从环向条形基础的竖向位移云图(图21)可看出,在标准荷载组合下,基础中部竖向位移为0.4mm(与重力方向相反),基础两端竖向位移为-6.3mm(与重力反向相同)。基础相对变形差满足规范要求 ^[10,11]。

　　 基础承台高度范围内(地坪以下),承台侧采用级配砂石、压实性较好的素土分层夯实回填,回填土分层压实回填至设计标高,压实系数不小于0.95,压实回填区地基承载力设计值f_aK不应小于90kPa。

　　 地基处理采取换填法,基槽应开挖至未扰动的老土层②₃粉砂层,基坑局部加深超过1.5m时,采取注浆加固措施。

　　 为保证整个施工过程快速安全,构件设计遵循标准化、轻型化、装配化的原则。为实现装配化,多构件节点区在工厂全熔透焊接,现场构件安装全部采用螺栓连接。典型节点示意详见图22,钢框架现场安装详见图23。

　　 (1)改造项目方案的确定,不仅需要考虑自身结构的合理可行,还需要考虑对原结构的影响、施工可行性、对周边环境影响等因素。

　　 (2)对于钢结构空间结构的空间作用,提出两种定量计算指标:基于倾覆力矩的空间作用指标和基本顶点位移的空间作用指标。采用不同空间结构体系对比验证,该两项指标具有较好的适用性。

　　 (3)本项目结构体系为8字形钢框架支撑空间钢结构,底部约束、顶部自由。结构的刚度在本项目中是一把双刃剑,既需要足够刚度来满足层间变形的整体空间作用,又需要控制合理刚度以避免温度作用引起的过大反力。

　　 (4)提出一种解决新老基础抗倾覆作用的抱箍节点。通过新老基础的紧密贴合作用,来限制新基础在倾覆力矩作用下的刚体转动,实现新老基础之间的自锁效应。该节点大大降低新建基础基底压应力的最大值,从而使其易于满足地基承载力的要求; 同时避免基底零应力区的不利影响,提高新基础的抗倾覆能力。