1 工程概况

　　 鸡泽县“多馆合一”位于河北省邯郸市鸡泽县人民路与毛遂大街交叉口,基地东临滏阳大街,南临人民路,西临毛遂大街,北部紧邻好谦路。总建筑面积24 608.83m²(其中地下面积1 150.84m²,地上面积23 457.99m²),自左至右分别由会展中心(小型馆<5 000座)、博物馆(小型馆≤5 000座)、多功能厅(中型馆1 100座)、图书馆(中型馆<4 000座)和青少年活动中心(小型馆<4 000座)五个场馆组成,其建筑效果图见图1,各馆之间设置防震缝后形成独立结构单元,室内外高差0.3m,会展中心地上1层,主屋面结构高度14.7m(层高14.4m,局部6m标高处有1夹层);博物馆和图书馆地上3层,主屋面高度17.5m(1,2层层高6m,3层层高5.2m); 多功能厅局部有1层地下室,地上3层,主屋面高度23.7m(地下1层层高4m;地上3层均有错层,层高:1层4.8m/6.0m,2层6m/7.3m,3层7.2m/4.7m); 青少年活动中心地上3层,主屋面结构高度14.7m(1～3层层高均为4.8m); 各单体混凝土屋顶上部均设置有钢结构装饰构架,屋顶钢结构装饰构架高度自左至右分别为19.95,31.2,40.7,31.2,19.95m。“多馆合一”主体采用钢-混凝土混合结构体系,主要为混凝土框架结构与钢框架-中心支撑结构混合,楼(屋)面采用现浇混凝土梁板式结构。基础采用柱下独立承台桩基础,选用ϕ500的C30钻孔灌注桩,桩长27m,单桩竖向抗压承载力为1 350kN,桩端持力层为⑦层粉质黏土层,局部地下室基础底板厚度为500mm,场地在抗震设防烈度7度时无液化。

　　 图1 鸡泽县“多馆合一”建筑效果图  

　　 鸡泽县“多馆合一”的结构安全等级为二级,地基基础设计等级为乙级,设计使用年限为50年,室内混凝土潮湿环境为二a类,基础和上部结构露天部分混凝土环境为二b类,室内混凝土干燥环境为一类。该工程抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅲ类,特征周期为0.55s ^[1]。青少年活动中心的抗震设防分类为重点设防类(乙类),其混凝土框架的抗震等级为二级; 会展中心、博物馆、多功能厅和图书馆的抗震设防分类为标准设防类(丙类),其混凝土框架的抗震等级为三级; 钢框架支撑构架的抗震等级为四级。屋顶钢架属于大跨度空间钢结构,对风荷载的作用敏感,风荷载的重现期取100年,设计基本风压0.40kN/m²,地面粗糙度类别为B类,基本雪压为0.40kN/m²。

2 结构设计

2.1 结构体系

　　 按照钢结构和混凝土结构的混合方式和受力特性的不同,钢-混凝土混合结构的类型通常可分为三类:第一类是钢-混凝土结构水平向混合方式,即左右组合,如钢框架-混凝土核心筒混合结构,多用于办公类建筑; 第二类是钢-混凝土结构竖向混合方式,即上下组合,如下部采用混凝土框架结构,屋面采用空间钢结构或网架,多用于体育场馆类建筑; 第三类是钢-混凝土结构空间混合方式,即既有水平组合,也有竖向组合,应用相对前两类较少。根据“多馆合一”的使用功能和建筑艺术的需求,结构采用了钢-混凝土混合的第三类组合方式。

　　 各馆中部是较为规则的多层结构,纵横向跨度较为均匀,主要有7.8m和8.6m,基于经济性和建筑使用功能考虑,采用了较为合理的混凝土框架结构体系,结构平面布置见图2; 各馆前后斜向受力构件呈多枝Y形或伞状形,共14根,因建筑整体艺术效果要求,斜向柱全高约35m,中间不得与相邻混凝土竖向构件进行水平向连接,钢结构是实现此类构件较为优先的选择; 屋顶构架主要是建筑基于整体艺术美观要求上的装饰需求,呈椭圆形曲面,其中央部分为鱼腹式空腔,形成23.4m跨度结构,与前后侧斜向柱连接后,多功能厅南侧悬挑长度较大,最大为11.6m,屋面板采用轻型的铝塑板,钢结构势必成为实现其结构的首选,结构剖面示意图见图3。综合上述主要因素,该项目采用了钢-混凝土混合结构体系。水平抗侧力构件主要由各馆中间的混凝土框架柱组成,局部采用了斜向Y形或伞状格构式钢柱,见图4,主要楼(屋)面板采用了混凝土梁板式结构,屋顶装饰构架采用了钢框架-中心支撑+空间正交桁架+檩条。

　　 图2 结构平面布置图/m   

　　 图3 多功能厅结构剖面示意图   

　　 图4 斜向Y形与伞状格构式钢柱   

2.2 结构布置

　　 各馆混凝土结构平面跨度主要为7.8,8.6m,混凝土强度等级主要为C30。混凝土柱截面尺寸主要为700mm×700mm和800mm×800mm; 框架梁截面尺寸主要为400mm×750mm; 混凝土楼板厚度主要为130mm,洞口周边为150mm。

　　 斜向Y形格构式钢柱分主段和支段,均由四肢圆管与缀条连接组成,材质为Q345B,主要有3种规格:1)第一种规格:主段截面尺寸1 400mm×1 400mm,单肢为截面ϕ299×16的圆管,缀条为截面ϕ133×8的圆管; 支段截面尺寸900mm×1 400mm,单肢为截面ϕ219×16的圆管,缀条为截面ϕ121×6的圆管。2)第二种规格:主段截面尺寸1 100mm×1 100mm,单肢为截面ϕ203×16的圆管,缀条为截面ϕ133×8的圆管; 支段截面尺寸800mm×1 100mm,单肢为截面ϕ180×12的圆管,缀条为截面ϕ121×6的圆管。3)第三种规格:主段截面尺寸1 000mm×1 000mm,单肢为截面ϕ203×16的圆管,缀条为截面ϕ133×8的圆管; 支段截面尺寸700mm×1 000mm,单肢为截面ϕ180×12的圆管,缀条为截面ϕ121×6的圆管。斜向Y形格构式钢柱支段与屋面桁架共同形成三角形稳定体系。伞状格构式钢柱由六肢圆管和缀条组成,截面呈正六边形,边长自下而上由1 645mm渐变至5 400mm,材质为Q345B,单肢为截面ϕ203×16的圆管,缀条为截面ϕ180×12,ϕ152×6,ϕ121×6的圆管。

　　 屋顶钢结构装饰构架支撑于斜向Y形格构式钢柱、伞状格构式钢柱和混凝土框架屋顶型钢柱上,屋顶钢柱主要采用材质为Q345B、截面为ϕ245×16和ϕ203×14的圆管,支撑采用材质为Q345B、截面为ϕ152×6的圆管,屋顶采用空间正交桁架结构,桁架高度主要为2 000mm,上下弦杆主要采用材质为Q345B、截面为ϕ152×10和ϕ152×6的圆管,腹杆主要采用材质为Q345B、截面为ϕ102×5的圆管。

2.3 风荷载

　　 屋面装饰钢结构构架体型复杂,主要有会展中心和青少年活动中心的凸曲面、其余三馆的凹曲面两种,对于风荷载敏感。风荷载标准值主要考虑了以下几个方面:1)风振系数取2.0; 2)风荷载体型系数取2.0; 3)风压高度变化系数按照荷载规范 ^[2]B类地面粗糙度和曲面最高点取值; 4)全跨满布风压力; 5)全跨满布风吸力; 6)半跨风压力,另半跨风吸力; 7)中央空腹周边2m处,考虑受涡流影响,考虑放大系数1.1; 8)按照荷载规范要求与其他主要工况进行组合。

2.4 结构整体主要参数选取和计算结果

　　 整体结构计算采用了YJK和MIDAS/Gen两种软件 ^[3],整体结构计算模型见图5,选取的主要结构影响参数有 ^[4]:地震动参数和抗震等级见上述工程概况,地震作用采用总刚分析法,钢柱计算长度系数采用有侧移的计算方法,计算结构周期、楼层位移比和结构层间位移角时,采用刚性楼板假定; 进行内力与配筋计算时,采用弹性楼板假定,结构阻尼比根据材料区分(钢结构部分取0.02,混凝土部分取0.05)采用比例阻尼方法 ^[5],特征值分析采用子空间迭代法,计算振型个数取15。两种软件主要计算结果见表1～3,因会展中心和青少年活动中心、博物馆和图书馆计算结果较为接近,本文只列出会展中心、博物馆、多功能厅的主要计算结果。

　　 会展中心主要计算结果 表1

　　 博物馆主要计算结果 表2

　　 多功能厅主要计算结果 表3

　　 图5 结构整体模型   

　　 由表1～3可以看出,各馆整体结构的第1,2阶振型均为平动,第3阶振型为扭转,第三扭转周期与第一平动周期的比值小于0.9; 混凝土结构最大层间位移角均小于1/550,钢结构部分最大层间位移角小于1/250,两者弹塑性层间位移角均小于1/50,偶然偏心作用下的扭转位移比小于1.4; 轴压比、剪重比、刚重比、刚度比和层间受剪承载力比均满足抗震规范要求 ^[6](限于篇幅,部分结果未列出),两种软件计算结果差异均在10%内,计算结果均满足抗震规范指标要求。通过计算得出,钢柱和屋顶大跨度钢结构的应力与钢材设计强度最大比值小于0.91,屋顶钢桁架最大挠度为33.7mm,小于跨度的1/400,博物馆的钢结构应力比和挠度见图6。

　　 图6 博物馆钢结构应力比云图和挠度云图   

3 主要斜向Y形格构式钢柱屈曲分析

　　 项目应用了斜向Y形格构式钢柱,此斜向Y形格构式钢柱不适用钢框架柱的计算长度等稳定性计算方法,计算按照钢结构标准 ^[7]要求,采用了ABAQUS软件进行直接分析计算 ^[8],材料为Q345B,弹性模量取2.06×10⁵MPa,泊松比取0.3,材料本构关系采用双线性模型,屈服应力取345MPa,达到屈服应力时塑性应变取0,单肢和缀条采用B31单元,与基础相连的边界条件为刚接,与屋面钢结构构架相连的边界条件为铰接,竖向可变形,其他两个方向受约束。线性屈曲分析时,在支段顶部各施加1N荷载,特征值计算采用兰索斯法(Lanczos),特征值个数取6,应用屈曲分析(Buckle)分析步求解,求得线性阶段时的各阶模态及极限承载力(各阶第一模态因子与特征值之积); 非线性屈曲分析时,初始缺陷通过在线性屈曲分析的第1阶模态上施加h/250(h为钢柱总高度)的位移来实现,支段两个顶点各施加向下200mm的位移,应用静态屈曲分析(Static,Riks)分析步求解,同时考虑几何非线性大变形,采用弧长法计算,根据计算结果画出支段顶部的荷载-位移曲线图,求得斜向Y形格构式钢柱非线性屈曲状态下的极限承载力,即曲线图中的拐点。多功能厅斜向Y形格构式钢柱线性屈曲前3阶模态见图7,博物馆和图书馆斜向Y形钢柱线性屈曲前3阶模态见图8,两种斜向Y形格构式钢柱非线性屈曲荷载-位移曲线见图9,10。

　　 图7 多功能厅斜向Y形格构式钢柱线性屈曲前3阶模态  

　　 图8 博物馆和图书馆斜向Y形格构式钢柱线性屈曲 前3阶模态  

　　 图9 多功能厅斜向Y形格构式钢柱非线性屈曲 荷载-位移曲线  

　　 由图7～10可以看出,多功能厅斜向Y形格构式钢柱线性屈曲极限荷载为33 346kN,其支段顶点1(图7,9)非线性屈曲极限荷载为5 371kN,实际最大设计荷载为2 501kN,其支段顶点2非线性屈曲极限荷载为5 535kN,实际最大设计荷载为2 034kN; 博物馆和图书馆斜向Y形格构式钢柱线性屈曲极限荷载为21 237kN,其支段顶点1非线性屈曲极限荷载为2 889kN,实际最大设计荷载为720kN,其支段顶点2非线性屈曲极限荷载为5 039kN,实际最大设计荷载为1 220kN。经与整体结构计算结果比较,斜向Y形格构式钢柱线性屈曲极限荷载与MIDAS/Gen计算结果接近,非线性屈曲极限荷载与MIDAS/Gen计算结果差异较大,ABAQUS软件计算结果偏于安全,非线性屈曲极限荷载与实际最大设计荷载比均大于安全系数2.0,完全满足规程 ^[8]要求。

　　 图10 博物馆和图书馆斜向Y形格构式钢柱非线性屈曲 荷载-位移曲线  

4 主要节点构造

　　 钢结构与混凝土结构之间的变形协调是混合结构的重要影响因素之一,选择合理而有效的连接方式是确保整体结构安全可靠的关键。针对钢柱与混凝土构件连接节点的受力性能、传力机制、重要性和适用性等要求,主要采用了以下节点连接方式:1)异形钢柱与基础连接采用外包式柱脚,见图11; 2)混凝土框架顶部与钢柱之间的连接采用外露式柱脚,见图12; 3)斜向Y形或伞状格构式钢柱与屋顶钢结构装饰构架之间的连接采用了万向支座,见图13。通过等强度计算得出,以上三种节点完全满足要求。

　　 图11 外包式柱脚构造示意   

　　 图12 外露式柱脚构造示意   

　　 图13 万向支座构造示意 

5 结论

　　 (1)钢-混凝土水平和竖向混合型组合结构应根据建筑物的荷载分布情况,合理布置结构,采用与实际工程相吻合、两种不同力学模型的结构分析软件进行整体计算,选用合适的阻尼比确定方法,以保证力学分析结构模型的可靠性。

　　 (2)建筑体型是影响结构风荷载的重要因素之一,对于体型复杂和受风荷载敏感的结构,应充分考虑最不利工况下风荷载体型系数,找出结构薄弱部位,采取合理有效的加强措施,以保证结构安全性。

　　 (3)钢结构的稳定性是关系到其结构安全性的重要指标,对于异形抗侧力钢构件(如Y形或伞状格构式钢柱),宜采用完全有限元直接分析方法进行线性屈曲分析和考虑初始缺陷的非线性屈曲分析,以验证其结构的线性和非线性极限承载能力。

　　 (4)钢-混凝土混合结构中,钢结构与混凝土结构之间的连接对结构整体性有着不可忽略的作用,选择与整体结构计算分析相匹配的节点构造,并采取适当有效的加强措施,是确保钢-混凝土混合结构安全性的重要环节。