阜阳科技文化中心结构设计
1 工程概况
阜阳科技文化中心位于阜阳颖南区城市空间轴的交汇处，临水而建，犹如珍珠镶嵌在新城主轴的双清湾畔，项目总用地面积约4.20万m2,总建筑面积约5.40万m2。阜阳科技文化中心采用五馆一体化设计，分为科技馆、工人文化宫、文化馆、妇女儿童活动中心及书法艺术馆，通过共享中庭把五个场馆的四组功能区有机融合为一体。本项目建筑高度23.850m, 平面尺寸约125m×160m, 地上建筑面积约3.6万m2,地下建筑面积约1.8万m2,其中人防面积约4 800m2。门厅主入口部位的主结构不连续，宽度达40余米，共享中庭采光顶的最大跨度约60m, 临近双清湾一侧设有最大悬挑达8m的观景阳台，整体建筑效果图如图1所示。
图1 整体建筑效果图
阜阳科技文化中心地下1层，层高5.400m, 用作对外开放的公共停车场和公共休闲功能区；地上4层，层高均为5.700m, 1层由共享中庭及各功能区组成，包含科技展厅、球幕影院、亲子中心等；2层由中庭环廊将科技馆、剧场、少儿培训中心等功能区有机连接成一体；3层及4层在入口上方增设了廊道，使得各个功能区的结合更为密切。建筑剖面图如图2所示。2层和屋面的结构平面布置图分别如图3,4所示。
本工程主体结构设计使用年限和耐久性设计年限均为100年，建筑结构安全等级为一级，地基基础设计等级为乙级。拟建场区的抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组 [1]。根据地质勘探报告，场地类别为Ⅲ类，设计特征周期为0.45s, 抗震设防类别为重点设防类(乙类) [2]。100年一遇的基本风压为0.55kN/m2(因缺少当地资料，参考亳州的相关资料),地面粗糙度为B类 [3]。100年一遇的基本雪压为0.60kN/m2。根据地勘报告，当地历年最高气温为42.5℃,最低气温为-22.5℃,年平均气温为14.7℃。
图2 建筑剖面图
图3 2层结构平面布置图
图4 屋面结构平面布置图
鉴于《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) [1]的地震动参数均是按50年设计基准期考虑的，当设计年限大于50年时需要调整放大。参考相关文献 [4,5]的研究，经计算，该工程100年设计基准期对应的基本设防烈度约为7.4度，设计时按7度(0.15g)考虑，水平地震影响系数最大值取αmax=0.34。为达到100年设计使用年限内的耐久性要求，根据所处环境类别，对混凝土构件的最低强度等级和最大水胶比提出了具体要求，对混凝土中的最大氯离子含量和最大碱含量进行了限定。同时采取增加混凝土保护层厚度、限制裂缝宽度等一系列措施，从材料性能和构造措施上共同确保结构的耐久性。
2 结构体系选择
本工程结构设计存在以下两大特点：1)建筑整体呈下小上大，逐层外扩的形态，结构构件需要贴合建筑外轮廓进行结构找形；2)建筑平面不规则，各层平面均由3个圆形或椭圆形按C字形排布构成，门厅主入口一侧不连续，没有楼板或仅有连廊拉结。
针对上述特点，结构设计时重视概念设计，并进行了大量结构方案的试算比选，最终确定采用带周圈环向支撑的钢框架-混凝土剪力墙结构体系，计算模型拆分图如图5所示。以下是参考相关资料 [6,7]根据概念设计和试算结果归纳总结出的应对措施。
图5 结构模型拆分示意图
(1)基于建筑形态，如何减轻自重、降低柱子轴压比、提高延性 [8]是结构设计的重中之重。通过多种结构方案的对比，最终上部主体结构决定采用钢框架-混凝土剪力墙结构体系。该方案既能充分发挥钢框架材料强度高、自重轻、结构延性好的特点，又能充分利用剪力墙整体性好、抗侧刚度大的优点。钢框架和剪力墙可以共同形成二道抗震防线。
(2)如何克服建筑外倾给结构带来的不利影响，是结构布置需要认真考虑的问题(结构临水一侧的最大外倾接近20m, 最外侧的钢柱倾斜角度接近45°),结构设计时沿最外圈柱网布置了环向钢支撑，形成斜交网格体系 [9]。并且在门厅主入口位置，同时也是结构的不连续部位采用空间网格结构进行补强，整个外圈(图5(b))可形成强有力的抱箍效应，能很大程度降低因建筑造型导致结构外倾带来的不利影响，同时也能有效增加结构的整体性和抗扭刚度。
(3)合理布置柱网。在沿C字形排布的3个圆形或椭圆形区域内，钢柱分别围绕各自的中心呈放射状布置；同时确保外围斜柱仅在单一的径向平面内倾斜，使得径向布置的主梁可以部分平衡钢柱倾斜所引起的水平分力，具体如图6所示。
图6 沿椭圆中心布置的柱网和沿径向抽取的一榀
(4)剪力墙尽量均匀分布在建筑平面内，主要设置在电梯间四周。为与周边结构可靠连接，个别位置设有钢骨或方钢管混凝土端柱。剪力墙竖向连续，洞口布置基本规则，平面上自然形成筒体，使得主体结构整体具有良好的抗侧刚度和延性。
(5)主体结构的嵌固位置设在地下室顶板，上部圆钢管柱均往下延伸至基础，圆钢管柱在地下室范围内外包成钢管混凝土叠合柱，如图7所示。基础采用直径600mm和800mm的钻孔灌注桩，桩端持力层为⑨土层-粉土夹粉质黏土，桩长不小于26m。
图7 圆钢管柱嵌固位置示意图
采取上述一系列措施后，主体结构模型采用两种计算软件YJK和MIDAS Gen分别试算，相互验证，结果见表1。通过对比，两种软件的计算结果较为一致，主体结构模型前3阶振型均为X,Y方向的平动和整体扭转，如图8所示。从图8可看出，结构主要设计指标均满足规范要求，表明结构整体性较好，结构体系选择合理。
3 专项设计
3.1 中庭采光顶和门厅主入口的空间网格结构
中庭采光顶的空间结构是建筑设计的亮点之一，建筑师对室内效果有严格的要求：1)采光顶结构的上弦杆截面需要一致，体现力度感；2)下弦杆统一纤细，凸显层次感；3)空间结构的网格大小均匀，规则，边界处整齐，不显凌乱。根据上述特点，试算了3种结构方案，如表2所示。
图8 模型前3阶振型图
两种软件计算结果对比 表1
主要计算指标 |
YJK | MIDAS Gen | |
总质量/t |
107 046 | 104 121.82 | |
最小刚度比 |
X向 |
1.00≥[1.0] | 1.00≥[1.0] |
Y向 |
1.00≥[1.0] | 1.00≥[1.0] | |
相邻楼层受剪 承载力之比 |
X向 |
0.98>[0.8] | 0.96>[0.8] |
Y向 |
0.98>[0.8] | 0.97>[0.8] | |
自振周期/s |
T1(X向) |
0.512 | 0.461 9 |
T2(Y向) |
0.459 | 0.440 0 | |
T3(扭转) |
0.442 | 0.404 9 | |
周期比 |
T3/T1 | 0.86<[0.9] | 0.87<[0.9] |
有效质量系数 |
X向 |
98.79%>[90%] | 98.13%>[90%] |
Y向 |
98.57%>[90%] | 98.11%>[90%] | |
最小剪重比 |
X向 |
11.09%>[2.40%] | 8.4%>[2.40%] |
Y向 |
10.72%>[2.40%] | 8.9%>[2.40%] | |
层间位移角 |
X向 |
1/1 661<[1/800] | 1/1 866<[1/800] |
Y向 |
1/1 663<[1/800] | 1/1 875<[1/800] | |
位移比 |
X向 |
1.30<[1.50] | 1.394<[1.50] |
Y向 |
1.38<[1.50] | 1.315<[1.50] | |
注：[]内数值为《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2 010)和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)规定的限值。
通过对比，本工程最终采用了方案3,该方案的结构安全冗余度较高，总体上与建筑需要的室内效果更为吻合。后期设计时为增加结构的整体性，考虑将门厅主入口空间网格结构与中庭采光顶的新型网架两部分合二为一，协同考虑，合并后模型如图9所示。为达到一体化的效果，门厅主入口空间网格结构与中庭采光顶新型网架在网格大小的选择上需要相互兼顾，通过试算确定统一的网格大小为2.80m。
中庭采光顶空间结构方案比选 表2
方案 |
结构体系 | 结构特点及优缺点 |
1 |
常规网架 | 1)结构方案成熟，可靠性高；2)由于支座边界不规则，采用满应力设计时将导致支座附近杆件截面变化悬殊，对建筑室内效果有较大影响；3)节点形式单一，与建筑室内效果不匹配 |
2 |
索结构 | 1)结构方案成熟，但要防止风吸力作用下导致索的预拉力失效；2)支座边界不规则，不利于索结构的设计；3)室内效果较好，符合建筑要求 |
3 |
新型网架 | 1)与网架类似，方案成熟可靠；2)下弦采用刚性杆，弥补了索结构的不足，提高了结构安全度；3)与建筑所要的室内效果较为吻合，下弦节点可与灯具有机结合成一体 |
图9 合并后的模型图
门厅主入口空间网格结构是外圈网状结构的重要组成部分，减小门厅主入口一侧因楼板缺失带来的不利影响。根据计算结果，该区域的杆件以承受水平轴力为主，设计截面为ϕ245×14(Q345B),结构形式同管桁架，均采用相贯焊连接。水平弦杆与竖向弦杆相交时，水平杆件贯通，确保水平力能可靠传递。入口的雨棚结构根据建筑找形，通过相贯焊与竖向弦杆连接。
根据中庭采光顶的建筑效果，结构设计时需要有针对性地控制杆件的受力形式，要实现上弦杆以受压为主、下弦杆单纯受拉，才能做到建筑和结构的有机统一并符合力学原理，即压杆粗壮、拉杆纤细。为此采取了以下措施：1)该网架支座按上弦杆支承设计，可以很大程度避免支座周边的下弦杆出现受压的情况；2)在采光顶和入口侧面结构衔接位置，取消一个节间的下弦杆，如图10所示，防止采光顶在靠近门厅主入口一侧的下弦杆出现受压的情况；3)根据整体计算结果，发现下部主结构在水平地震作用下会传力给中庭采光顶，从而对上部空间结构产生不利影响；为避免上述情况，中庭采光顶的部分支座采用水平限位滑动支座，以最大程度减小下部主体结构对上部空间结构的影响；4)该新型网架的平面形状十分不规则，即便采取上述措施仍无法完全避免下弦杆在个别工况组合下出现受压，最终通过调节部分支座竖向刚度，较好实现了下弦杆在各种组合下单一受拉的设计目标；5)根据建质[2018]37号 [10],对该网架进行了专项施工方案论证，为确保安装过程中不出现下弦杆拉杆变压杆的不利情况，通过施工模拟计算，明确中庭采光顶新型网架结构的安装应采用满堂脚手架，分步卸荷的施工方案。安装完毕后中庭采光顶新型网架整体变形趋势与模拟计算一致，恒载下的最大竖向变形为38mm, 略小于理论计算值，与设计较为吻合。安装完毕后的中庭采光顶新型网架结构和下弦节点处细节分别如图11,12所示。
图10 箭头标注部位取消下弦杆
图11 中庭采光顶新型网架结构实际效果
图12 下弦节点放大效果(灯具与节点合二为一)
3.2 楼板设计
根据本工程的特点，虽然上部主要采用钢结构，但没有选择钢楼承板或钢筋桁架楼层板，而是采用钢筋混凝土现浇楼板，楼板厚度不小于120mm, 这样设计的主要目的是为了实现楼板钢筋的环向和径向放置，结合钢次梁的放射状布置，整个楼盖布置方案能充分发挥钢筋和钢材抗拉强度高的特点，可有效减小混凝土楼板的拉应力，图13截取了其中一个区域的楼板配筋示意图。
图13 某区域的典型楼板配筋示意
本工程上部结构最大长度接近160m, 最大宽度125m, 属于超长结构，为减少混凝土早期收缩引起的裂缝，沿C字形平面设置3道后浇带，具体位置见图3和图4。设计中考虑了温度的不利影响，其中钢结构在施工阶段按极端温度验算，此处不再赘述；楼板根据平均温度验算，要求合拢温度控制在10～15℃, 考虑温差ΔT=±30℃。图14为2层楼板在降温工况下的应力云图，可见楼板在局部收进形成蜂腰形部位的应力较大。
图14 降温工况下楼板应力云图/(N/mm2)
根据计算结果，对薄弱部位进行了加强，楼板板厚和配筋均相应增大，同时有针对性地对图14箭头所指位置(应力集中部位)的结构布置进行了优化：1)在剪力墙筒体的两个角部增设了方钢管混凝土端柱；2)与剪力墙(主要在端柱处)连接的钢梁连接形式由铰接调整为刚接；3)对应的钢梁截面适当加大，设计成箱形截面，按压弯构件验算；4)钢梁上翼缘栓钉加密，确保楼板和钢梁间应力的可靠传递。调整后局部结构布置如图15所示。
图15 调整后的局部结构布置
由于楼板在整个结构中的作用非常重要，除了承受和传递竖向荷载外，更起到传递水平力，协调变形，加强整体性的作用。通过上述一系列的细化分析和采取的针对性措施，较好地克服了本工程楼板固有的不利因素，实现了传力可靠和设计合理的基本目标。
4 结语
阜阳科技文化中心项目结构设计的重难点在于如何解决独特的建筑外形给结构受力性能带来的不利影响。本文着重介绍了方案阶段如何根据概念设计，结合试算对比确定结构体系，并选择分享了空间结构和楼板设计两块内容在施工图阶段的一些经验总结和设计体会，希望通过该项目的介绍，可以给类似项目带来一定的借鉴和参考。
[2] 建筑工程抗震设防分类标准：GB 50009—2008 [S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[3] 建筑结构荷载规范：GB 50009—2012 [S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[4] 周锡元，曾德民，高晓安.估计不同服役期结构的抗震设防水准的简单方法[J].建筑结构，2002,32(1):37-40.
[5] 张树生，张显恩.不同设计基准期地震动参数取值[J].工程建设，2007,39(5):19-23.
[6] 傅学怡.大型复杂建筑结构创新与实践[M].1版.北京：中国建筑工业出版社，2015.
[7] 北京市建筑设计研究院有限公司.BIAD超限高层建筑工程抗震设计汇编[M].1版.北京：中国建筑工业出版社，2016.
[8] 方鄂华，钱稼茹.我国高层建筑抗震设计的若干问题 [J].土木工程学报，1999,32(1):3-8.
[9] 周健，汪大绥.高层斜交网格结构体系的性能研究[J].建筑结构，2007,37(5):87-91.
[10] 危险性较大的分部分项工程安全管理规定：建质[2018]37号[A].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2018.