南宁万达茂工程位于广西省南宁市五象新区文化产业园核心位置, 总建筑面积为15.6万m², 主要功能为商业综合体、旅游及室内主题乐园。其中, 主题乐园是全球首家融入广西桂文化元素的大型室内主题乐园, 不仅拥有多种创新娱乐项目, 还有充满壮族民俗特色的多种表演节目, 其占地面积约2.5万m², 地上1层, 室内局部有夹层, 建筑高度30m, 乐园平面尺寸为165m×148m。

　　 本工程抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g, 设计地震分组为第一组, 抗震等级为二级, 场地类别为Ⅱ类, 场地特征周期为0.35s, 场地水平地震影响系数最大值为0.107 (安评) , 设防类别为乙类, 基本风压为0.35kN/m², 无雪荷载。该项目已于2017年竣工并投入使用, 图1为项目竣工后外景实景图及内部效果图。

　　 考虑到本项目室内各复杂建筑业态对整体结构影响, 结构采用外框结构与室内各建筑物设防震缝脱开的设计方案, 即外框柱与屋面钢结构为一个外框结构单元, 室内各建筑业态为各自独立结构单元。

　　 外框结构单元采用钢筋混凝土框架结构, 屋面为立体钢桁架体系, 图2为结构设计方案布置图。应建筑功能需求, 主题乐园室内需确保大空间, 尽量避免出现结构竖向构件, 故在下部主体结构内部仅南北向布置两根钢管混凝土柱, 其余结构柱布置在建筑物外围周圈, 南北侧边柱柱间距基本为18m, 东西侧边柱柱间距为15～16m, 周圈柱间竖向每7m左右设置一道混凝土梁。

　　 屋面钢结构采用MIDAS Gen有限元软件进行建模分析。为使得结构更加合理经济, 研究了当前屋面钢结构立体桁架体系的现状^[1,2], 在方案选型时对比了空间网架结构、平面桁架结构、立体桁架结构三种结构体系, 得出立体桁架结构体系平面外稳定性较其他两种结构形式有很大的改善, 同时杆件数量较少, 室内空间效果比较简洁、美观, 总体经济性较好。屋面结构形式分析对比见表1。

　　 屋面采用三角立体管桁架, 桁架高度按上弦随建筑屋面坡度设置、下弦水平齐平保证室内净高24m进行变高度设置。双柱间为一榀三跨连续主桁架, 主桁架方向尺寸为165m;南北向设置11榀两跨连续次桁架, 次桁架方向尺寸148m, 由次桁架直接承担屋面荷载, 一端传递于东西侧下部混凝土边柱上;一端传递于主桁架上, 再由主桁架传递至柱子上。在第一跨或第二跨设置平面支撑, 加强整体屋面平面刚度。

　　 室内各独立结构单元主要为常规钢筋混凝土框架结构或钢框架结构。

　　 在勘察范围内未见有塌陷、地裂、滑坡等不良地质作用, 附近现有建筑物使用正常, 场地地形较平坦, 稳定性好, 适宜建筑。根据地勘报告, 场地为岩溶地区, 粉质黏土②与红黏土③土层为膨胀土, 等级为I级。各岩土层分布见表2, 图3为工程地质典型剖面图。

　　 考虑到土层地质较为复杂, 厚度变化较大、各外框柱及中柱承担上部荷载较大、屋面钢结构沉降敏感等因素, 外框结构基础型式采用独立承台桩基方案, 桩端持力层为灰岩 (完整) (12) 层, 桩型采用直径800mm泥浆护壁冲孔灌注桩。因土体有溶洞等不良地质因素, 在施工前采用单桩下2孔超前钻方式, 查明桩底下不小于5m深度范围内有无土洞、溶洞、破碎带或软弱夹层等, 确保岩面下有不少于5m的完整岩石层。考虑到冲孔底沉渣不易清干净的缺点, 桩端采用了后压浆工艺。单桩竖向承载力特征值为4 500kN, 单桩竖向极限承载力特征值为9 000kN。本工程正负零相当于绝对标高86.600m, 抗浮水位标高76.000m, 本工程地下管廊及地下室底标高80.6m, 无抗浮问题。

　　 施工组织时, 先施工外框结构, 后施工室内建筑, 屋面立体桁架需在室内地面处进行预拼装, 原状土承载力和沉降均不能满足钢结构拼装要求, 因此综合考虑了娱乐设施及小型建筑物基础设计情况, 对地面7m以内土层采用了水泥土搅拌桩地基处理。水泥搅拌桩处理填土深度为7m, 桩径为400mm。桩距按2.0m正方形布置。处理前填土地基承载力特征值约70kPa, 处理后地基承载力不小于160kPa。

　　 室内假山、小型建筑物等采用独立柱基、条形基础;过山车、海盗船等项目由于自身使用功能的特殊性, 对沉降敏感, 基础采用桩基;管廊基础采用筏板基础。由于室内业态功能非常重要, 对室内肥槽和地面采用级配砂石、毛石混凝土等方式进行回填。

　　 由于南北双柱支承了屋面三跨连续主桁架, 主桁架受力是否合理对屋面钢结构整体经济性产生重要影响, 而双柱间距是影响主桁架受力合理性的主要因素。主桁架跨度分别采用:1) 45, 75, 45m (跨度比1∶1.67∶1) ;2) 50.5, 64, 50.5m (跨度比1∶1.27∶1) ;3) 55, 55, 55m (跨度比1∶1∶1) 进行定量分析, 弯矩、变形定量分析计算结果见图4。分析表明, 主桁架跨度比为1∶1.27∶1时比跨度比为 1∶1∶1, 1∶1.67∶1时的弯矩、变形更为合理。通过用钢量定量分析 (表3) 也可以看出, 主桁架跨度比为1∶1.27∶1时钢结构用量最为经济, 且主桁架下弦杆件截面较小。经计算, 主桁架跨度比例区间在1∶ (1.2～1.5) ∶1时较为合理、经济。对于本项目, 综合了经济性、内部建筑设施布置等因素, 主桁架跨度取41.1, 75, 49.1m (跨度比1∶1.82∶1.19) 。

　　 周圈框架柱间沿高度每隔7m左右设置一道混凝土梁, 截面采用500×1 000。由于柱间跨度与竖向梁间距较大, 框架梁除了按抗震计算配筋外, 需考虑平面外风荷载作用, 框架梁受力方式应为双向受弯, 箍筋构造方式同框架柱。

　　 周圈外框架柱为钢筋混凝土柱, 中部两框架柱采用圆钢管混凝土柱。考虑屋面桁架的刚度有限, 偏于安全, 支承各桁架的边框柱在桁架方向的计算长度系数采用2.0, 非支承桁架的边框柱顶端沿非框架梁方向计算长度系数采用2.0。中部两钢管混凝土柱采用稳定性分析得出计算长度系数为1.7, 偏于安全取值2.0。

　　 一榀三跨连续主桁架为6m宽、3～6m变高倒三角立体钢桁架, 桁架跨高比为1/12.5;11榀两跨连续次桁架为5m宽、3～6m高三角立体钢桁架, 桁架跨高比为1/8.2。钢桁架节点间距为5m, 桁架杆件间的夹角范围在30°～60°, 钢桁架剖面见图5。

　　 钢结构的强度、刚度和稳定性作为结构力学研究的三个重要课题, 其中与安全隐患最为相关的就是失稳问题。本工程的弹性屈曲分析弹性因子K=4.7>4.2, 满足规程^[3]第4.3.4条对网壳结构弹性全过程分析时的相关规定, 钢管立体桁架不会发生整体失稳问题。

　　 本项目将“架空轨道观光车”设置于室内屋面顶部, 挂于屋面钢结构处, 是国内首个大型室内高空观光游乐项目, 图6为高空观光轨道车运行实景。

　　 根据轨道轨迹路径在立体桁架下弦设置转换结构层用于固定悬挂轨道, 设计时通过在桁架间下弦节点对应处设置杆件, 解决轨迹线结构的平面外稳定性问题。

　　 为真实模拟轨道车运行时的荷载, 结构设计时引入移动荷载工况, 通过轨道车的实际运行轨道及运行速度, 计算到达每个作用点的时间, 并归纳出移动荷载函数。计算时, 根据规范^[4]并考虑15个轨道车集中在一起及15个轨道车均匀分布的情况, 把移动荷载工况与恒、活工况共同考虑, 验算了结构在移动荷载作用下的疲劳计算。

　　 为进一步确定结构的受力特性和安全性, 对典型节点进行了有限元分析。图7为钢管混凝土柱主次桁架交叉处节点, 最大应力出现在主桁架下弦, 最大应力为195N/mm², 换算应力比为0.78;图8为立体桁架下弦、腹杆典型相贯节点, 最大应力出在腹杆与下弦杆交接处, 最大应力为168N/mm², 换算应力比为0.54。

　　 管桁架水平弦杆及斜腹杆安装时, 存在隐蔽部位相贯焊缝无法直接焊接的问题, 见图9。选取某典型节点进行有限元分析, 见图10, 11。从图10, 11看出, 有无隐蔽焊缝两种形式的节点破坏时均表现为节点区破坏, 有隐蔽焊缝节点应力峰值时部分腹杆发生了屈服, 而无隐蔽焊缝节点屈服区域明显较小, 相比有隐蔽焊缝的节点, 由于隐蔽焊缝部位的削弱造成屈服区域不能有效发展, 部分杆件的强度没能充分利用。两种形式的节点前期刚度差异较大, 是由于弦杆受力较小而腹杆受力较大从而使传力路径改变导致。该工况下有隐蔽焊缝的节点极限承载力比无隐蔽焊缝节点提高约40%, 结果见图12。

　　 根据钢结构设计规范^[5], 本项目虽为抗震设防烈度6度, 但考虑到移动荷载的疲劳作用及有无隐蔽焊缝的对比分析, 最终所有隐蔽部位焊缝均采取了开孔施焊。

　　 通过对南宁万达茂室内主题乐园工程结构设计, 可得到以下几点结论:

　　 (1) 对于屋面大跨钢结构, 立体桁架体系合理性、经济性、美观性较好。

　　 (2) 在保证使用要求和室内空间的前提下, 内部设立少量柱子可使得屋盖结构的经济性大大提高, 柱位置设置合理性对经济性有重要影响。

　　 (3) 管桁架隐蔽焊缝设计需根据边界条件情况具体分析。