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日照市海洋公園混凝土和鋼框架混合結構設計

時間:2019-07-05 來源:建筑結構 作者:井彥青,楊勝志,李建峰 本文字數:5782字

  摘    要: 日照海洋公園為國際首個將創新型海洋館與花鳥園等多業態完美融合的海洋公園, 結構形式為混凝土框架和鋼框架組成的混合框架結構。該工程具有大跨度鋼結構、大懸挑混凝土結構、樓板開大洞、樓板不連續等不規則類型;設計需解決海洋氯化物環境混凝土結構抗腐蝕, 近海環境鋼結構防腐等問題;主體結構與幕墻設計通過參數化來實現建筑復雜立面的需求。設計中較好地解決了上述結構設計難題, 實現了結構與建筑的完美結合。

  關鍵詞: 混合框架結構; 大跨度大懸挑; 樓板不連續; 混凝土抗腐蝕; 鋼結構防腐蝕; 幕墻;

  Abstract: Rizhao Ocean Park is the first marine park in the world to integrate the innovative aquarium with the flower and bird garden. The mixed frame structure is composed of concrete frame and steel frame. The project has the following irregular types: large-span steel structures, large cantilevered concrete structures, large floor slab openings, and discontinuous floor slabs. The design needs to solve the problem of anti-corrosion of concrete structure in marine chloride environment and anti-corrosion of steel structure in offshore environment. The main structure and curtain wall design were parameterized to meet the needs of complex facades. In the design, the above structural design problems were solved, and the perfect combination of structure and architecture was realized.

  Keyword: mixed frame structure; large span and large cantilever; slab discontinuity; concrete corrosion resistance; steel structure corrosion protection curtain wall;

  1、 工程概況

  日照海洋公園位于山東省日照市東港區, 總占地面積108 000m2, 總建筑面積約3.95萬m2, 距海邊距離約270m。項目分為陽光海洋館、四季花鳥園兩個主題場館及酒店商業配套三部分。陽光海洋館 (簡稱海洋館) 地下1層, 地上3層, 屋面最高點標高24.00m;四季花鳥園 (簡稱花鳥園) 地上2層, 屋面最高點標高20.00m。

日照市海洋公園混凝土和鋼框架混合結構設計

  海洋館主體平面為圓形, 圓形半徑約71m, 建筑中間圓心位置為鯨鯊池, 水深7.5m, 鯨鯊池頂部為鋼結構采光穹頂, 穹頂跨度約39m。東北角為主入口, 主入口最大跨度約42m。西南角為表演場, 表演場最大跨度約40m。花鳥園主體平面為梭形, 長邊尺寸約145m, 短邊尺寸約68m, 結構最大跨度約66m。該項目的建筑效果圖如圖1所示。結構模型軸測圖如圖2所示。

  圖1 建筑效果圖
圖1 建筑效果圖

  圖2 結構模型軸測圖
圖2 結構模型軸測圖

  設計使用年限為50年, 抗震設防類別為重點設防類, 抗震設防烈度為7度, 場地類別為Ⅱ類, 海洋館抗震等級為二級, 花鳥園抗震等級為三級, 基本風壓為0.4kN/m2, 地面粗糙度類別為A類, 基本雪壓為0.4kN/m2。

  2、 結構體系和布置

  2.1、 海洋館結構體系及布置

  根據建筑平面特點及建筑總高度, 海洋館采用混凝土框架及鋼結構框架的混合框架結構。建筑平面為圓形, 結構梁柱以圓心呈放射狀布置, 環向最小跨度約5.2m, 最大跨度約9.6m, 徑向跨度約4.8~12m, 局部跨度達23m, 為大跨度框架結構。柱直徑為800~1 200mm, 主梁截面尺寸為300×800, 400×800, 400×900, 500×1 000。混凝土強度等級為C40。海洋館主體部分為混凝土框架結構, 中心鯨鯊池、主入口、表演場等區域因方案立面、采光及建筑功能要求不允許結構柱落地, 因此采用過大跨度鋼結構框架或單層網殼結構形式 (圖3) 。

  圖3 海洋館屋面層結構布置
圖3 海洋館屋面層結構布置

  2.2 、花鳥園結構體系及布置

  花鳥園建筑平面布置呈梭形, 根據建筑使用功能, 下部房間、走廊及布景等采用混凝土框架結構, 整個建筑的圍護結構采用大跨度剛架結構形式。在棱形端部剛架跨度約9m, 在棱形中部剛架跨度約67m (圖4) 。柱截面為H800×400×16×20, ?800, ?600, 主梁截面為H1 100×400×12×18, H800×400×10×14, H650×300×14×20, 鋼材采用Q345B。

  圖4 花鳥園剛架結構布置
圖4 花鳥園剛架結構布置

  3 、結構的不規則項

  本項目海洋館結構存在的不規則項[1]:1) 樓板開大洞、樓板不連續, 海洋館2層、3層開洞面積大于本層面積的30%, 樓板有效寬度小于50%;2) 扭轉不規則, 考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2。

  4、 結構整體計算分析

  4.1、 小震分析結果

  海洋館選用YJK軟件 (1.7.0.0版) 和MIDAS Gen軟件進行小震彈性計算分析。結構計算的整體指標如表1所示。

  小震彈性計算結果 表1
小震彈性計算結果 表1

  計算結果表明結構周期、位移及剪重比等主要參數符合規范要求, 結構體系及布置合理。

  4.2、 混凝土結構大懸挑舒適度驗算

  圖5 大懸挑看臺剖面圖
圖5 大懸挑看臺剖面圖

  海洋館2層鯨鯊池正面有一個大懸挑混凝土結構看臺, 懸挑跨度約6.6m。采用混凝土變截面梁作為看臺的主受力構件, 梁的截面還需要根據看臺的高差做成下折梁。如圖5所示。

  采用增大懸挑梁根部截面及梁截面寬度的方式加大懸挑部分的剛度。經樓板舒適度驗算, 懸挑部分豎向振動頻率為3.72Hz。在懸挑端部施加連續行走荷載, 最大荷載為0.8kN, 豎向振動峰值加速度為0.145m/s2, 滿足舒適度規范要求[2]。在懸挑端部施加跑動 (AIJ) 荷載, 最大荷載為0.8kN, 豎向振動峰值加速度為0.199m/s2。

  5、 大跨度屋面鋼結構設計

  5.1、 分析軟件

  本項目鋼結構主要包括入口鋼結構、中央穹頂和花鳥園三部分。鋼結構設計采用MIDAS Gen軟件進行整體分析。

  5.2、 入口鋼結構設計要點

  由于建筑功能的要求, 海洋館入口處是平面為扇形的單層大跨鋼結構, 其徑向跨度約33m, 弧向最大跨度約50m, 兩側沿徑向的鋼柱和弧線上的鋼柱通過鋼梁與主體混凝土結構連接。其中弧向的鋼柱分為上下兩部分, 上柱和下柱均向外傾斜, 并通過一段4.5m的水平挑梁連接, 上柱、下柱和水平挑梁共同形成了“Z形柱”結構 (圖6) 。柱截面為□900×600×20, □850×600×20, ?700×20, 主梁截面為□1 200×400×20, H1100×400×12×14, H600×200×10×20, 鋼材采用Q345B。

  由于“Z形柱”在平面內無法在6.000m處設置徑向拉梁, 斜柱的穩定性分析就成為此部分鋼結構設計的一個最大難點。

  圖6 入口處“Z形柱”平面圖
圖6 入口處“Z形柱”平面圖

  圖7 入口處“Z形柱”剖面圖
圖7 入口處“Z形柱”剖面圖

  對于這部分“Z形柱”斜柱的穩定分析, 結構設計充分考慮建筑方案的實際情況, 巧妙利用水平挑梁的寬度, 在6.000m標高處設置了一道水平桁架作為支撐 (圖7) , 桁架兩端通過兩側徑向鋼框架支承在混凝土結構主體上, 進而形成剛度。并以此作為斜柱在平面內的一道支撐, 從而減小計算長度。

  水平支撐桁架寬度為4.5m, 桁架跨度弧線方向約為50m, 水平桁架跨高比約為1/11。結構計算結果表明, 水平風荷載作用下, 水平位移為9mm, 水平方向撓跨比為1/5 556, 桁架剛度較大, 可以作為斜柱平面內的穩定支撐。

  對于斜柱的穩定計算, 借鑒了以往的工程經驗并結合本工程的實際情況, 采用屈曲分析方法確定桿件計算長度。屈曲分析方法采用的是整體模型法, 從而得到計算桿件的臨界承載力。然后通過歐拉公式Pcr=π2EI/li2 (Pcr為臨界承載力;E為鋼材彈性模量;I為截面慣性矩;li為計算長度) 來反算桿件的計算長度[3], 再將計算長度指定給計算模型中的對應桿件, 從而完成桿件的穩定分析。

  5.3 、中央穹頂鋼結構網殼設計

  海洋館中央是個圓形的穹頂, 跨度40m, 起拱高度4.0m, 矢高比1/10。穹頂桿件截面為?426×16, ?325×12, ?278×8, 鋼材采用Q345B。充分考慮方案效果和結構受力因素, 結構方案采用單層圓鋼管網殼結構, 網殼四周支承在混凝土結構的柱頂, 采用固定鉸支座連接。對于單層網殼結構, 結構整體穩定分析是結構分析的重點。本項目在進行整體穩定分析時, 按照《空間網格結構技術規程》 (JGJ 7—2010) 取跨度的1/300作為初始缺陷, 不考慮結構的材料非線性影響, 進行幾何非線性分析。非線性分析荷載組合為1.0恒荷載+1.0活荷載, 計算方法為位移控制法, 荷載系數曲線如圖8所示。

  圖8 中央穹頂荷載系數曲線
圖8 中央穹頂荷載系數曲線

  通過荷載系數曲線, 可以確定荷載系數為18.1, 大于4.2, 滿足《空間網格結構技術規程》 (JGJ 7—2010) 的要求。

  中央穹頂位于海洋館中部, 底部挑空, 無法設置施工臨時支撐。鑒于施工現場的實際情況復雜, 中央穹頂施工采用整體吊裝方案。

  現場整體拼裝完成后, 實際吊重達到1 050kN, 吊裝高度90m, 吊裝距離74m, 安裝高度27m, 采用XGC16000型1250t履帶起重機一次性整體吊裝完成 (圖9) , 解決了現場場地問題, 同時保證了現場施工的進度。

  圖9 中央穹頂整體吊裝照片
圖9 中央穹頂整體吊裝照片

  5.4、 花鳥園鋼結構設計

  花鳥園平面為梭形, 按照建筑功能使用要求, 采用剛架結構形式。四周為焊接工字形柱, 中柱采用圓鋼管柱, 縱向設置兩道柱間支撐, 同時在對應柱間設置屋面支撐, 形成整體受力體系。結構模型軸測圖見圖2 (b) 。

  采用MIDAS Gen進行特征值分析, 模態分析結果表明:第1與第2振型均為平動, 自振周期T1=1.41s, T2=1.14 s, T3=0.83 s, T3/T1=0.589<0.9, 結構剛度較好, 剛度分布較均勻。變形分析結果表明:恒荷載+活載標準組合作用下豎向撓度最大值為72mm, 最大撓跨比72/29 500=1/410, 滿足規范要求;風荷載工況下, 水平位移最大值為32mm, 最大層間位移角32/14 000=1/437, 滿足規范要求。

  6、 混凝土結構抗腐蝕措施

  根據《混凝土結構耐久性設計規范》 (GB/T 50476—2008) [4] (簡稱混凝土耐久性規范) 中6.1.2條文說明中“接觸海水的混凝土構件也應考慮海洋氯化物的腐蝕, 如海洋館中接觸海水的混凝土池壁、管道等”, 因此本項目應重點考慮混凝土結構的抗腐蝕措施。

  本項目距離海岸僅200m, 所以按《混凝土結構設計規范》 (GB 50010—2010) [2]室外露天環境應屬于Ⅲ-B海岸環境, 而對于海洋館內部與海水或空氣中來自海水的氯化物直接接觸的環境按混凝土耐久性規范應屬于Ⅲ類海洋氯化物環境。

  本項目所有水池均設有玻璃鋼防水, 因此池壁混凝土與池底混凝土與海水不會直接接觸, 另外室內均有空調及排風通風系統, 室內都應為輕度鹽霧, 所以依據混凝土耐久性規范中6.2.1條, 本項目所有水池及有水池的室內環境類別均設為Ⅲ-D環境。

  針對海洋氯化物Ⅲ-D環境, 混凝土結構采取的抗腐蝕措施主要有:

  (1) 材料。混凝土強度等級采用C40, 混凝土抗滲等級為P8, 最大水膠比為0.40, 最大氯離子含量為0.1%, 最小膠凝材料用量為340kg/m3, 最大膠凝材料用量為450kg/m3, 單位體積混凝土中三氧化硫的最大含量不應超過膠凝材料總量的4%, 單位體積混凝土的含堿量不超過3kg/m3。采用較大摻量礦物摻合料混凝土, 礦物摻合料中加入占膠凝材料總重約30%的粉煤灰。混凝土抗氯離子侵入性指標應滿足混凝土耐久性規范中6.3.6條的要求, 28d齡期氯離子擴散系數DRCM≤10×10-12m2/s。用作礦物摻合料的粉煤灰應選用游離氧化鈣含量不大于10%的低鈣灰。

  (2) 保護層厚度。根據海洋氯化物Ⅲ-D環境類別增加混凝土保護層厚度, 墻和板的保護層厚度為35mm, 梁和柱的保護層厚度為40mm。

  (3) 混凝土裂縫控制。裂縫控制等級為二級, 裂縫寬度限值為0.2mm。

  (4) 混凝土外加劑。混凝土內摻適量優質粉煤灰、SY-K膨脹纖維抗裂防水劑 (6%~8%, 膨脹加強帶或后澆帶摻加量為膠凝材料的10%~12%) 及SY-R (3%~6%) 混凝土防腐阻銹劑。混凝土外加劑應滿足《混凝土外加劑應用技術規范》 (GB 50119—2013) 、《混凝土膨脹劑》 (GB 23439—2009) 的要求。

  (5) 施工及養護。澆筑后立即覆蓋并加濕養護, 養護至現場混凝土的強度不低于28d標準強度的50%, 且不少于7d, 加濕養護結束后應繼續用養護噴涂或覆蓋保濕、防風一段時間至現場混凝土的強度不低于28d標準強度的70%。若大氣溫度低于10℃, 應延長養護時間。

  7、 鋼結構防腐措施

  本項目因離海岸較近, 且室內為海洋氯化物環境, 鋼結構防腐極其重要。本項目提高一級采用防腐措施, 提高了防腐涂層的成分要求和防腐實驗要求, 具體采取的鋼結構防腐措施有:

  (1) 所有鋼構件先做拋丸除銹達到Sa2.5級。

  (2) 鋼結構涂環氧富鋅底漆, 厚度為2×40μm, 干膜中鋅粉含量不小于75%, 體積固體含量不小于61%;環氧云鐵中間漆, 厚度為2×70μm, 體積固體含量不小于80%, 快干型且具有在-5℃低溫固化功能;面漆氟碳漆厚度為2×30μm, 體積固體含量不小于50%;氟含量大于35%。

  (3) 防腐涂料的耐久年限要求25年以上。

  (4) 所有錨具、螺桿等均做熱鍍鋅處理, 厚度為不小于30μm。

  (5) 無機富鋅底漆應具6 000h鹽霧試驗合格報告。

  (6) 鋼結構使用過程中, 應根據材料特性 (如涂裝材料使用年限, 結構使用環境條件等) , 定期 (不超過10年) 必要維護 (如對鋼結構重新進行涂裝, 更換損壞構件等) , 以確保使用過程中的結構安全。

  8 、主體結構與幕墻設計的結合

  本項目立面造型為傾斜曲面, 若按照常規的二維圖紙設計, 將無法精準快速地表達設計內容, 也無法管控校核施工過程中誤差。另外因項目造型復雜繁瑣, 對加工安裝精度要求極高, 因此本設計采用了BIM技術 (圖10) , 以此來提供精準的三維控制信息來指導設計與施工, 最終目標使主體結構與幕墻設計通過參數化來落地實現。

  圖10 BIM模型幕墻分格
圖10 BIM模型幕墻分格

  本項目幕墻設計難點在于玻璃采光頂系統。該系統位于海洋館的屋頂, 為使室內外效果最佳, 玻璃采光頂的分隔線完全與主體鋼結構龍骨中心對應。設計難點在于龍骨安裝調節精度和冷凝水處理問題, 這也是大跨度采光頂項目長期以來難以解決的問題。針對此問題采取了有效的改進措施, 采光屋面的所有玻璃面板自重及外荷載通過面板依次傳至副框、鋼龍骨支撐結構, 然后通過U形支座傳至主體鋼結構上。鋼龍骨支撐結構的大小和安裝位置與理論設計尺寸可能相差較多且采用的材料在溫度變化的情況下, 會產生較大溫度應力, 因此在設計中考慮三維調節功能和應力釋放是非常必要的。玻璃副框系統創新性地采用了冷凝水雙集水槽系統 (圖11) , 通過高低搭配的集水槽來實現冷凝水的采集、導流、排除, 達到最優的使用效果。

  圖11 玻璃采光頂系統標準豎剖節點
圖11 玻璃采光頂系統標準豎剖節點

  9、 結語

  本項目結構形式為混凝土框架和鋼框架組成的混合框架結構, 結構體系復雜, 立面建筑造型繁瑣, 結構設計需緊密結合建筑和幕墻設計。針對大跨度鋼結構、大懸挑混凝土結構、樓板開大洞、樓板不連續等不規則, 設計采取了有效措施保證了結構的安全儲備度。針對海洋氯化物環境和近海環境, 設計從材料、施工、使用等方面對混凝土結構和鋼結構采取了有效的防腐措施。為實現建筑復雜立面的需求, 主體結構與幕墻設計采用了BIM參數化設計, 為設計和施工提供了準確的三維控制信息。結構設計很好地解決了各種設計難題, 實現了結構與建筑、幕墻的完美結合。

  參考文獻

  [1] 建筑抗震設計規范:GB 50011—2010[S].北京:中國建筑工業出版社, 2010.
  [2] 混凝土結構設計規范:GB 50010—2010[S].北京:中國建筑工業出版社, 2011.
  [3] 鋼結構設計規范:GB 50017—2003[S].北京:中國計劃出版社, 2003.
  [4] 混凝土結構耐久性設計規范GB/T 50476—2008[S].北京:中國建筑工業出版社, 2008.

    井彥青,楊勝志,李建峰,王再峰,曹廣勝,丁相飛,劉俊濤.日照海洋公園結構設計[J].建筑結構,2019,49(12):42-46.
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