海峡青年交流营地会展中心结构设计

海峡青年交流营地会展中心结构设计
杨平
【摘要】介绍了海峡青年交流营地会展中心项目的结构设计概况,同时分析了五项结构设计的重点、难点问题,包括:预制高强混凝土薄壁钢管桩(TSC桩)在深厚淤泥地基中的应用、混凝土钢筋桁架楼承板、斜柱和铸钢节点、大跨度钢桁架及钢柱的计算长度系数.
【期刊名称】《福建建筑》
【年(卷),期】2017(000)005
【总页数】5页(P52-56)
【关键词】TSC桩;混凝土钢筋桁架楼承板;斜柱;铸钢节点;钢桁架;计算长度系数【作者】杨平
【作者单位】福建省建筑设计研究院福建福州350001
【正文语种】中文
【中图分类】TU3
海峡青年交流营地项目位于福建省福州市马尾区琅岐岛，整个项目包括会展中心、活动中心、青年旅社和文化街等多栋多高层建筑。

该项目为福建省重点项目，建成后将作为海峡青年交流节的永久会址。

会展中心作为该项目会展会议场所，总建筑面积约6万m2，内部建筑功能包括剧院、展厅、影院、宴会厅及办公等，如图1所示。

会展中心地下部分共2层，其中地下一层(标高-3.800m)为半地下室(室外地面标高-1.850m)，地下二层(标高-7.700m)局部为人防地下室，人防等级：常6
级、核6级。

地上部分共4层，建筑屋面标高25.550m。

该工程建筑设计使用年限为50年，建筑结构安全等级二级，结构重要性系数
γo=1.0。

地基基础设计等级为甲级。

风荷载取值：基本风压按50年重现期取0.9kN/m2(承载力设计不放大)，舒适度
计算风压取0.4kN/m2，地面粗糙度为B类，风荷载体型系数1.4，风荷载计算阻尼比取0.02(钢结构)。

地震场地信息：建筑抗震设防标准为重点设防类(乙类，设计容纳人数5 000人以上)，设计地震分组为第三组，设防烈度7度(0.10g)，场地类别Ⅲ类，结构特征周期0.65s，阻尼比0.04(钢结构)，计算嵌固端取负一层。

建筑防火分类等级为一级，耐火等级为一级。

耐火极限：钢柱、钢支撑、楼面桁架为3h，钢梁为2h，钢筋桁架楼承板、疏散楼梯及屋顶承重构件为1.5h。

温度作用：钢结构考虑±30℃的温度作用。

主要结构活荷载取值：办公：2.0kN/m2；展厅、剧院、电影院、宴会厅：
4.0kN/m2；空调机房：8.0kN/m2；屋顶花园：3.0kN/m2。

该工程上部采用钢框架结构体系，钢材材质采用Q345b。

钢结构主要构件截面如下：框架柱：圆钢管柱Φ800×35、Φ1 000×35，箱型钢管柱Φ600×30，钢管混凝土柱Φ800×35，方钢管混凝土柱Φ1 400×1 000×30；主框架梁：
HN1000×300×19×36，HN800×300×14×26；次梁：HN600×200×11×17，HN400×200×8×13。

楼盖体系：该工程基本柱距9m×9m，采用单向次梁体系，一跨柱距内设两道次梁(间距3m)，结构楼板采用钢筋桁架混凝土组合楼板。

该工程整体结构计算采用盈建科(YJK)和迈达斯(Midas Gen)两个软件进行对比分析。

结构整体计算模型如图3所示。

两个软件主要计算结果如表1所示。

表1显示，两个软件的计算结果除风荷载外均比较接近，说明整体结构模型的分
析结果是稳定可靠的。

两个软件风荷载计算结果偏差较大的原因，主要是软件计算风荷载时所取的迎风面宽度不同造成。

结构整体分析的计算结果均符合规范要求。

结构自振周期前两个周期均以平动为主，第一扭转周期与第一平动周期的比值约0.8，小于规范要求。

《建筑抗震设计规范》[1]规定多高层钢结构多遇地震作用下的弹性层间位移角限值为1/250，《钢结构
设计规范》规定风荷载作用下层间位移角限值1/400，该工程偏安全取多遇地震
和风荷载作用下层间位移角均满足1/400要求。

4.1 预制高强混凝土薄壁钢管桩(TSC桩)[3]的应用
会展中心拟建场地淤泥等软土地质深厚，并且包含中等液化土层。

土层从上往下依次为杂填土、淤泥、中砂夹淤泥、淤泥夹砂、淤泥质土夹砂、粉(中)砂夹淤泥、淤泥质土夹砂、粉砂(夹粘性土)和碎卵石层。

其中，埋深15m范围内，中砂夹淤泥
层为中等液化土层，如图4所示。

传统的PHC桩抗弯、抗剪性能较差，在软土地质中施工效果不理想，经常会出现桩身倾斜或断桩等情况，且不适宜在液化土层中使用。

而混凝土灌注桩虽然可以在液化土层中使用，但成桩质量不易保证，工期长且造价高。

该工程桩采用预制高强混凝土薄壁钢管桩(TSC桩)与预应力高强混凝土管桩(PHC 桩)的组合桩，其中桩顶部15m采用TSC桩(桩型为TSC-Ⅰ-600-110-6)，桩身穿越淤泥土层及液化土层，15m以下均采用PHC桩(桩型为PHC-AB600(130)-55)，设计净桩长约55m～60m。

桩端持力层为碎卵石层，竖向抗压承载力特征值3 000kN。

TSC桩由于在外层包裹了钢管，抗弯和抗剪承载力均优于PHC管桩，可以在液化土层中有效抵抗地震作用下的水平剪力，如图5所示。

同时该桩型相比混凝土灌
注桩，能够大大节省工期和造价。

组合桩在现场实际施工中效果理想，现场TSC组合桩没有出现断桩、爆桩的情况。

施工完成后，对桩基进行了检测，承载力均达到设计要求，且没有出现Ⅲ类、Ⅳ类桩。

施工完成后，对建筑进行了持续的沉降，相关数据均满足规范要求。

4.2 混凝土钢筋桁架楼承板
该工程局部楼层层高较高(跨层，层高分别达到14.35m、11m、8m)，对于结构楼板，需要采用一种无支撑的模板系统，以避免传统的搭脚手架高支模施工带来大量人力、物力的消耗以及施工工期的拖延。

传统钢结构楼盖体系一般采用压型钢板组合楼盖，但压型钢板现场施工时无支撑跨度较小，且组合楼板为单向受力，结构安全度较双向板低。

该工程楼盖体系采用混凝土钢筋桁架组合楼板，二～四层楼板厚度130mm，屋面层楼板厚度150mm(钢筋桁架高度=楼板厚度-30mm)。

钢筋桁架楼承板将楼板中钢筋在工厂加工成三角形钢筋桁架，并将钢筋桁架与底模连接成一体。

施工期间，钢筋桁架铺设几乎不设临时支撑，楼承板自重、混凝土重量及施工荷载全部由钢筋桁架承受。

钢筋桁架底模仅作为施工阶段模板，在混凝土结硬前托住混凝土，使用阶段不承受荷载(在正常使用情况下，底模钢板的存在增加了楼板的刚度，改善了楼板下部混凝土的受力性能)。

同时，由于底模为平整的薄钢板，使得组合楼板两个方向的底筋均可以贯通设置，组合楼板在使用阶段可以按照普通混凝土楼板一样设计为双向板，比压型钢板组合楼盖的单向受力体系更加安全可靠，如图6～图7所示。

4.3 斜柱和铸钢节点
建筑首层～三层的四角为向外倾斜且逐渐收拢的三角形，向外倾斜的长度达到
11m，如图8a所示。

由于立面要求，在三层倾斜的最外侧无法设置柱子。

为此，结构上通过设置三角形相交的斜柱来达到建筑立面效果，如图8b所示。

斜柱采用圆钢管混凝土Φ800×35，相交节点采用铸钢节点。

铸钢节点材质为G20Mn5N，屈服强度≥300MPa。

斜柱在三层楼面相交，斜柱以上设置竖直钢管混凝土柱。

斜柱与楼层钢梁相交处，各构件截面不同，受力状态复杂，设计时该处节点采用了铸钢节点，并使用Ansys软件对铸钢节点进行有限元分析，保证节点受力的安全
可靠。

分析时，根据节点设计尺寸，建立对应空间三维模型，模型采用solid95单元，实体单元智能划分，并对其中容易应力集中的部位，如焊缝交汇位置进行加密。

材料屈服准则为von Mises，选取一根外弦杆的一个端面施加固定约束，其余端
面根据整体结构分析所得节点力施加荷载。

节点模型如图9所示，计算应力云图
如图10所示。

根据计算分析所得应力，铸钢节点整体处于线弹性状态，节点大部分应力小于
150MPa，少部分区域处于150MPa～265MPa，最大von Mises应力308MPa，位于主支撑与主杆件交汇处的点状区域，面积十分小，可认为是应力集中现象。

铸钢节点杆端的空间变形最大约为1.53mm，相当于其中心线长度的1/1 568，符
合钢结构设计规范的相应规定。

4.4 大跨度钢桁架
会展中心建筑首层东西两侧分别为展厅及剧场，三层东西两侧分别为大宴会厅及电影院。

为了满足使用上的要求，这几个部分柱距均达到36m，结构上，为了满足
建筑的使用要求，通过设置单向钢桁架来解决大跨度问题。

钢桁架高度2.5m(上弦上翼缘至下弦下翼缘高度)，弦杆、腹杆均采用H型钢(H型钢截面高度300mm～500mm)，与钢桁架相连的柱采用方钢管混凝土柱(1 400×1 000×30)。

建筑三层以上立面采用向外倾斜的形式，四层和屋面层楼板外轮廓线逐层向外扩展。

屋面层边线较三层楼板边线外扩了约9m，建筑剖面如图11所示。

同时屋面设计
覆土500mm，荷载较普通屋面大。

结构上，仍然采用钢桁架来解决长悬挑和屋面大荷载的问题，悬挑桁架高度2.2m(上弦上翼缘至下弦下翼缘高度)，弦杆、腹杆
均采用H型钢(H型钢截面高度300mm～500mm)，如图12所示。

4.5 钢柱的计算长度系数
传统软件计算钢柱的计算长度，采用《钢结构设计规范》[2]5.3.3条及附录D规定，通过计算上下梁柱线刚度比K1和K2，查表求出长度系数μ从而得出柱的计算长度，如图13所示。

对于普通钢柱钢梁的框架结构，这种方法是正确有效的。

但是，当与钢柱相连的是桁架而不是钢梁时，软件无法识别并计算整榀桁架的线刚度，而是把桁架下弦杆当作与钢柱相连的梁，计算下弦杆线刚度。

由于下弦杆线刚度远小于整榀桁架的线刚度，按此计算不符合实际的约束情况，得到的钢柱长度系数会非常大，从而导致钢柱截面偏大，如图14所示。

图15为YJK中一根与桁架相连的箱型钢管柱的计算信息，由于程序按下弦杆计算线刚度，导致柱长度系数很大，构件长细比超限。

为了解决上述问题，可以在Midas中利用屈曲分析，得到钢柱正确的计算长度系数。

如图16所示，在需要计算长度系数的钢柱上施加单位力，然后对该单位力工况进行屈曲分析，由此可以得到如图17所示的屈曲模态和屈曲系数。

该屈曲系数乘以单位力即为钢柱的屈曲荷载。

根据欧拉公式，Ncr=π2EI /(μL)2，在已知屈曲荷载Ncr后，即可反算求出柱的计算长度系数μ。

需要指出的是，利用欧拉荷载求长度系数的方法为线性屈曲分析方法。

实际结构在几何、材料方面都表现出非线性，要想精确计算，必须进行材料非线性和几何非线性屈曲分析。

但是对于工程设计而言，线性屈曲分析的精度已足够用于设计。

海峡青年交流营地会展中心项目在YJK和Midas两个软件中建模计算，通过对比分析，各项计算指标均满足规范要求。

项目设计中，通过采用TSC桩克服了深厚淤泥软土地基和中等液化土层的影响；通过采用混凝土钢筋桁架楼承板解决了传统施工高支模的困难；通过斜柱和相应的铸钢节点设计满足了建筑倾斜立面的需要；通过设置钢桁架解决了建筑上大跨度和大悬挑的挑战，同时采用屈曲分析的方法求出与桁架相连的钢柱计算长度，确保了钢柱截面的合理与正确。

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【相关文献】
[1] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2] GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
[3] JG/T 272-2010 预制高强混凝土薄壁钢管桩[S].北京：中国标准出版社，2010.。