童话王国结构设计

摘要：童话王国结构为典型的混凝土少量剪力墙框架结构体系，在顶部设置有一钢结构网壳穹顶构架，文章对童话王国的结构设计进行性了全面的介绍，分别通过YJK、SAP2000计算软件对下部主体结构、钢结构网壳穹顶构架进行分析设计。结果表明：混凝土主体结构抗震性能上良好，体系安全可行;在层高很高且层高差别很大的情况下，合理的增加少量剪力墙可以在不影响建筑功能的条件下，实现较为经济的体系;温度荷载对于超长结构来说不可忽略，合理选择温度荷载大小并考虑其不利影响，通过施工措施与加强配筋可以有效控制超长结构的裂缝;合理的选择穹顶构架的受力体系、支座形式以及杆件截面的形状可以有效减少钢结构的重量，以较经济的造价实现建筑功能。

[作者简介]叶晨爽（1988—），男，本科，工程师，主要从事建筑结构设计工作。

1 工程介绍

本项目位于浙江省内，南面靠近溪流，北面靠山。仅有一栋塔楼在地下室范围当中，塔楼范围内地下2层，层高分别为3.5 m、3.5 m，其他范围地下1层，层高5.6 m。室内外结构高差1.4 m，覆土厚度1.3 m;塔楼上部5层，层高分别为5.7 m，10.1 m，10.1 m，7.0 m，7.0 m，建筑高度39.9 m，柱网为9.0 m×9.0 m。顶部设置钢结构网壳穹顶构架，总的建筑高度77.5 m。

建筑主要功能地上以游艺为主，地下是为设备用房与停车库，地下夹层为配套办公用房等;4层、5层中间居中开大洞，洞口尺寸为45.0 m×45.0 m，4层预留客房与室外无边游泳池，5层预留客房与餐饮等功能，屋面预留摩天轮等游艺设施。根据甲方提资，游艺设备的预留活荷载为4.5 kN/m2。3层顶预留300 mm厚覆土荷载，屋顶预留600 mm厚覆土荷载。

主要效果见图1，整体计算模型见图2。

2 基础设计

2.1 地勘资料

根据现场勘探，结合岩土层的沉积时代、成因类型、钻探对比综合分析，将勘探深度范围以内地基岩土层划分为5个工程地质层，7个工程地质亚层，现将主要特征描述如下：①层：角砾（al-plQ43）;②层：含砾粉质黏土（al-plQ43）;③层：含粘性土碎石（al-plQ43）;④1层：强风化砂砾岩（K1c）;④2层：中风化砂砾岩（K1c）;⑤1层：强风化凝灰岩（J3X）;⑤2层：中风化凝灰岩（（J3X）。其中部分范围④2层缺失。

各岩层主要力学性质见表1，典型岩层剖面见图3。

2.2 基础设计

本项目结构北面靠山，南面临近小溪，持力层为北浅南深。设计采用天然基础以及柱下单桩基础，持力层选择为④2层，缺失的范围采用⑤2层，鉴于现场施工人员无法明确区分中风化凝灰岩与中风化砂砾岩，设计统一按照中风化砂砾岩的地基承载力特征值设计。根据持力层的深浅分别采用柱下独立基础、柱下墩基础及柱下人工挖孔桩混合的基础1200形式，其中墩基础与人工挖孔桩基础以承台下深度6.0 m为界，小于6.0 m时按照墩基础设计，设计不考虑结构的沉降问题。

结合地下水位较高的情况，设计采用400 mm厚的地下室外墙，靠近地下室周边一垮范围内，采用底板厚度为600 mm，其余范围采用400 mm厚底板。塔楼范围以外的柱下独立基础采用1.6 m×1.6 m×0.9 m（高），独立基础顶平底板顶，塔楼范围内的柱下独立基础为3.2 m×3.2 m×0.9 m（高）、3.4 m×3.4 m×0.9 m（高）不等;结合塔楼下的防水板设计，墩基础与人工挖孔桩的承台也采用相同规格，作为防水板的反柱帽。

2.3 抗浮设计

根据地勘要求，抗浮设防水位建议按室外地坪标高以下0.5 m考虑。塔楼范围以外的部分覆土为1.3 m，结构自重不足以抵抗浮力的要求，在塔楼范围以外设置2.25 m×2.25 m等規格的抗拔锚杆，来抵抗底板的水浮力;综合底板厚度、水浮力及抗拔力试验值等要求，抗拔锚杆杆体为28，单根锚杆的抗拔承载力特征值通过现场随机试验确定为 400 kN。

塔楼范围以内，由于主体结构的存在，不考虑结构的整体抗浮问题，设计通过对塔楼底板进行局部抗浮设计，将水浮力通过防水板传递到框架柱下，由结构的自重来抵抗水浮力。

3 主体结构设计

本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值0.05 g，设计抗震分组为第一组。建筑场地类别Ⅱ类，属于对建筑抗震一般地段，建场地的特征周期0.35 s;抗震分类标准为乙类，设计使用年限100年，建筑结构安全等级一级，结构重要性系数取1.1[1]。

根据初步计算结果，由于层高的差别太大，导致整个结构出现薄弱层与软弱层;4层和5层的框架柱截面相同，典型节点为700 mm×700 mm，3层框架柱要比4层框架柱截面大，典型截面为900 mm×900 mm，2层框架柱截面需要比3层更大，严重影响到建筑功能的布局。

为了避免结构超限，使得整个结构更加合理安全经济，设计在2层楼面开始往下，在周边不影响建筑功能的位置，设置少量混凝土剪力墙，形成少量剪力墙的框架结构体系[1， 3]。出于安全考虑，框架柱的抗震等级为二级，剪力墙的抗震等级为二级，位移角按照1/800控制。

3.1 混凝土部分

3.1.1 结构体系的选择

地下室顶板为了满足嵌固端要求，楼板厚度取180 mm;为了尽可能的获得更高的净高，地下室夹层采用无梁楼盖+柱帽的结构形式，楼板厚度250 mm，柱帽尺寸为3.0 m×3.0 m×0.65 m;地下室顶板采用十字型次梁的结构体系，主梁高度750 mm，次梁高度650 mm。

塔楼上部标准层根据建筑功能以及管井布局等，基本采用十字型、井字型次梁的结构形式;典型主梁高度700 mm，次梁高度650 mm，楼板厚度120 mm;四层南边设置无边泳池，悬挑长度为7.0 m，泳池水深1.2 m，结构采用主次梁共同悬挑的结构形式，为了控制主次梁的变性协调，在悬挑端与内部端设置多道次梁，并加强配筋[4]（图4）。

3.1.2主要计算结果

本工程结构整体计算采用YJK（V2.0.3）。多遇地震作用下结构分析的主要参数为：

（1）分别采用振型分解反应谱法计算结构响应，各振型贡献按CQC法组合。

（2）嵌固端设于地下室顶板面，塔楼范围内顶板厚180 mm，塔楼范围以外顶板范围250 mm。

（3）采用全楼刚性假定进行整体分析，弹性楼板假定计算构件内力和配筋。

（4）地震计算中考虑结构的扭转藕联及5%的偶然偏心和双向地震作用。

（5）在多遇地震下的阻尼比取0.05。

（6）风荷载体型系数取1.4。

（7）各工况考虑温度荷载的不利组合。

3.2 屋顶设计

3.2.1 结构体系的特点与选择

屋顶钢结构网壳穹顶构架，网壳平面尺寸为90.0 m×99.0 m，周边径向支撑在周边的44根框架柱上，支点高出大屋面9.5 m，中间对称位置设置4根立柱，在高出大屋面9 m的位置设置树型支点，每根支点分为4个斜支点支撑在构架上。树型支点详见图5。

支点到构架顶部的高度为28 m，中部有一圆孔，并且往下凹，结构形式上属于不标准的网壳结构体系，结构主要杆件以承受弯矩为主，轴力为辅。针对受力特点，径向杆件均设计为焊接H型钢，主要截面H800×300×14×25，在中间树型支座处的两道环形杆件，由于也存在较大弯矩，也采用焊接H型钢，主要截面H800×400×14×25，与支座直接相连的杆件采用焊接箱型截面 口800×400×30×30，其余环向杆件均采用成品圆钢管;钢材均采用Q355B。

框架柱上的支点设置在柱的侧面，采用铰接支座连接。为了承担网壳穹顶构架传递的水平力，在框架柱中设计H型钢钢骨，并往下延伸一层，确保框架柱的安全。由于支座离大屋面较高，支座存在一定量的水平位移，导致结构无法形成壳的作用，设计在中部设置4个支点，与网壳均采用交接连接。

3.2.2 结构计算分析

本工程采用SAP2000软件进行主体钢结构计算及设计。为得到真实受力情况，周边混凝土立柱、内部四根树型支撑柱等均作为计算单元输入计算模型，模型的支座为大屋面顶部，支座均为固定支座。整体空间模型如图6所示。

3.2.2.1 荷载取值

本工程主要考虑恒载、活载（吊挂荷载）、风荷载、温度作用。荷载取值如下：遮阳网格布0.2 kN/m2，屋面吊挂荷载：0.5 kN/m2。（按下弦节点荷载输入）;按恒荷载考虑。屋面活荷载：不上人屋面0.5 kN/m2。风荷载：基本风压0.70 kN/m2。考虑遮阳网格布的通透率，按照折减系数0.5进行考虑;其组合值、频遇值和准永久值系数分别为0.6、0.4和0，地面粗糙度为B类。温度作用：合拢温度按15～20 ℃考虑。考虑两种温度作用工况，整体升温30 ℃和整体降温30 ℃。

本工程设防烈度为6度，设计基本加速度0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别II类，特征周期为0.35 s。水平地震影响系数最大值0.08。结构阻尼比取0.02。本工程计算X、Y向水平地震作用及Z向竖向地震。竖向地震影响系数采用水平地震影响系数的65 %[2]。

3.2.2.2 荷载工况组合

（1）考虑到施工组装与正常使用时的荷载工况如表3所示。

（2）根据上述的荷载工况主要考虑控制工况组合：

①1.2×恒载（Dead）+1.4×风载（Wind*）+0.98×满跨活载（LiveM*）+0.98×升温荷载（TS）

②1.2×恒载（Dead）+1.4×风载（Wind*）+0.98×满跨活载（LiveM*）+0.98×降温荷载（TJ）

③1.2×恒载（Dead）+0.84×风载（Wind*）+1.4×满跨活载（LiveM*）+0.98×升温荷载（TS）

3.3 结构特性

3.3.1 静力分析结果

钢构件得主要钢构件控制0.85;结构在竖向荷载标准组合下的变形形状如图7所示，最大竖向位移为72 mm，为跨度的1/1250，满足规范要求。立柱顶的侧向位移最大值22 mm。

3.3.2 模态分析

模态是结构的固有振动特性，每个模态具有固有的频率。计算前12阶模态均表现为结构整体的平动或扭转。模态变形形状如图8～图13所示; 计算结果表明结构整体刚度分布合理，抗震性能良好;扭转周期与平动周期比为0.60。

3.3.3 屈曲分析

结构的线性稳定分析即是特征值屈曲分析，是一种对结构理想性的整体稳定分析，分析中不考虑几何与材料的非线性，同时也不考虑结构的初始缺陷。本工程进行了特征值屈曲分析，假定材料为线弹性。Sap2000通过对特征方程的求解，来确定结构屈曲时的极限荷载和破坏形态。本工程进行特征值屈曲分析时施加的荷载选用1.0D（恒载）+1.0L（活载）作为初始荷载向量。经计算结构一阶屈曲因子为12.02>5.0说明结构具有较好的整体稳定性。屈曲形式为网壳水平方向的失稳，如图14所示。

3.3 主要节点应力分析

树形分叉处的节点采用ANSYS 10.0软件进行细化分析，确保结构安全。分析采用实体单元SOLID 45，每个单元有8个节点，每个节点有3个平移的自由度，单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力。由于节点可以看作一个平衡体系，取竖向杆件的端部为固定约束只做，树枝的顶部作为荷载输入端施加节点荷载;有限元分析考察了节点的最大位移与Mises应力分布，并根据钢材性能对节点的安全性做了评估（图15、图16）。

由有限元计算结果表明，在最不利的荷载工况组合下，节点的Von Mises等效应力的最大值为100 Mpa;局部存在应力较大区域，主要发生在树干与树枝杆之间的连接处部位且范围很小，可发展的局部塑性范围有限;在设计中通过光滑焊缝倒角来处理应力集中現象，使最大应力小于计算值。

4 關键问题的解决

4.1 超长结构的解决

4.1.1 温度荷载全过程影响

主体结构平面尺寸为100 m×100 m，温度荷载对结构的影响主要体现在结构的长度与温度荷载的取值上，并且温度荷载对施工期间和使用期间有着不同的影响。温差取值涉及到很多因素，不同的取值会导致较大的温差荷载，计算结果的差异也很大，设计时更应该注重结构的概念设计以及整体设计，采取一些防范措施，尽可能的避免或者减少温差带来的不利影响。

施工阶段混凝土成型收缩受到约束，局部会产生拉应力并出现裂缝，构件截面受拉与恒活荷载叠加后，混凝土收缩拉应力或者早期裂缝宽度会有所增加，当环境温度进一步降低时，这些拉应力或者裂缝也将进一步加剧。设计通过措施：①设置后浇带与加强带;②验算截面的最大裂缝宽度并据此来设置构件配筋;③加强混凝土构件的养护等。

4.1.2 温度荷载的取值讨论

建筑物从施工开始到设计年限这段时间内，一直受着各种自然环境条件的变化，建筑物的内外表面之间，还不断的以辐射、对流、传到等方式与周围的空气进行热交换，因此作用在建筑物上面的温度荷载也很复杂;所以温度荷载的正确取值，是分析温度效应的关键。设计考虑的温度荷载的分类主要有：

（1）季节温差，根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》中，最高基本气温38 ℃，最低基本气温-3 ℃，季节温差41 ℃。

（2）日照温差，按照室内有取暖设备考虑，常年温度为27 ℃，那么夏季室外升温差10 ℃，冬季室外降温差33 ℃。

（3）骤降温差，骤降温差包括强冷空气或者超高温的影响。

（4）混凝土收缩当量温差，混凝土收缩等效温差是指将混凝土的收缩换算成等效当量温差，再和结构的温度变化叠加，形成计算温差后再进行温度应力分析。

结合本工程实际情况，将温度荷载的影响范围分为地下室和上部结构两种范围分别讨论。混凝土的收缩是一种随时间而增长的变形，结硬初期发展较快，后期增长缓慢，一般两年后趋于稳定。本工程楼盖设置了多道后浇带，间距约40 m，两个月以后浇筑封闭后浇带，混凝土的收缩应力因得到释放而变得很小，计算时按照45 %等效温差的影响，存在于地下结构与地上结构。

在结构完成以后到竣工直至使用时，室内的温度由于有建筑外保温、隔墙、幕墙等措施，使得室内外的温差以及季节温差等不是很明显。这个温度荷载的作用效应远小于施工后期的温度作用。

4.1.3 不同部位处温度作用的影响

根据计算结果，设计分析：

（1）在温度荷载作用下，由于受到底部的约束，层间变形差由下往上依次递减。在第4层开始间变形差较小。

（2）在温降工况下，楼板拉应力分布沿楼板纵向表现为两端小，中间大;沿竖向随着楼层的增加，拉应力逐步减小。

（3）本工程采用少墙框架结构，竖向构件刚度较小，且没有明显刚度集中或不均匀，在温荷作用下，楼板受到约束较小，整体楼板应力不大在可控范围，温度应力最大的一层楼面，在降温工况下楼板拉应力主要控制在1.2 MPa～2.4 MPa间，在房屋处有应力集中，楼梯间等楼板削弱明显的区域局部楼板应力略偏高，主拉应力约2.4 MPa。大部分区域应力水平较低，按0.8 MPa计算，每延m温度筋为0.8×110×1000/360=245 mm。应力集中区域局部加强。

（4）本工程楼板温度应力在可控范围，采用双层双向配筋，适当提高配筋率的措施来抵抗温降荷载产生的拉应力。按《全国民用建筑工程设计技术措施》（混凝土结构）中建议措施，采用8@150双层双向拉通钢筋，温度应力集中的区域局部再加强。

设计加强措施：

（1）设计中采用双层双向配筋，选用小直径钢筋密排布，适当的增加配筋率。

（2）加强建筑隔热保温措施，特别是屋顶层。

（3）后浇带设置只能在较短的间距范围内解决早期混凝土收缩应力问题，对于超长结构体系的后期温度应力的影响无意义;设计应采用膨胀加强带与后浇带相结合的方法。同时后浇带采用主受力钢筋搭接或者附加一定量的受力钢筋。

（4）控制混凝土入模式的温度来降低温差效应，减少裂缝开裂。

4.2 层高与结构形式的选择

根据建筑功能的要求，地上部分除了首层外，其余楼层的墙体均属于高大墙体，需要针对墙体进行分别处理。外立面上根据建筑要求设置层间框架梁，内墙结合门洞、卷帘门等要求布置柱间框架梁，各种管井确保墙体的无支撑长度满足规范要求时，不另设层间梁;确保每片墙体的高度不超过6.0 m（200 mm厚砌体墙），并对夹层框架梁参与整体计算配筋，构造上对设置夹层框架梁的框架柱进行箍筋全长加密，确保框架柱的抗剪的安全性。

由于甲方对净高要求较高，地上尽可能多预留可用层高，采用十字梁与井格梁的结构形式。塔楼范围地下室夹层，采用无梁楼盖结构形式。

5 结论

本工程从设计开始到完成设计时，本着节约、经济的原则，从几个方面考虑，以确保结构安全[5]：

（1）本工程结构体系选择合理，对其中薄弱部位有针对性的抗震构造措施，对各种关键点进行了相对应的调查研究与设计。

（2）超长结构体系应该充分考虑温度荷载对于结构从施工期间直到使用全过程的影响;特别是后浇带封闭后维护结构没有施工前的时间段;应该注意施工组织设计，尽可能减少温度荷载对主体结构的影响。

（3）大跨度结构体系应着重注意正常使用极限状态的设计。

（4）大跨度的钢结构屋盖应结合主要受力形式来选择杆件的截面，使得体系更加经济。

参考文献

[1] 建筑抗震设计规范：GB 50011—2010 [S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2016.

[2] 钢结构设计标准：GB 50017—2017 [S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2018.

[3] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S].北京： 中国建筑工业出版社，2011.

[4] 叶晨爽.云南文山民族大剧院抗震性能分析[J]，上海建设科技.2021（2）：1-4.

[5] 刘文燕. 某超高层办公楼结构设计[J]，工业建筑，2014（12）：157-162.