杭州国际博览中心设计

杭州国际博览中心设计

1建筑结构及设计等级杭州国际博览会中心长约4400米，宽约2640米，总面积约84万米。建成后，它将成为中国最大的展览中心。该项目位于杭州市钱塘江南岸滨江区和萧山区两区分界的七甲河沿岸,集各种大中型展览、会议、餐饮、休闲等多功能、多空间为一体,建筑造型独特、富于变化(图1)。工程的地下结构为2层连体结构,地上结构通过防震缝将建筑分为5块(图2)。地上分块结构中,会展部分地上3层(每层均设夹层);会议部分地上6层,屋面设有屋顶花园和城市客厅,剖面如图3所示;附属办公楼部分有3栋高楼,高度分别是72,84,100m,剖面如图4所示。工程结构的安全等级为一级,结构的设计使用年限为50年,设计基准期为50年。工程中会展、会议部分建筑抗震设防类别为乙类,附属办公楼及会议部分建筑抗震设防类别为丙类。建筑地基基础等级为甲级,基础设计安全等级为一级。建筑物耐火等级为一级。地下工程的防水等级为一级。2钢结构设计杭州国际博览中心体量巨大,结构复杂,工程主体部分采用钢管混凝土柱与大跨钢桁架组成的框架结构,屋顶花园钢结构采用曲面钢网壳和单层球壳,附属办公楼采用现浇混凝土框架-剪力墙结构。在初步设计过程中,主要面临以下问题。2.1大跨度小柱空间会展部分地上结构标准柱距27m×36m,会议部分有54m×54m会议厅,会展部分有72m大跨度无柱空间。会展部分首层展厅地面活荷载标准值50kN/m2,层2活荷载标准值20kN/m2,层3活荷载标准值10kN/m2。会议部分和会展部分有屋顶花园,局部有园林水系,绿化部分覆土厚度600mm,恒荷载标准值控制在18kN/m2之内。2.2混凝土收缩徐变应力工程地上部分通过结构缝分为5块(图2),地下连为一体,大底盘长约432m,宽约264m,温度变化及混凝土收缩徐变引起的应力不容忽视,需要专项论证。由于结构超长(大于300m),地震作用的行波效应可能较明显,依据超限文件需要进行多点多维地震输入分析。2.3曲面网壳结构工程屋顶花园设有一个城市客厅,底部通过环形转换桁架支撑在屋面主桁架上(图3)。城市客厅采用球面网壳,表面覆盖玻璃,网壳跨度60m,达到网壳结构技术规程的最大适宜跨度。屋顶花园上局部有大跨度曲面网壳,局部开大洞,对整体刚度的削弱较大,需合理选型并加强。曲面网壳通过彩带型钢结构支撑在柱子上,彩带型钢结构的稳定和节点设计需研究分析。2.4高位托柱转换层结构附属办公楼部分竖向构件不能落地,在44m标高设置了36m跨度的高位托柱转换层,依据超限文件,需对该结构进行细致分析并制定合理的抗震性能化目标。3技术措施针对该工程的具体情况,在初步设计过程中采取以下技术措施。3.1主要荷载载折减系数工程活荷载较大,如果按照活荷载满布设计将引起较大的浪费,合理地折减活荷载是安全经济的。设计需根据展位的数量与场地的面积推算活荷载折减系数,并与荷载规范规定的活荷载折减系数做对比。最终计算次桁架、主桁架、柱子的时候,活荷载折减系数分别取0.9,0.8,0.6。为保证结构有足够的安全度,工程按照规范考虑了100种工况,并结合工程实际增加了以竖向地震为主的组合(抗震规范GB50011—2010征求意见稿)。工程温度作用参与组合,分项系数γT取1.4,组合值系数ψc在非抗震组合中取0.7,在抗震组合中取0.2。3.2地震作用3.2.1小震安评谱与规范作用谱比较依据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001),杭州地区抗震设防烈度6度;设计基本地震加速度峰值为0.05g;地震分组为第一组;根据安评报告,场地类别介于Ⅱ类场地与Ⅲ类场地之间。抗震规范未给出6度区的罕遇地震地震影响系数(2010规范征求意见稿已补充),按照条文说明中6度区罕遇地震取7度强设防烈度下的加速度峰值,因此应小于0.15g而大于0.10g。安评报告中给出了对数形式表达的安评反应谱和规范反应谱的区别,为便于比较,也按照规范反应谱的形式,给出了安评谱和规范谱的比较,见图5。从图5中可以看出:小震安评谱地震影响系数比规范谱大,特征周期也长,在结构的大部分频谱范围内,安评谱均大于规范谱;安评谱的小震最大地震影响系数αmax比规范谱大约35%,安评谱的中震最大地震影响系数αmax比规范谱大约66%。根据以上分析,确定在小震分析时采用安评谱地震动参数,在中震强度分析时采用规范谱地震动参数,在变形分析时采用安评谱地震动参数,大震分析因规范没有明确反应谱峰值,因此强度分析和变形分析均用安评谱地震动参数。3.2.2场地地震影响分析依据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)规定采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。工程地震波分别采用安评报告提供的人工波(USER1)、中国建筑科学院提供的两条三类场地土的天然波(USER2,USER3),三条波的平均地震影响曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响曲线在统计意义上基本相符。采用安评报告提供的峰值加速度:主方向为24cm/s2,次方向为24×0.85=20.4cm/s2,水平地震影响系数最大值取0.054。输入地震波加速度反应谱见图6。3.3建筑物和覆盖层结构的选择3.3.1楼地面结构方案工程会展部分楼层标准柱距为36m×27m,荷载较大,经分析比较了四种楼面方案,见表1。考虑建筑功能、管道布置、施工、造价等因素,工程最终选用钢管混凝土柱、钢桁架(局部钢梁)楼面结构,图7是其典型剖面。钢桁架的布置见图8。沿27m短向布置主桁架,然后主桁架上设置次桁架,次桁架上再布置小次梁。由于主桁架受到次桁架传来的集中力特别大(5400kN),与传统的桁架次应力仅占10%左右不同,弦杆的弯曲次应力占了50%以上。为解决弦杆的弯曲次应力,将弦杆适量做宽扁,以减小弯曲刚度。3.3.2采用总成分析的方法计算会展部分顶层有72m跨度无柱展厅,轻型屋盖,拟采用梭形管桁架结构,如图9所示。管桁架两端铰接,计算采用总装分析,考虑下部结构影响。管桁架下弦受到斜腹杆的支撑作用(相当于门式刚架的隅撑),自身稳定可以保证,上弦杆铺有檩条和压型钢板,稳定也可以得到保证,故计算的时候,所有杆件的计算长度系数均取为1.0。施工图阶段可以对管桁架进行屈曲分析,进一步探讨结构的整体稳定性。3.4超长结构3.4.1施工过程的精细化工程尺寸432m×264m,地上分块,地下连为一体。地下层1,2顶板温度应力不能忽略。根据当地气象条件,杭州年平均气温16.1℃,1月份最低平均气温为4℃,7月份最高平均气温为34.9℃。对于主体结构温度荷载,当地最高、最低温差为34.9-4=30.9℃,温差荷载取±15℃。考虑到土层的保温,地下室部分温差取值按照地上温差×0.7。温度应力的计算受影响因素较多,考虑施工过程的精细化,温度应力分析在实际建设过程中也难以把握,规范也没有统一的标准。依据相关文献,初步设计阶段拟采取以下原则计算温度应力:1)暂不考虑施工过程影响,采用整体升降温法计算温度应力;2)考虑截面开裂的影响,将梁柱的弹性模量乘以0.85的折减系数;3)考虑混凝土的收缩徐变,将计算所得的弹性应力乘以0.3作为设计应力;4)偏保守地不考虑桩基刚度,认为地下室完全嵌固在桩基上。有限元分析显示,在降温15℃工况下,板的温度应力(拉应力)最大值为2.5MPa左右,中间板带的最大应力为1.5MPa左右。初步设计阶段拟采取以下构造措施来控制温度应力:1)结构混凝土施工时,每隔30~40m设置一道后浇施工缝,在该缝两侧混凝土施工完2个月后,采用高一强度等级的无收缩(或微膨胀)混凝土浇筑此缝;2)本工程地下层1,2顶板钢筋混凝土梁双向设置无粘结预应力筋以抵抗超长结构使用期间温度应力,预压应力控制在1~1.5MPa左右;3)在地下层1,2顶板沿地上分缝位置设置温度诱导缝,在温度诱导缝偏少的地方,在后浇带位置(跨中)将楼板通长下凹,凹口两侧设边梁,凹口处框架主梁不断,但截面宽度适当减小,使裂缝集中出现在凹槽处。凹槽处用轻质材料回填,面层处增加配筋。3.4.2考虑行波效应的多点输入的分区及输入方向现有研究成果表明,对于超长型结构有必要进行多点输入地震反应分析。欧洲桥梁规范在规定地震作用时考虑了空间变化的地震运动特征,并指出在下面两种情况下应考虑地震运动的空间变化:1)桥长大于200m,并且有地质上的不连续或明显的不同地貌特征;2)桥长大于600m。鉴于本工程结构超长,应当对结构按多点地震输入进行补充分析。选用时程分析法作为本工程多点多维输入地震反应分析的主要方法。在进行考虑行波效应的多点输入时程地震反应分析时,通常假定地震波沿地表面以一定的速度传播,各点波形不变,只是存在时间的滞后,简称行波法。地震波在基岩的传播速度为2000~2500m/s,在上部软土层传播速度较慢,近似取为剪切波速,根据本工程的地质情况和《杭州市国际博览中心项目工程二标段岩土工程勘察报告》提供的数据,剪切波速取170m/s。采用MIDAS进行整体结构考虑行波效应的多点和X及Y方向输入的时程分析(Y向取0.85乘X向),找出超长结构受力较大部分,按此计算调整设计。多点输入分区及输入方向如图10所示。根据前述分析计算结果,针对本结构得出如下结论:1)由于地震动输入存在相位差,多点输入对各部分结构的底层扭转影响较大,随着高度的增加,扭转影响渐渐小于一致输入的情况;2)多点输入附属办公楼部分的位移影响较大,多点输入的位移较单点输入的位移偏大,且在角部这种放大的趋势更加明显,最大位移比达到4.21;多点输入对会议部分及展厅部分位移影响相对较小,对于角部和楼板大开洞的边缘,柱层间相对位移比值增大幅度介于1.2~2.0之间;3)多点输入对不同部位柱子的剪力影响不同,其影响的规律与上述扭转、位移相似。在小震承载力设计时,对不同部位的柱子内力进行相应的调整(调整系数1.0~5.0)。3.5结构形式的确定附属办公楼位于博览中心展厅北侧,在地下与会展、会议连为一体,地上由于功能和结构形式的不同,办公楼与会展、会议之间设防震缝,成为独立的结构单元,见图1。办公楼的高度分别为72,84,100m,相应地上层数为14,17,21层。办公楼地下建筑功能为车库,地上层1~6为餐饮、交通通道,最大柱跨为36m。地上层7以上为办公用房,柱距为9m×9m。由于上下竖向构件位置不同,在44m标高处设置了36m跨度的托柱转换层,见图4。附属办公楼的结构特点是跨度大、高位托柱转换。为了结构设计的安全、可靠、经济、实用,进行了多种结构形式的比较分析,最终决定采用混凝土框架-剪力墙结构形式。初步计算分析显示,附属办公楼属于扭转不规则、楼层刚度突变、竖向构件不连续的超限高层建筑,需要超限审查。针对附属办公楼的超限情况,性能化设计计算参数选取见表2。在初步设计中采取以下措施:(1)多遇地震弹性分析——采用SATWE和ETABS进行对比计算,保证整体结构的各项指标满足规范对复杂结构的要求,保证整体结构的变形满足国家现行规范的要求。(2)根据规范要求,采用SATWE程序对本工程进行整体的弹性时程分析,与振型分解反应谱法的计算结果进行比较,以确保结构分析的全面性,保证结构受力安全可靠。(3)采用MIDAS软件进行弹塑性静力分析(Push-over),找出结构薄弱环节,检验结构在罕遇地震下的弹塑性层间位移角是否小于规范限值,判断塑性铰和裂缝的出现位置并对结构予以加强。(4)另外要达到的抗震性能目标:1)每根框支柱的地震剪力至少取基底剪力的3%;2)转换层及以下竖向构件(包括剪力墙及框架柱)满足偏拉、偏压承载力中震弹性;3)转换层及以下竖向构件(包括剪力墙及框架柱)受剪承载力满足中震弹性和大震下截面剪应力控制的要求;4)转换层之转换梁满足受弯、受剪承载力大震安全的要求;底部加强区及以上两层(标高52m以下)剪力墙抗震等级按一级设计构造。3.6屋顶花园的辅助结构3.6.1网壳稳定分析屋顶花园城市客厅球面网壳跨度60m,表面覆盖中空夹胶玻璃,由于玻璃尺寸的要求,所有的杆件长度都要限制在2300mm以内,采用短程线球面网壳是最佳选择。为追求纬线是平行的建筑效果,结构最终采用了联方型和凯威特型(K6)组合,效果见图11。网壳杆件规格为H150×150×6×8,200×150×6×8,250×150×6×8,为方便施工,避免大量的高空焊接,节点拟采用栓焊连接节点,节点做法如图12所示。该网壳已经达到规范规定单层网壳的最大适应跨度并且开有较大的门洞。网壳规程所总结的稳定承载力公式已经不适用(规程JGJ61—2003规定跨度小于45m,可按照4.3.5条计算稳定承载力)。故本工程球面网壳需要进行弹塑性屈曲分析判断结构的极限承载力。通过弹塑性屈曲分析,控制极限荷载系数大于2.5。稳定分析时,考虑结构的大变形、材料非线性和初始缺陷。其中材料本构关系取为理想弹塑性模型;按照网壳结构规范,初始缺陷形式为结构最低屈曲模态,缺陷大小为结构跨度的1/300。根据非线性稳定分析结果(图13)可以看出,在各种荷载模式下的承载力系数均大于4.0,满足网壳结构技术规程中对于稳定承载力分析的要求。3.6.2网架支撑结构的设计屋顶曲面网壳尺寸200m×72m,中间无柱,局部开大洞,对结构的削弱非常大。通过计算分析,拟采用正放四角