研究背景

南通國際會展中心(會議中心)位于南通市崇川區(qū)紫瑯湖東北岸，建筑總面積約8萬m2。建筑平面沿長向分別布置多功能廳和宴會、會議廳兩個大功能分區(qū)，中間設(shè)入口并與大廳連接(圖1)。

圖1 建筑實(shí)景

建筑平面總長280 m，寬度84 m，功能區(qū)結(jié)構(gòu)屋面最大高度23 m。地下1層兼具車庫及人防功能，采用混凝土結(jié)構(gòu)；地上1～3層層高不等，由下至上分別為9，6，4.5 m，兼具會議及展示功能，主體采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，大跨空間屋頂采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，最大跨度54 m；頂部造型屋面為自由曲面，最大高度30 m，采用交叉管桁架結(jié)構(gòu)，地上結(jié)構(gòu)的整體模型見圖2，典型剖面見圖3及圖4。嵌固層位于地下室頂板。

圖2 整體結(jié)構(gòu)模型

圖3 典型剖面1—1

圖4 典型剖面2—2  m

建筑設(shè)計使用年限50 a，安全等級一級，抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，場地類別為Ⅲ類，地震分組為第二組，特征周期為0.55 s。

由于結(jié)構(gòu)超長，且因功能區(qū)分存在明顯的兩個結(jié)構(gòu)單元，僅通過入口大廳屋頂及局部的屋蓋連接，結(jié)構(gòu)設(shè)計存在連體薄弱、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯、外圍支承柱斷面控制嚴(yán)格等諸多問題和設(shè)計難點(diǎn)。為解決上述問題和難點(diǎn)，從概念設(shè)計、計算分析、構(gòu)造措施等多個方面展開分析研究。

研究內(nèi)容

1 連體薄弱問題

左右兩個功能區(qū)在入口大廳頂部通過屋面結(jié)構(gòu)連接，但由于屋頂設(shè)置多個采光天井、兩側(cè)因設(shè)置扶梯開洞，使連接部分整體性較弱；造型屋蓋僅在一側(cè)連接，且連接寬度不到總寬度的1/3(圖5)。

圖5 連體位置示意

因此，在概念設(shè)計上，一方面對兩側(cè)單體結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行單體和連體包絡(luò)設(shè)計(圖6)，確保兩側(cè)單體結(jié)構(gòu)在連體失效的情況下有獨(dú)立承載和抗震能力。另一方面，通過對連體區(qū)域構(gòu)件的強(qiáng)度及延性構(gòu)造進(jìn)行加強(qiáng)，連體構(gòu)件按設(shè)防烈度地震彈性驗(yàn)算，抗震等級比相鄰非連體構(gòu)件提高一級，使連體位置的連接剛度及強(qiáng)度得到提高，降低過早破壞的風(fēng)險。

圖6 整體及單體承載力設(shè)計模型

2 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)控制

采用設(shè)置鋼支撐的方式提高抗扭剛度，但由于功能的特殊性，可以布置支撐的位置有限(圖7、圖8)。

圖7 支撐位置設(shè)置

圖8 支撐立面布置示意 m

如采用常規(guī)鋼支撐，由于存在受壓穩(wěn)定性問題，會出現(xiàn)支撐越大，地震作用越大的情況，不但收斂困難，還會造成地震作用過多向支撐框架傳遞。而因?yàn)橹螖?shù)量少和大開洞的因素使得力流的傳遞距離過大，可靠度降低。

采用屈曲約束支撐(BRB)，由于支撐沒有受壓失穩(wěn)的問題，支撐的剛度和承載力可收斂在很低的水平。一方面支撐的剛度提高了結(jié)構(gòu)的抗扭性能，由表1可以看出，設(shè)置BRB之前模型的第一振型以扭轉(zhuǎn)為主，設(shè)置BRB之后扭轉(zhuǎn)為第三振型，扭轉(zhuǎn)周期比為0.86，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到明顯控制；另一方面支撐承擔(dān)的地震作用可控制在較低的水平，不會造成地震作用的過分集中。以首層沿BRB方向的地震剪力分布為例，BRB支撐僅承擔(dān)了10.02%的剪力，框架承擔(dān)了近90%的樓層剪力，表明結(jié)構(gòu)體系仍以框架為主。

表1 設(shè)置BRB支撐對振型的影響

最終采用了24根BRB支撐，支撐長度為5.5～9.3 m，初始剛度為156～232 kN/mm，支撐屈服承載力為1800～3000 kN，芯材材質(zhì)為Q235B(圖9)。支撐設(shè)計為承載型，抗震性能目標(biāo)為設(shè)防烈度地震后屈服，可避免過早屈服降低結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，同時在罕遇地震下可發(fā)揮耗能能力。

圖9 施工中的BRB支撐

3 外圍支承柱設(shè)計

建筑方案要求在南、北兩側(cè)設(shè)屋蓋支承柱以支承造型屋蓋結(jié)構(gòu)(圖10)，柱由地面直接升至屋面，中間不與樓層連接，鋼柱無支撐高度范圍為23.1～28.9 m。

圖10 屋蓋支承柱位置示意

由于支承柱位于建筑室外，且為建筑立面的重要表現(xiàn)元素，柱斷面不宜過大，控制較為嚴(yán)格。如按照常規(guī)框架柱設(shè)計，抗震構(gòu)造要求三級框架柱長細(xì)比不應(yīng)大于其中，fay為鋼材屈服強(qiáng)度)，按Q345材質(zhì)，長細(xì)比不應(yīng)大于82.5，支承柱按圓鋼管柱考慮，即使計算長度按1.0計算，鋼管直徑也需要在1 m以上。建筑師認(rèn)為這個尺度嚴(yán)重影響了建筑立面效果。

因此要減小柱斷面尺寸，則應(yīng)避免支承柱成為框架柱。將該柱設(shè)計為不參與水平抗側(cè)體系的搖擺柱，柱頂及柱底釋放抗彎約束，僅提供豎向支承而不參與整體抗側(cè)，此時，支承柱不屬于框架柱，長細(xì)比的限值無需滿足框架柱要求，可參照空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件進(jìn)行長細(xì)比控制，長細(xì)比限值按照120控制。最終支承柱采用直徑720 mm圓鋼管，壁厚20 mm，斷面尺寸減小約30%，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)柱的外觀，大幅度改善了建筑立面效果(圖11)。

圖11 施工過程中的外圍支承柱

但外圍支承柱不提供抗側(cè)剛度會影響屋蓋結(jié)構(gòu)在地震作用下的水平力傳遞，可通過設(shè)置面內(nèi)支撐將水平力傳遞至內(nèi)部抗側(cè)構(gòu)件。

4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

4.1 外圍支承柱柱頂節(jié)點(diǎn)

本工程中，外圍支承柱柱頂節(jié)點(diǎn)相對復(fù)雜(圖12)，一方面需要釋放柱頂彎矩避免支承柱參與抗側(cè)，另一方面，由于屋蓋懸挑端部收尖效果，端部結(jié)構(gòu)高度過小，柱內(nèi)側(cè)桁架無法直接延伸到端部，需要在柱頂進(jìn)行桁架轉(zhuǎn)實(shí)腹變截面懸挑梁。

圖12 支承柱柱頂節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

柱頂彎矩釋放采用抗震球鉸支座實(shí)現(xiàn)，對抗震球鉸支座的抗拉、壓承載力及轉(zhuǎn)角進(jìn)行設(shè)計，確保支座的承載力及轉(zhuǎn)動能力滿足設(shè)計需求。桁架轉(zhuǎn)實(shí)腹懸挑梁需解決懸挑彎矩的平衡問題，內(nèi)側(cè)設(shè)置足夠高度和長度的插板使桁架上、下弦桿保持設(shè)計基準(zhǔn)線以便插入，避免桁架過早收于一點(diǎn)，降低抗彎剛度及承載力而無法平衡外側(cè)的懸挑內(nèi)力。

4.2 工字型轉(zhuǎn)箱型節(jié)點(diǎn)

會議及宴會廳屋頂采用平面鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架的弦桿考慮連接構(gòu)造的便利性主要采用工字型斷面。但由于工字型截面存在明顯的強(qiáng)、弱軸，兩正交方向的穩(wěn)定性差異較大，當(dāng)承受較大壓力時，則采用穩(wěn)定性更好的箱型截面。因此，在桁架受力反彎位置需要設(shè)計工字型轉(zhuǎn)箱型的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)重點(diǎn)在于解決轉(zhuǎn)換位置的傳遞剛度及強(qiáng)度，比如設(shè)置封板及加勁板，或者將箱型側(cè)面雙腹板向中間彎曲與工字型腹板對接。設(shè)置加勁板的方式可一定程度上解決工字型截面與箱型截面腹板不對應(yīng)的傳力問題，但要實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)連接，需要進(jìn)行詳細(xì)的分析。此兩種方式都存在加工及現(xiàn)場施工相對復(fù)雜的問題，同時連接節(jié)點(diǎn)的承載力相對較低。

為解決上述問題，在設(shè)計對接位置時，沿工字型截面方向增設(shè)兩道與箱型對應(yīng)的側(cè)腹板，該腹板的連接可在工廠制作完成，腹板的長度根據(jù)連接焊縫的強(qiáng)度確定。該范圍為連接過渡段，通過新增腹板與工字型構(gòu)件的連接傳遞剪力，使工字型斷面構(gòu)件中間腹板的內(nèi)力在過渡段區(qū)域逐漸傳遞至新增側(cè)腹板，對接位置只連接上箱型斷面的周圈焊縫，中間腹板無需連接(圖13)。該連接形式簡便易操作，同時其連接節(jié)點(diǎn)承載力高，可實(shí)現(xiàn)與箱型截面等強(qiáng)。

圖13 工字型轉(zhuǎn)箱型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

5 高強(qiáng)耐蝕耐火鋼示范應(yīng)用

目前國內(nèi)高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用越來越多，但現(xiàn)有的高強(qiáng)鋼材延伸率低，抗震性能下降；大部分鋼材防腐、防火仍通過涂裝解決，現(xiàn)場涂裝工序復(fù)雜耗時，且存在耐久性遠(yuǎn)低于建筑耐久時間問題，需要多次重新涂裝；對于防火極限達(dá)到3 h的鋼材，需采用厚型涂裝，一定程度上影響了建筑效果。

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃——建筑結(jié)構(gòu)用抗震耐蝕耐火鋼針對我國高層建筑用抗震耐蝕耐火建筑結(jié)構(gòu)鋼的迫切需求，重點(diǎn)解決多場耦合服役環(huán)境條件下高性能抗震耐蝕耐火建筑結(jié)構(gòu)鋼的耐蝕耐火作用機(jī)理及材料設(shè)計等重大科學(xué)問題。通過調(diào)整冶煉時添加的合金材料和比重以及工藝，在提高強(qiáng)度的同時，盡可能保證延伸率和足夠的抗震性能，并提高鋼材的耐候性能及防火性能，從而實(shí)現(xiàn)取消防腐涂裝及防火涂料，或降低防火涂裝厚度。

綜合工程推進(jìn)速度及產(chǎn)品特點(diǎn)等因素，幕墻橫梁及屋頂機(jī)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用課題組研發(fā)的460級高強(qiáng)耐候耐火鋼，厚度規(guī)格分別為10 mm和14 mm，同時采用匹配研發(fā)的焊絲進(jìn)行焊接。一方面高強(qiáng)性能可減小構(gòu)件截面，另一方面其良好的耐火性能也降低了防火涂裝耐火極限要求，涂裝可由厚型改為超薄型，使幕墻更加通透美觀。同時良好的耐腐蝕性能避免了防腐涂裝，節(jié)省了工程造價，取得了很好的示范效果。

結(jié) 論

南通國際會議中心項(xiàng)目結(jié)合建筑功能及造型，采用鋼框架結(jié)構(gòu)+鋼桁架屋頂+空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋的組合體系，涵蓋了多層、大跨及自由曲面空間結(jié)構(gòu)的特征，設(shè)計相對復(fù)雜。設(shè)計過程中對結(jié)構(gòu)超長、連體薄弱、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯、外圍支承柱斷面控制嚴(yán)格等諸多問題和設(shè)計難點(diǎn)展開分析研究，得出以下結(jié)論：

1)結(jié)合建筑功能布局設(shè)置4組(每組沿立面共布置6根)BRB支撐，從結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比及位移比結(jié)果判斷，實(shí)現(xiàn)了對整體結(jié)構(gòu)及單體結(jié)構(gòu)的抗扭控制。同時，BRB支撐只承擔(dān)了控制方向10%左右的樓層剪力，絕大部分地震剪力仍由框架承擔(dān)，沒有改變結(jié)構(gòu)的抗側(cè)體系。

2)對結(jié)構(gòu)連體薄弱的問題，首先對連體位置的構(gòu)件承載力及延性構(gòu)造進(jìn)行加強(qiáng)，同時對構(gòu)件的承載力采取單體與整體結(jié)構(gòu)包絡(luò)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)弱連體結(jié)構(gòu)的二道防線的構(gòu)建。

3)通過抗震概念設(shè)計，對外圍支承柱的約束條件進(jìn)行改變，使支承柱由抗震框架柱轉(zhuǎn)變?yōu)榉强拐鸬膿u擺柱，從而降低了支承柱的構(gòu)造要求，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)柱的設(shè)計。

4)對重要節(jié)點(diǎn)，通過概念設(shè)計、傳力分析，并結(jié)合加工制作特點(diǎn)，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，保證節(jié)點(diǎn)傳力可靠的同時降低施工難度。

項(xiàng)目于2019年10月初完成竣工驗(yàn)收并投入使用，于10月18日作為主會場順利舉辦了2019中國森林旅游節(jié)，各主流媒體爭相報道，社會反響良好，并帶動了江蘇的旅游經(jīng)濟(jì)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。