日照市海洋公園混凝土和鋼框架混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)工程論文

日照市海洋公園混凝土和鋼框架混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)工程論文摘要：日照海洋公園為國(guó)際首個(gè)將創(chuàng)新型海洋館與花鳥(niǎo)園等多業(yè)態(tài)完美融合的海洋公園,構(gòu)造形式為混凝土框架和鋼框架組成的混合框架構(gòu)造。該工程具有大跨度鋼構(gòu)造、大懸挑混凝土構(gòu)造、樓板開(kāi)大洞、樓板不連續(xù)等不規(guī)則類(lèi)型;設(shè)計(jì)需解決海洋氯化物環(huán)境混凝土構(gòu)造抗腐蝕,近海環(huán)境鋼構(gòu)造防腐等問(wèn)題;主體構(gòu)造與幕墻設(shè)計(jì)通過(guò)參數(shù)化來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑復(fù)雜立面的需求。設(shè)計(jì)中較好地解決了上述構(gòu)造設(shè)計(jì)難題,實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造與建筑的完美結(jié)合。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：混合框架構(gòu)造;大跨度大懸挑;樓板不連續(xù);混凝土抗腐蝕;鋼構(gòu)造防腐蝕;幕墻;Abstract：RizhaoOceanParkisthefirstmarineparkintheworldtointegratetheinnovativeaquariumwiththeflowerandbirdgarden.Themixedframestructureiscomposedofconcreteframeandsteelframe.Theprojecthasthefollowingirregulartypes:large-spansteelstructures,largecantileveredconcretestructures,largefloorslabopenings,anddiscontinuousfloorslabs.Thedesignneedstosolvetheproblemofanti-corrosionofconcretestructureinmarinechlorideenvironmentandanti-corrosionofsteelstructureinoffshoreenvironment.Themainstructureandcurtainwalldesignwereparameterizedtomeettheneedsofcomplexfacades.Inthedesign,theabovestructuraldesignproblemsweresolved,andtheperfectcombinationofstructureandarchitecturewasrealized.Keyword：mixedframestructure;largespanandlargecantilever;slabdiscontinuity;concretecorrosionresistance;steelstructurecorrosionprotectioncurtainwall;1、工程大概情況日照海洋公園位于山東省日照市東港區(qū),總占地面積108000m2,總建筑面積約3.95萬(wàn)m2,距海邊距離約270m。項(xiàng)目分為陽(yáng)光海洋館、四季花鳥(niǎo)園兩個(gè)主題場(chǎng)館及酒店商業(yè)配套三部分。陽(yáng)光海洋館(簡(jiǎn)稱(chēng)海洋館)地下1層,地上3層,屋面最高點(diǎn)標(biāo)高24.00m;四季花鳥(niǎo)園(簡(jiǎn)稱(chēng)花鳥(niǎo)園)地上2層,屋面最高點(diǎn)標(biāo)高20.00m。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,鯨鯊池頂部為鋼構(gòu)造采光穹頂,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(chǎng),表演場(chǎng)最大跨度約40m?；B(niǎo)園主體平面為梭形,長(zhǎng)邊尺寸約145m,短邊尺寸約68m,構(gòu)造最大跨度約66m。該項(xiàng)目的建筑效果圖如此圖1所示。構(gòu)造模型軸測(cè)圖如此圖2所示。圖1建筑效果圖圖2構(gòu)造模型軸測(cè)圖設(shè)計(jì)使用年限為50年,抗震設(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi),抗震設(shè)防烈度為7度,場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),海洋館抗震等級(jí)為二級(jí),花鳥(niǎo)園抗震等級(jí)為三級(jí),基本風(fēng)壓為0.4kN/m2,地面粗糙度類(lèi)別為A類(lèi),基本雪壓為0.4kN/m2。2、構(gòu)造體系和布置2.1、海洋館構(gòu)造體系及布置根據(jù)建筑平面特點(diǎn)以及建筑總高度,海洋館采用混凝土框架及鋼構(gòu)造框架的混合框架構(gòu)造。建筑平面為圓形,構(gòu)造梁柱以圓心呈放射狀布置,環(huán)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(dá)23m,為大跨度框架構(gòu)造。柱直徑為800～1200mm,主梁截面尺寸為300800,400800,400900,5001000?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40。海洋館主體部分為混凝土框架構(gòu)造,中心鯨鯊池、主入口、表演場(chǎng)等區(qū)域因方案立面、采光及建筑功能要求不允許構(gòu)造柱落地,因而采用過(guò)大跨度鋼構(gòu)造框架或單層網(wǎng)殼構(gòu)造形式(圖3)。圖3海洋館屋面層構(gòu)造布置2.2、花鳥(niǎo)園構(gòu)造體系及布置花鳥(niǎo)園建筑平面布置呈梭形,根據(jù)建筑使用功能,下部房間、走廊及布景等采用混凝土框架構(gòu)造,整個(gè)建筑的圍護(hù)構(gòu)造采用大跨度剛架構(gòu)造形式。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H8004001620,?800,?600,主梁截面為H11004001218,H8004001014,H6503001420,鋼材采用Q345B。圖4花鳥(niǎo)園剛架構(gòu)造布置3、構(gòu)造的不規(guī)則項(xiàng)本項(xiàng)目海洋館構(gòu)造存在的不規(guī)則項(xiàng)[1]:1)樓板開(kāi)大洞、樓板不連續(xù),海洋館2層、3層開(kāi)洞面積大于本層面積的30%,樓板有效寬度小于50%;2)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,考慮偶爾偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2。4、構(gòu)造整體計(jì)算分析4.1、小震分析結(jié)果海洋館選用YJK軟件(版)和MIDASGen軟件進(jìn)行小震彈性計(jì)算分析。構(gòu)造計(jì)算的整體指標(biāo)如表1所示。小震彈性計(jì)算結(jié)果表1計(jì)算結(jié)果表示清楚構(gòu)造周期、位移及剪重比等主要參數(shù)符合規(guī)范要求,構(gòu)造體系及布置合理。4.2、混凝土構(gòu)造大懸挑舒適度驗(yàn)算圖5大懸挑看臺(tái)剖面圖海洋館2層鯨鯊池正面有一個(gè)大懸挑混凝土構(gòu)造看臺(tái),懸挑跨度約6.6m。采用混凝土變截面梁作為看臺(tái)的主受力構(gòu)件,梁的截面還需要根據(jù)看臺(tái)的高差做成下折梁。如此圖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(jīng)樓板舒適度驗(yàn)算,懸挑部分豎向振動(dòng)頻率為3.72Hz。在懸挑端部施加連續(xù)行走荷載,最大荷載為0.8kN,豎向振動(dòng)峰值加速度為0.145m/s2,知足舒適度規(guī)范要求[2]。在懸挑端部施加跑動(dòng)(AIJ)荷載,最大荷載為0.8kN,豎向振動(dòng)峰值加速度為0.199m/s2。5、大跨度屋面鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)5.1、分析軟件本項(xiàng)目鋼構(gòu)造主要包括入口鋼構(gòu)造、穹頂和花鳥(niǎo)園三部分。鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)采用MIDASGen軟件進(jìn)行整體分析。5.2、入口鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)重點(diǎn)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構(gòu)造,其徑向跨度約33m,弧向最大跨度約50m,兩側(cè)沿徑向的鋼柱和弧線上的鋼柱通過(guò)鋼梁與主體混凝土構(gòu)造連接。華而不實(shí)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(guò)一段4.5m的水平挑梁連接,上柱、下柱和水平挑梁共同構(gòu)成了Z形柱構(gòu)造(圖6)。柱截面為□90060020,□85060020,?70020,主梁截面為□120040020,H11004001214,H6002001020,鋼材采用Q345B。由于Z形柱在平面內(nèi)無(wú)法在6.000m處設(shè)置徑向拉梁,斜柱的穩(wěn)定性分析就成為此部分鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)的一個(gè)最大難點(diǎn)。圖6入口處Z形柱平面圖圖7入口處Z形柱剖面圖對(duì)于這部分Z形柱斜柱的穩(wěn)定分析,構(gòu)造設(shè)計(jì)充分考慮建筑方案的實(shí)際情況,巧妙利用水平挑梁的寬度,在6.000m標(biāo)高處設(shè)置了一道水平桁架作為支撐(圖7),桁架兩端通過(guò)兩側(cè)徑向鋼框架支承在混凝土構(gòu)造主體上,進(jìn)而構(gòu)成剛度。并以此作為斜柱在平面內(nèi)的一道支撐,進(jìn)而減小計(jì)算長(zhǎng)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。構(gòu)造計(jì)算結(jié)果表示清楚,水平風(fēng)荷載作用下,水平位移為9mm,水平方向撓跨比為1/5556,桁架剛度較大,能夠作為斜柱平面內(nèi)的穩(wěn)定支撐。對(duì)于斜柱的穩(wěn)定計(jì)算,借鑒了以往的工程經(jīng)歷體驗(yàn)并結(jié)合本工程的實(shí)際情況,采用屈曲分析方式方法確定桿件計(jì)算長(zhǎng)度。屈曲分析方式方法采用的是整體模型法,進(jìn)而得到計(jì)算桿件的臨界承載力。然后通過(guò)歐拉公式Pcr=2EI/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(jì)算長(zhǎng)度)來(lái)反算桿件的計(jì)算長(zhǎng)度[3],再將計(jì)算長(zhǎng)度指定給計(jì)算模型中的對(duì)應(yīng)桿件,進(jìn)而完成桿件的穩(wěn)定分析。5.3、穹頂鋼構(gòu)造網(wǎng)殼設(shè)計(jì)海洋館是個(gè)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?42616,?32512,?2788,鋼材采用Q345B。充分考慮方案效果和構(gòu)造受力因素,構(gòu)造方案采用單層圓鋼管網(wǎng)殼構(gòu)造,網(wǎng)殼四周支承在混凝土構(gòu)造的柱頂,采用固定鉸支座連接。對(duì)于單層網(wǎng)殼構(gòu)造,構(gòu)造整體穩(wěn)定分析是構(gòu)造分析的重點(diǎn)。本項(xiàng)目在進(jìn)行整體穩(wěn)定分析時(shí),根據(jù)(空間網(wǎng)格構(gòu)造技術(shù)規(guī)程〕(JGJ72018)取跨度的1/300作為初始缺陷,不考慮構(gòu)造的材料非線性影響,進(jìn)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(jì)算方式方法為位移控制法,荷載系數(shù)曲線如此圖8所示。圖8穹頂荷載系數(shù)曲線通過(guò)荷載系數(shù)曲線,能夠確定荷載系數(shù)為18.1,大于4.2,知足(空間網(wǎng)格構(gòu)造技術(shù)規(guī)程〕(JGJ72018)的要求。穹頂位于海洋館中部,底部挑空,無(wú)法設(shè)置施工臨時(shí)支撐。鑒于施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況復(fù)雜,穹頂施工采用整體吊裝方案。現(xiàn)場(chǎng)整體拼裝完成后,實(shí)際吊重到達(dá)1050kN,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(jī)一次性整體吊裝完成(圖9),解決了現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地問(wèn)題,同時(shí)保證了現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度。圖9穹頂整體吊裝照片5.4、花鳥(niǎo)園鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)花鳥(niǎo)園平面為梭形,根據(jù)建筑功能使用要求,采用剛架構(gòu)造形式。四周為焊接工字形柱,中柱采用圓鋼管柱,縱向設(shè)置兩道柱間支撐,同時(shí)在對(duì)應(yīng)柱間設(shè)置屋面支撐,構(gòu)成整體受力體系。構(gòu)造模型軸測(cè)圖見(jiàn)圖2(b)。采用MIDASGen進(jìn)行特征值分析,模態(tài)分析結(jié)果表示清楚:第1與第2振型均為平動(dòng),自振周期T1=1.41s,T2=1.14s,T3=0.83s,T3/T1=0.5890.9,構(gòu)造剛度較好,剛度分布較均勻。變形分析結(jié)果表示清楚:恒荷載+活載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下豎向撓度最大值為72mm,最大撓跨比72/29500=1/410,知足規(guī)范要求;風(fēng)荷載工況下,水平位移最大值為32mm,最大層間位移角32/14000=1/437,知足規(guī)范要求。6、混凝土構(gòu)造抗腐蝕措施根據(jù)(混凝土構(gòu)造耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范〕(GB/T504762008)[4](簡(jiǎn)稱(chēng)混凝土耐久性規(guī)范)中6.1.2條文講明中接觸海水的混凝土構(gòu)件也應(yīng)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,因而本項(xiàng)目應(yīng)重點(diǎn)考慮混凝土構(gòu)造的抗腐蝕措施。本項(xiàng)目距離海岸僅200m,所以按(混凝土構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)范〕(GB500102018)[2]室外露天環(huán)境應(yīng)屬于Ⅲ-B海岸環(huán)境,而對(duì)于海洋館內(nèi)部與海水或空氣中來(lái)自海水的氯化物直接接觸的環(huán)境按混凝土耐久性規(guī)范應(yīng)屬于Ⅲ類(lèi)海洋氯化物環(huán)境。本項(xiàng)目所有水池均設(shè)有玻璃鋼防水,因而池壁混凝土與池底混凝土與海水不會(huì)直接接觸,另外室內(nèi)均有空調(diào)及排風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng),室內(nèi)都應(yīng)為輕度鹽霧,所以根據(jù)混凝土耐久性規(guī)范中6.2.1條,本項(xiàng)目所有水池及有水池的室內(nèi)環(huán)境類(lèi)別均設(shè)為Ⅲ-D環(huán)境。針對(duì)海洋氯化物Ⅲ-D環(huán)境,混凝土構(gòu)造采取的抗腐蝕措施主要有:(1)材料?；炷翉?qiáng)度等級(jí)采用C40,混凝土抗?jié)B等級(jí)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(yīng)超過(guò)膠凝材料總量的4%,單位體積混凝土的含堿量不超過(guò)3kg/m3。采用較大摻量礦物摻合料混凝土,礦物摻合料中參加占膠凝材料總重約30%的粉煤灰。混凝土抗氯離子侵入性指標(biāo)應(yīng)知足混凝土耐久性規(guī)范中6.3.6條的要求,28d齡期氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM1010-12m2/s。用作礦物摻合料的粉煤灰應(yīng)選用游離氧化鈣含量不大于10%的低鈣灰。(2)保衛(wèi)層厚度。根據(jù)海洋氯化物Ⅲ-D環(huán)境類(lèi)別增加混凝土保衛(wèi)層厚度,墻和板的保衛(wèi)層厚度為35mm,梁和柱的保衛(wèi)層厚度為40mm。(3)混凝土裂縫控制。裂縫控制等級(jí)為二級(jí),裂縫寬度限值為0.2mm。(4)混凝土外加劑。混凝土內(nèi)摻適量?jī)?yōu)質(zhì)粉煤灰、SY-K膨脹纖維抗裂防水劑(6%～8%,膨脹加強(qiáng)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?；炷镣饧觿?yīng)知足(混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范〕(GB501192020)、(混凝土膨脹劑〕(GB234392018)的要求。(5)施工及養(yǎng)護(hù)。澆筑后立即覆蓋并加濕養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)至現(xiàn)場(chǎng)混凝土的強(qiáng)度不低于28d標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的50%,且不少于7d,加濕養(yǎng)護(hù)結(jié)束后應(yīng)繼續(xù)用養(yǎng)護(hù)噴涂或覆蓋保濕、防風(fēng)一段時(shí)間至現(xiàn)場(chǎng)混凝土的強(qiáng)度不低于28d標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的70%。若大氣溫度低于10℃,應(yīng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。7、鋼構(gòu)造防腐措施本項(xiàng)目因離海岸較近,且室內(nèi)為海洋氯化物環(huán)境,鋼構(gòu)造防腐極其重要。本項(xiàng)目提高一級(jí)采用防腐措施,提高了防腐涂層的成分要求和防腐實(shí)驗(yàn)要求,詳細(xì)采取的鋼構(gòu)造防腐措施有:(1)所有鋼構(gòu)件先做拋丸除銹到達(dá)Sa2.5級(jí)。(2)鋼構(gòu)造涂環(huán)氧富鋅底漆,厚度為240m,干膜中鋅粉含量不小于75%,體積固體含量不小于61%;環(huán)氧云鐵中間漆,厚度為270m,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230m,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30m。(5)無(wú)機(jī)富鋅底漆應(yīng)具6000h鹽霧試驗(yàn)合格報(bào)告。(6)鋼構(gòu)造使用經(jīng)過(guò)中,應(yīng)根據(jù)材料特性(如涂裝材料使用年限,構(gòu)造使用環(huán)境條件等),定期(不超過(guò)10年)必要維護(hù)(如對(duì)鋼構(gòu)造重新進(jìn)行涂裝,更換損壞構(gòu)件等),以確保使用經(jīng)過(guò)中的構(gòu)造安全。8、主體構(gòu)造與幕墻設(shè)計(jì)的結(jié)合本項(xiàng)目立面造型為傾斜曲面,若根據(jù)常規(guī)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì),將無(wú)法精準(zhǔn)快速地表示出設(shè)計(jì)內(nèi)容,也無(wú)法管控校核施工經(jīng)過(guò)中誤差。另外因項(xiàng)目造型復(fù)雜繁瑣,對(duì)加工安裝精度要求極高,因而本設(shè)計(jì)采用了BIM技術(shù)(圖10),以此來(lái)提供精準(zhǔn)的三維控制信息來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工,最終目的使主體構(gòu)造與幕墻設(shè)計(jì)通過(guò)參數(shù)化來(lái)落地實(shí)現(xiàn)。圖10BIM模型幕墻分格本項(xiàng)目幕墻設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于玻璃采光頂系統(tǒng)。該系統(tǒng)位于海洋館的屋頂,為使室內(nèi)外效果最佳,玻璃采光頂?shù)姆指艟€完全與主體鋼構(gòu)造龍骨中心對(duì)應(yīng)。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于龍骨安裝調(diào)節(jié)精度和冷凝水處理問(wèn)題,這也是大跨度采光頂項(xiàng)目長(zhǎng)期以來(lái)難以解決的問(wèn)題。針