廣州航空輪胎大科學裝置主體結構設計

李光雨, 劉 寧, 高 峰

(深圳市建筑設計研究總院有限公司，深圳 518031)

0 引言

大科學裝置,被稱為“科技強國之重器”[1],其作為國家重大科技基礎設施,在提高我國自主創新能力方面意義重大,是我們在國際尖端科技上追超及領先的重要保證。比如外形猶如一個美麗的螺旋貝殼、坐落在上海張江高科技園區的上海光源;坐落在貴州省平塘縣的喀斯特洼坑中有著“超級天眼”之稱的500m口徑球面射電望遠鏡“FAST”等。

目前,我國民航飛機輪胎主要采用租用國外公司航空輪胎的方式,航空輪胎核心技術的自主可控勢在必行。在國家重大技術裝備辦公室和國家科學技術委員會支持下,2018年8月,中國科學院長春應用化學研究所和中國科學院力學研究所合作啟動可行性研究,最終目標是通過基礎理論突破,實現高端輪胎關鍵技術自主可控,催生先進輪胎制造等新型產業的發展。項目選址于廣州黃埔區,名稱為“航空輪胎大科學中心”。

1 工程概況

航空輪胎大科學中心項目主要由三大建筑單體組成:航空輪胎硬核科技中心、航空輪胎大科學裝置和航空輪胎博物館,分別承擔著輪胎的研究、檢測和展示功能,建筑總體效果見圖1,本文對其中最重要和結構最有特點的建筑單體“航空輪胎大科學裝置”進行論述。航空輪胎大科學裝置以當代航空輪胎為設計切入點,深入挖掘航空輪胎的科技元素,其以一平躺輪胎與一豎向輪胎(簡稱水平圓和豎向圓)的造型為意向,契合大裝置工藝要求的24m凈高與13m凈高要求,立面采用鋁板+玻璃的材料,整體墻面與屋頂渾然一體,富含科技感。航空輪胎大科學裝置的建筑功能主要用于航空輪胎高加速動力學試驗臺、航空輪胎摩擦磨損動力學試驗臺、航空輪胎與起落架耦合動力學試驗臺、航空輪胎落震沖擊動力學試驗臺等設備的安置,并在建筑內部設置三臺30t橋式起重機。

圖1 建筑總體效果圖

航空輪胎大科學裝置的建筑面積為10599m2,其中水平圓建筑高度為23.45m,直徑為90m;豎向圓建筑高度為52m,長度為72m,寬度為21m。結構三維模型見圖2,建筑剖面見圖3,標準層結構平面布置見圖4。

圖2 結構三維模型

圖3 建筑剖面圖

本項目的設計基準期為50年,結構安全等級為一級[2],建筑抗震設防分類標準為重點設防類[3],抗震設防烈度為7度[4],設計基本地震加速度為0.10g,設計地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類,場地特征周期為0.35s,50年一遇基本風壓[5]為0.50kN/m2,地面粗糙度類別為B類。

2 結構體系及特點

本項目主體結構采用鋼結構,為簡化結構的復雜性,在豎向圓與水平圓相交處設置防震縫,將結構分為兩個部分。豎向圓部分結構體系為鋼框架-中心支撐結構,主要結構特點是鋼柱的計算長度較大,在X向其實際無支撐高度為30m,結構設計時通過設置斜撐增強結構的整體剛度;在30m高度設置樓板,30m以上做成網殼結構。水平圓部分結構體系為鋼框架結構,其中部為通高大空間,最大柱跨為36.55m,大屋蓋設計為單向密肋鋼梁體系,吊車區設柱間支撐。設備基礎荷載較大,采用灌注樁基礎,并通過設置隔振溝減小動力試驗時振動對主體結構的影響。幕墻造型復雜,結構有條件實現其找形的位置盡量由主體結構實現,結構難以實現而需要幕墻構件找形處,幕墻找形桿件與主體結構間連接做桁架式鉸接支座,減少對主體結構梁柱的扭矩作用。

3 地基基礎

項目所在區域為山坡地,土的類別為中硬土,場地屬抗震一般地段。場地主要土(巖)層由上至下主要為:砂質黏性土、全風化花崗片麻巖、強風化花崗片麻巖、中風化花崗片麻巖和微風化花崗片麻巖,地質典型剖面如圖5所示。

圖5 地質典型剖面圖

航空輪胎大科學裝置用來做飛機輪胎的動力學試驗,地面布置了10部大型試驗臺,模擬飛機起落、摩擦等,考慮動力作用,試驗對地面的沖擊荷載非常大。根據使用方提供的荷載,落震試驗臺區域地面承載力要求達到600kN/m2,剛度試驗臺區域地面承載力要求達到100kN/m2,其他試驗臺區域地面承載力要求達到250kN/m2。提取代表性柱下軸力5 096kN,方案階段,根據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[6]和《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)[7],考慮了天然基礎、預應力管樁基礎、旋挖灌注樁基礎三種方案,對比見表1。通過比較發現,旋挖灌注樁基礎最適合本項目,因剛度試驗臺區域荷載較小,可以采用天然基礎,直接用砂質黏性土做持力層?；A平面布置如圖6所示。

表1 基礎選型對比

圖6 基礎平面布置圖

試驗臺區域模擬飛機起落試驗時,對地面產生的巨大動力荷載,會對主體結構產生類似地震的振動作用;同時主體結構在風荷載作用下,產生的風致振動,對試驗精度也可能產生影響。為了減小主體結構與試驗臺之間的相互干擾,試驗臺基礎與主體基礎間應完全分離。根據《工程隔振設計標準》(GB 50463—2019)[8],并參考國標圖集隔震構造[9]做法及張增英[10]對精密儀器車間隔振溝的隔振效應研究,在試驗臺周邊設置連續隔振溝,隔振溝做法如圖7所示,混凝土構件按二b類環境進行耐久性設計[11]。

圖7 隔振溝示意圖

4 豎向圓部分

4.1 框架柱

防震縫左側豎向圓中部為空曠區域,用來進行飛機輪胎落震試驗,試驗區上方設置高位吊車,結構特點是鋼柱的計算長度較大,在X向其鋼柱的實際無支撐高度為30m,位移角需滿足《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[12]中關于有橋式起重機框架在風荷載下位移角不大于1/400的要求。前期做了多種方案對比,首先考慮了格構柱方案,可采用雙肢型鋼格構柱或鋼管混凝土格構柱[13],柱肢距根據經驗在高度的1/15～1/9,取2m,經計算,正好滿足長細比要求,但若按格構柱布置,在承臺及柱腳占用空間后,剩余空間無法滿足設備坑布置要求,格構柱方案無法實現,最終選擇箱形柱方案?？紤]到要布置吊車,需要沿縱向設置柱間支撐,同時在建筑端頭橫向也可以設置支撐,結構體系設計為鋼框架-中心支撐結構,并滿足《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[12]中強支撐框架的要求,如式(1)所示,這樣框架柱的計算長度系數就可以按無側移框架柱的計算長度系數確定,柱截面也可以做得比較小。

(1)

式中:Sb為支撐結構的層側移剛度,即施加于結構上的水平力與其產生的層間位移角的比值,N;fy為鋼材的屈服強度,N/mm2;ΣNbi、ΣN0i分別為第i層層間所有框架柱用無側移框架和有側移框架柱計算長度系數算得的軸壓桿穩定承載力之和,N。

經核算,吊車區域鋼結構柱設計成箱形柱,截面□1 200×800×40×40,可滿足長細比及承載力要求,格構柱和箱形柱截面方案如圖8所示。

圖8 吊車區柱子方案

4.2 屋蓋結構

30m標高為建筑的實際屋頂,30～52m標高主要是用來實現建筑的輪胎造型。30m以上區域的結構,做了三個方案進行比較,如圖9所示,對應的方案比較見表2。通過表2可以看出,方案三更適合本項目,該方案利用建筑需要在中部設置設備間的條件,延伸中部四根柱子,并增設柱周支撐,形成筒體,作為網殼的中部支座。此方案不但符合形效結構[14]的設計理念,穩定性也更優,同時也滿足了建筑屋頂大空間設羽毛球場供員工體育鍛煉的需求。

表2 豎向圓屋蓋方案對比

圖9 屋蓋方案

4.3 結構整體計算指標

(1)豎向圓結構模型主要計算指標如表3所示。從表3可以看出,結構周期比、位移比均滿足規范要求,說明結構具備較強的抗扭轉能力;位移角、剛重比均滿足規范要求,說明結構剛度適中;但1層的剛度比和承載力比不滿足規范要求,根據《高層民用建筑鋼結構技術規程》(JGJ 99—2015)[15](簡稱高層民用鋼結構規程)中3.3.3條第2款規定,結構模型計算時,首層地震剪力應乘以放大系數1.15。結構在地震和風荷載作用下的層間位移角見圖10。由圖10可以看出,層間位移角均較小,結構剛度裕量較大。

表3 豎向圓結構模型主要計算指標

圖10 地震和風荷載作用下層間位移角曲線

(2)從表4計算結果可見,不考慮屋頂以上網殼部分,整個6層框架支撐結構中,框架部分傾覆力矩百分比均小于50%。說明大部分水平荷載由支撐承擔,同時框架也承擔了適當比例的水平荷載,支撐的布置數量比較適當。

表4 框架部分傾覆力矩百分比/%

4.4 結構性能化設計

根據高層民用建筑鋼結構規程中3.8條的要求對結構進行性能化設計。根據結構的高度、規則性及重要性,此項目性能化目標定為C,其對應的具體細化要求如表5所示。通過對結構進行計算得知,小、中、大震烈度下的最大層間位移角依次為1/2 163、1/1 122、1/344,結構層間位移角均可以滿足性能目標要求;中部躍層柱、1～2層的柱和斜撐是關鍵構件,承載力均可以滿足性能目標要求;首層代表性位置的構件應力計算結果見圖11,可看出有一定的裕量。同時對結構采取加強措施:采用梁端翼緣擴大型節點;梁端豎向加肋;因大部分樓層樓板不連續,對有條件加樓板的區域盡量增加樓板;樓板適當加厚,并采用雙層雙向配筋,配筋率不小于0.25%;加強上部網殼與下部結構之間的連接,在30m標高樓面沿網殼支座底做截面為□1 000×400×20×30的箱形大梁。

表5 關鍵構件性能目標C具體細化要求

圖11 首層代表性位置的構件應力計算結果

4.5 屋蓋網殼變形分析

屋蓋單層網殼形式采用單向斜桿正交正放網格,網格尺寸為2.5m,除最下排網格桿件采用φ299×14圓鋼管外,其他桿件均采用φ245×10圓鋼管,桿件之間的連接均為相貫節點,桿件間連接為固接,面內計算長度取桿件幾何長度的90%,面外計算長度取桿件幾何長度的1.6倍。荷載考慮恒荷載、活荷載、風荷載、地震作用及溫度作用。按建設方預估的進度計劃,結構合攏時期溫度在25℃左右,廣州市最低氣溫6℃,最高氣溫36℃,則考慮溫度荷載為±20℃。經計算,恒荷載+活荷載標準值下網殼的最大豎向位移約25mm(圖12(a)),撓度為1/833,滿足規范1/400限值要求;風荷載標準值下網殼的最大水平位移約53mm(圖12(b)),撓度為1/301,滿足規范1/250限值要求。

圖12 網殼變形/mm

單層網殼必須進行穩定性計算,本項目進行穩定性分析時,初始幾何缺陷取跨度的1/300,屈曲模態數量取8,第一階屈曲模態如圖13所示,以橫向(即短向)變形為主,各模態下的穩定性系數見表6。由表6可以看出,屋頂網殼前8階模態下穩定性系數均大于《空間網格結構技術規程》(JGJ 7—2010)[16]4.3.4條文說明中要求的安全系數最小值4.2,因此穩定性滿足要求。

表6 屋頂網殼前8階模態下穩定性系數

圖13 網殼的第一階屈曲模態

4.6 屋蓋網殼對主體結構的影響

對主體結構設置網殼前后分別進行了分析,結構的變化如表7所示。由表7可見,設置網殼后,結構質量、風荷載下剪力、風荷載下位移、柱和支撐及轉換梁的應力比均變大,但因為周期變長,地震作用下的剪力和位移反而稍有減小。

表7 設置網殼前后結構的變化

4.7 屋蓋網殼與主體結構之間的傳力分析

屋蓋網殼底部特別是弧形部分,存在較大的水平推力,為了保證網殼底部支座能把反力可靠傳至下部主體豎向構件,在30m標高樓面沿網殼支座區域設置截面為□1 000×400×20×30的箱形轉換鋼梁,如圖14所示,并滿鋪140mm厚混凝土板,采用雙層雙向配筋,配筋率不小于0.25%。網殼支座內力取鉸接與剛接的包絡計算結果,典型桿件支座內力如圖15所示,支座做法示意如圖16所示。

圖14 網殼水平力傳力途徑示意

圖15 典型桿件支座內力

圖16 典型桿件支座做法示意

分析發現,網殼內力一部分先傳給樓層梁板,然后再傳至柱和斜撐,另一部分則直接傳遞到與之相連的柱和斜撐。

5 水平圓部分

5.1 屋蓋大跨區域結構

防震縫右側水平圓中部分為兩個空曠區域,分別設置兩臺30t吊車,跨度分別為36.55m和26.55m,中部單層柱頂高度為20m,地面層設置航空輪胎剛度試驗臺和磨損試驗臺,周邊設夾層做控制室,吊車位置的相關空間關系如圖17所示。主要結構特點是中部屋頂跨度較大,鋼柱的計算長度較長,中部柱在X向其鋼柱的實際無支撐高度為20m。對于大跨屋蓋,前期做了多方案對比,對中部的36.55m×52m最大柱跨區域進行研究,因短向跨度小于40m,根據經驗,做網架不具備優勢,因此主要考慮了交叉桁架方案和單向實腹梁方案(圖18、表8)。由圖18、表8可以看出,原建筑設計高度為23.45m,若采用交叉桁架方案,吊車凈空不滿足要求,需要增加建筑高度,增加后建筑高度超過24m,相關的消防、通風做法均要比原設計提高,且對原建筑效果也有影響,綜合考慮,最終選擇了單向實腹梁方案。

表8 水平圓屋蓋方案對比

圖17 吊車位置相關空間關系

圖18 大跨水平屋蓋方案

5.2 屋蓋風荷載分析

水平圓部分的屋蓋接近于平屋蓋,不設置混凝土板,上面為鋁板幕墻,對風荷載特別是風吸力比較敏感。參考《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)[5]表8.3.1中項次36,體型系數取-1.0,根據式(2)計算得出風吸力標準值為-1.41kN/m2,將此荷載作為附加工況,并注意,此工況與恒荷載組合時,風吸力分項系數取1.5,恒荷載的分項系數取0.9。

ωk=βzμsμzω0

(2)

式中:ωk為風荷載標準值,kN/m2;βz為高度z處的風振系數;μs為風荷載體型系數;μz為風壓高度變化系數;ω0為基本風壓,kN/m2。

5.3 結構整體計算指標

水平圓結構模型主要計算指標見表9。從表9可以看出,除了偶然偏心地震作用下最大位移比不滿足規范要求外,其他指標均可滿足,X向最大位移比1.31雖然大于1.2,但遠小于1.5,且對應的X向最大層間位移角為1/2 597,遠小于規范的限值1/250,因此可認為結構具備較強的抗扭轉能力。

表9 水平圓結構模型主要計算指標

5.4 大跨屋蓋節點做法

參考《多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖》(16G519)[17],根據鋼結構的受力特點,屋頂大跨實腹梁與邊梁之間采用鉸接,與柱之間采用剛接,具體做法如圖19、圖20所示,現場施工情況如圖21所示。

圖19 屋頂梁梁鉸接節點

圖20 屋頂梁柱剛接節點

圖21 現場梁柱連接節點施工照片

6 吊車相關結構設計

項目設置了3臺30t吊車,吊車的空間關系見圖3、圖4及圖17。確定吊車梁的標高時,要綜合考慮吊鉤凈空要求、吊車梁高度、軌道高度、吊車高度及吊車安裝時需要的上部凈空要求等。水平圓區域梁下凈空不滿足吊車安裝要求,通過模擬吊車實際安裝過程,調整屋頂次梁的位置,保證中間區域有3m×4m的梁格,利用此梁格空間實現了吊車安裝。參考《鋼結構設計手冊》[18]中吊車設計的內容,并根據吊車的相關參數,跨度最大的吊車區的吊車梁內力計算如表10所示,根據此內力,查找圖集《12m實腹式鋼吊車梁中級工作制(A4～A5) 345鋼》(05G514-3)[19](簡稱05G514-3圖集)和《吊車軌道聯結及車擋(適用于鋼吊車梁)》(05G525)[20](簡稱05G525圖集),選用吊車梁相關構件,如表11、表12所示。吊車梁典型節點如圖22、圖23所示。

表10 吊車梁內力設計值

表11 吊車梁及相關構件選用信息

表12 吊車軌道聯結及車擋選用信息

圖22 吊車梁節點

圖23 現場吊車梁施工照片

7 幕墻相關結構設計

項目建筑效果是形似一平躺輪胎與一豎向輪胎的兩個圓的組合造型,整個主體外圍用幕墻包裹。胎圈必須有外鼓才能體現其輪胎的效果,外鼓區域通過幕墻找形來實現。找形桿件在外鼓不同位置處到主體結構的距離長短不一,最長接近3m,若找形桿件直接從主體結構焊接懸挑,根部彎矩在主體結構邊梁上產生很大的扭矩,對鋼結構極為不利。通過研究找形桿件的特點,在找形懸挑桿件間拉斜桿,形成桁架的效果,找形桿件與主體結構相連處改為鉸接,釋放根部彎矩,這樣對主體結構邊梁基本上不產生扭矩作用,受力狀況簡單、合理,如圖24～26所示。幕墻桿件計算時,建立包含主體結構的整體模型,同時核算幕墻構件和主體構件承載力。

圖24 幕墻找形系統

圖25 幕墻剖面示意

圖26 幕墻安裝施工現場

8 關鍵節點分析

豎向圓結構高度達49.2m,屬于高層鋼結構,需設計為埋入式、外包式或外露式剛接柱腳,埋入式和外包式施工非常麻煩,50m以下的高層可設計為外露式剛接柱腳,則施工相對簡單。豎向圓和水平圓之間設了250mm寬防震縫,防震縫處為雙柱,按此尺寸間距無法實現雙柱的柱腳各自獨立,需要設計為聯合柱腳。傳統做法是鋼柱柱腳底板為整體,底板以上柱子間各自獨立,若按此設計,第一無法實現雙柱的共同受力,第二無法利用雙柱剛度疊加的優勢,存在材料浪費,且難以準確分析柱子各自受力時多種工況下對柱腳的實際作用,存在安全隱患。

針對以上問題,研究了一種經濟、安全,且結構簡單,制作安裝簡便的雙鋼柱聯合外露式剛接柱腳節點構造。對柱根部1.5倍柱截面高度范圍內進行整體性處理:首先在兩個鋼柱相對面焊接抗剪栓釘,然后將兩個鋼柱在此高度范圍通過柱間連接板焊接在一起,再通過環板繞雙柱一周,環板與鋼柱間用角焊縫連接,最后通過預留的澆筑孔往柱內及柱間澆筑C40混凝土。對該節點進行有限元分析,有限元分析時取最不利內力組合,圖27為聯合處理前后該節點的應力云圖,可以看出,雙柱聯合之后結果滿足承載力要求,與雙柱聯合之前相比柱根部應力明顯減小。圖28為柱腳施工現場,圖29為雙柱柱腳節點詳圖。

圖27 柱腳節點應力云圖/(N/mm2)

圖28 柱腳施工現場

圖29 雙柱柱腳節點詳圖

9 結語

項目目前已投入使用,實際效果完全體現出了建筑的意向,使用方反映良好。本項目的航空輪胎大科學裝置建筑實際上是一個用于航空輪胎試驗的大跨度超高鋼結構廠房,但又與普通廠房不同,其同時兼具產業吸引、文化展示、科普教育等功能。因此結構設計時,不但要考慮試驗設備運行時,需要的空間尺度、特殊振動等,也要考慮建筑的造型。針對大跨、超高,利用吊車支撐設計為強支撐框架來減小柱截面;針對建筑輪胎造型,屋面設計為柱面網殼,實現建筑效果的同時也節約了材料;針對防震縫處的雙柱,設計了雙柱聯合剛接柱腳,充分利用雙柱疊合剛度,使柱根部應力大為減小。