结构思享【11】| 广州融创滑雪场高区高层大跨重载结构设计介绍

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此文发表于《建筑结构》杂志

本文作者：曹春华   廖耘   吴金妹   李华荣   常磊

摘要

介绍了大型滑雪场的荷载条件及特殊的建筑要求，针对其既是高层又是大跨重载结构的特点，结构设计选用了“四个落地筒+大跨桁架转换平台+钢格构柱+大跨钢屋盖”的结构体系。为解决倾斜滑道推力造成落地筒弯矩巨大这一关键问题，设计在落地筒顶部设置了先滑动后简支支座群，大幅减小了落地筒弯矩，提高了结构安全性。

第一作者

曹春华 CAO CHUN HUA

总工程师助理

高等分析部副总监

高级工程师 / 博士

一级注册结构工程师

1 工程概况

本文介绍的大型滑雪场位于广州市花都区，L形平面总长约370米，滑道区设缝分为滑道低区和架空的滑道高区两部分。滑道区横向总宽度约110米，滑道高度从66米逐渐下降到地面。

滑道区净高要求22米，再加上约10米的屋面桁架高度，滑雪场屋面最高点标高为98米，沿滑道以7~12°的坡度逐渐下降到最低点标高40米。

图1   滑雪场平面、剖面及室内外三维效果示意图

建筑要求整个滑雪场内部接近无柱空间，导致滑道区的结构柱只能设置在跨度110米的两条边上形成大跨屋盖。同时如图1d所示，滑道高区滑道面标高66m，其下架空，采用距离约60米的四个落地筒支承，导致整个滑道高区及其上的钢屋盖都只能采用大跨钢桁架转换支承。因此滑道高区的结构形式非常特殊，既是高约100米的超高层，又是大跨重载结构，后文将详细介绍滑道高区的结构体系及设计特点。

作为一种功能非常特殊的大型公共建筑，地处亚热带的滑雪场内部要求常年处于-3°的设计温度，而室外温度高达30~40°，因此对保温和防水有极高的要求。在架空的滑道结构板之上，要先设置砂浆找平层、内埋冷热管的素砼层、保温层、砂浆找平层、防水层、抗冻砼层等诸多构造层后，才能覆盖400mm厚的积雪层(图2a)。这使得滑道面附加恒载高达8.5kpa，为典型的大跨重载结构。

经建筑节能论证，为满足滑雪场屋面及墙面的保温要求，必需采用“内保温+外幕墙”的双层围护结构体系(图2b)。内层采用自重及厚度均较大的A级保温材料，外层为铝板隔热幕墙。为与双层维护体系相匹配，结构立面及屋面也需设置双层檩条及墙梁，这使得滑雪场屋面附加恒载高达2.4kPa，远大于常规轻钢屋面[1]。如果再计入屋面桁架层内还有大量的制冷造雪设备、检修马道等重量，屋面等效均布荷载将超过3.5kPa。因此，滑雪场的屋盖也是大跨重载结构。

图2   "内保温+外幕墙"双层维护体系及滑道层构造示意图

为避免结构构件表面结露并形成冷桥，设计要求所有立面和屋面结构构件都不能暴露在滑雪场内，只能设置在双层围护结构中间。但为了尽量不浪费实用面积，建筑又要求结构的两层立柱截面宽度不能超过3米，进一步加大了结构设计难度。

滑道高区平面示意如图3a所示，因用地边线倾斜，导致滑道高区平面呈直角梯形，斜边纵向长度从88米变化到105米。为保证立面效果，建筑要求靠近端部的两个后落地筒需平行于用地边线布置，因此后落地筒为平行四边形平面，而前落地筒为矩形平面。四个落地筒的纵向净距为44.6~57.6米，横向净距为60.4米。经计算，矩形前落地筒尺寸为12.0x9.2米，高度37.7米，高宽比4.1，墙厚1.2米；平行四边形后落地筒尺寸12.0x10.9米，高度56米，高宽比5.1，墙厚1.2米。

图3   高区平面及架空桁架定位示意图

在四个落地筒间，采用10米高的箱式巨型桁架形成一个转换平台，以支承整个高区滑道层及屋盖。箱式纵向桁架跨度44.6～57.6米，两端分别出挑约9米；箱式横向桁架跨度60.4米，两端分别出挑13米，再与连接屋面3米宽钢格构柱的纵向边桁架相连。为了减轻落地筒上方两道纵向主桁架的负担，在横向主桁架跨中又增设了一道中间纵向主桁架(图4a)。由于转换桁架平台受力很大，纵、横向主桁架均采用Q420GJB矩形钢管，中间纵向主桁架及其余构件采用Q345B圆管。以滑道区倾斜面与平台区水平面的交线为界，纵向桁架形成图4b所示的弯折桁架。

图4   转换平台主桁架及纵向典型剖面示意图

在各榀主桁架间，结构设置了多榀横向次桁架、边桁架、纵向联系杆以及斜平面支撑，形成一个刚度很大的完整转换桁架平台，用来支托上部的滑道和屋盖体系(图5a)。考虑到节点连接的便利，上述构件均采用圆管截面。

图5   转换桁架平台整体及找形次结构构成示意图

由于高区三条滑道的起坡位置、坡度均不相同，在转换桁架平台以上，还需设置找形次结构。在次结构框架间设置了纵向、横向柱间支撑，形成框架支撑体系，以抵抗滑道倾斜引起的下滑力(图5b)。

图6   大跨屋盖构成及与下部转换桁架平台连接示意图

如前所述，支承110米跨屋盖的滑道两侧结构柱宽不能超3米。为减轻构件自重，滑道高区屋盖选用了“大跨桁架+钢格构柱”的门式刚架体系。如图6a所示，屋面横向主桁架间距8.4m一榀，3m宽的格构柱支承在转换平台两侧的纵向边桁架上。大跨钢屋盖由横向主桁架、纵向次桁架、上下弦稳定杆、上下弦屋面抗风撑、钢格构柱系统以及端部的山墙抗风系统等构件组成。设计中在支承钢屋盖的格构柱之间设置了立面支撑，与下部的纵向边桁架形成一个通高的立面巨型桁架以提高承载力^[2]。

与双层围护保温体系相对应，结构在屋面主桁架上下弦设置了双层屋面次梁、在格构柱内外两侧也设置双层墙面次梁。

高区采用四个落地筒支承架空转换桁架平台，结构受力特点接近一个倾斜布置的巨型框架。竖向荷载下不仅转换桁架承受巨大的弯矩，四个落地筒的弯矩也很大。从图7可知，落地筒底部弯矩的构成，可分为纵向弯折桁架水平推力Fx引起的弯矩M1，和由筒两侧桁架竖向力不平衡引起的弯矩M2这两部分。

图7   大跨屋盖构成及与下部转换桁架平台连接示意图

在方案比选阶段发现，虽然后筒顶部的水平推力Fx只有11523kN，但由于后筒高达60米，由推力引起的弯矩高达69.1万kN.m。要抵抗如此巨大的弯矩，基础和筒体配筋设计需付出巨大代价，难以实现。因此必须采取有效措施来减小筒底弯矩。

表1   竖向荷载下,原方案落地筒底弯矩统计分析

表2   不同施工阶段的荷载分配

考虑到筒底弯矩主要是由桁架的水平推力造成，设计中在两个后筒顶部设置了单向滑动支座，以有效释放纵向水平推力Fx。但考虑到后筒内有电梯，且支座长期滑动也难以满足抗震要求，如表2所示，设计中将支座状态分为两个阶段，在结构接近完工、开始造雪前，将后筒顶的单向滑动支座采取特殊措施锁定，变为简支支座。

如表3所示，在采用两阶段先滑动后简支支座后，落地筒水平推力Fx下降约50%，Y向总弯矩下降约70%，效果非常显著。

表3   先滑动后简支支座对减小筒体弯矩及剪力效果比较

由于转换桁架荷载巨大，单个支座无法承受，设计中采用了支座群的布置方案。在两个后筒上各设置有7个先滑动后简支支座，在两个前筒上各设置有8个简支支座(图8)，这些支座的性能目标均设为大震弹性。考虑到实际施工的复杂性，支座的滑动不一定非常理想，在落地筒配筋和基础设计时，也考虑了滑动支座失效的最不利情况进行包络设计。

根据计算，先滑动后简支支座的最大滑移量为29~33mm，最大轴压力设计值为10500~56000kN，为目前国内民用建筑中采用的最大吨位成品支座。

图8   落地筒顶支座布置及设计参数示意图

5.1   弹性计算结果

1) 结构前三周期分别为1.91、1.40、1.30s，扭转周期比为0.68。由于下部的四个落地核心筒及架空转换桁架是刚度很大的重钢结构，而钢屋盖则是刚度较小的大跨钢结构，形成了下刚上柔的结构特点，因此结构前三阶周期都是钢屋盖振动。

图9   结构前三阶振型图

2) 结构阻尼比采用应变能法按材料特性自动计算，混凝土、钢材的材料阻尼比分别取5%、2%,前三阶等效阻尼比分别为2.4%、2.3%、2.2%，符合前三周期主要为钢屋盖振动的特性。

3) 在竖向荷载作用下，架空转换平台、钢屋盖的最大竖向挠度分别为1/509、1/521，可分别满足1/400、1/300的限值要求。钢屋盖在风荷载下的位移角为1/524，可满足1/250的限值要求；混凝土落地筒在竖向荷载下的最大位移角为1/2435，可满足1/800的限值要求。

4) 由于对筒体采取了有效的弯矩减小措施，四个落地筒在竖向荷载下底部墙肢均未出现竖向拉应力，筒顶最大竖向拉应力仅为1.4MPa，小于混凝土的开裂应力^[3]。

5) 整体屈曲及局部屈曲分析结果表明，钢屋盖格构柱面内计算长度系数在0.65以内，设计中偏安全的取节间长度。

5.2   抗震性能目标验算情况

结构属于“特殊型式的大型公共建筑”，对下部砼核心筒，根据《高规》^[4]第3.11节内容进行结构抗震性能化设计并采取相应措施；对上部钢结构，根据《抗规》^[5]第3.10节内容及附录M进行结构抗震性能化设计并采取相应措施。

1)   四个砼核心筒定义为关键构件，中震下要求满足 抗剪弹性、墙肢名义拉应力不超过2ftk；大震下要求满足 抗剪弹性、压弯弹性。

2) 架空平台主桁架、钢屋盖格构柱、钢屋盖主桁架定义为关键构件，在中震下承载力按设计值复核；大震下承载力按极限值复核。

计算结果表明各构件均可满足设定的性能目标，且因大跨结构的构件内力主要为竖向荷载控制，抗震性能目标对结构构件验算的影响并不大。

大震弹塑性分析的结构与性能验算吻合，即使在提高一度设防的7度罕遇地震时程下，落地筒、转换桁架平台、钢屋盖主桁架等主承重结构也没有出现明显的塑性损伤，抗震性能良好。仅屋盖水平斜撑出现轻微塑性，与设定的屈服顺序相符。

图10   大震弹塑性分析构件塑性应变情况

本项目已接近完工，高区先滑动后简支支座目前处于表2中定义的1-6施工阶段，即钢屋盖外层墙面次梁及其墙板安装完成阶段。从表4的实测与理论值的统计分析可以看到，各支座均正常滑移，除个别支座外，滑移实测值与理论值均比较接近。考虑到实际的安装顺序、荷载重量及分布均与理论计算有所差异，目前的误差是可以接受的。

表4   1-6施工阶段中支座滑移量实测与理论差异统计

针对该滑雪场项目既是高层又是大跨重载结构的特点，设计中选用了“四个落地筒+大跨桁架转换平台+钢格构柱+大跨钢屋盖”的结构体系。构件应力、结构变形等各项指标均控制在合理范围内，结构抗震性能良好，主要抗侧力构件均可满足设定的性能目标，结构设计是可行且安全的。

针对倾斜滑道水平推力造成落地筒弯矩巨大这一关键问题，设计中通过设置两阶段先滑动后简支支座群，将落地筒弯矩降低约70%，显著提高了结构安全性，并取得了很好的经济效益。

[1] 建筑结构荷载规范: GB 50009-2012 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.

[2] 钢结构设计规范: GB50017-2017 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2017.

[3] 混凝土结构设计规范: GB50010-2010(2015年版) [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.

[4] 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, 2010.

[5] 建筑抗震设计规范: GB 50011-2010(2016版) [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.