譚 堅(jiān)，區(qū) 彤，張艷輝，蘭春光，戴朋森，楊 新，李文生，林全攀

(1 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 510010；2 北京市建筑工程研究院有限公司， 北京 100039)

1 工程概況

汕頭亞青會(huì)場(chǎng)館項(xiàng)目位于廣東省汕頭市澄海區(qū)東海岸大道，一期項(xiàng)目總建筑面積約14萬m2，包括：一座2.2萬人體育場(chǎng)，建筑面積約4萬m2；一座8 000人體育館，建筑面積約3.4萬m2；一座會(huì)議中心，建筑面積約1.8萬m2；一座訓(xùn)練場(chǎng)，建筑面積約1.8萬m2；架空平臺(tái)等建筑面積約3萬m2[1]。圖1為汕頭亞青會(huì)場(chǎng)館項(xiàng)目實(shí)景。

體育場(chǎng)整體外輪廓尺寸約298.6m×220.1m，總高度39.10 m，內(nèi)部設(shè)置2條伸縮縫(兼防震縫作用)將結(jié)構(gòu)分割成2個(gè)較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元；體育館平面呈橢圓形，整體外輪廓尺寸約223.3m×123.6m，總高度29.0 m，內(nèi)部不設(shè)縫，與體育場(chǎng)交接位置設(shè)置一道伸縮縫。會(huì)議中心整體外輪廓尺寸約206.5m×57.1m，總高度22.3 m，內(nèi)部不設(shè)縫，與體育場(chǎng)交接位置設(shè)置一道伸縮縫。室外訓(xùn)練場(chǎng)(停車場(chǎng))整體外輪廓尺寸約200.0m×96.0m，總高度6.2m，內(nèi)部不設(shè)縫。圖2為汕頭亞青會(huì)場(chǎng)館項(xiàng)目下部混凝土分縫情況。

整個(gè)屋面鋼結(jié)構(gòu)分為3個(gè)結(jié)構(gòu)單元，體育場(chǎng)與體育館交接位置設(shè)置一道結(jié)構(gòu)縫，體育場(chǎng)與會(huì)議中心交接位置設(shè)置一道結(jié)構(gòu)縫，覆蓋住體育場(chǎng)、體育館與會(huì)議中心。

體育場(chǎng)、體育館屬于重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計(jì)使用年限為50年，耐久性下構(gòu)件設(shè)計(jì)使用年限為50年。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，對(duì)持久設(shè)計(jì)和短暫設(shè)計(jì)狀況，重要性系數(shù)γ0取1.1，對(duì)地震設(shè)計(jì)狀況γ0取1.0，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為 0.2g。場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地特征周期為0.55s。屬于高烈度、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)地區(qū)，按100年重現(xiàn)期取風(fēng)壓為0.95kN/m2。

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)有：軟土地基處理和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、高烈度區(qū)結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)、大跨度鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)減振設(shè)計(jì)。

2 基礎(chǔ)條件及設(shè)計(jì)

2.1 地質(zhì)情況

汕頭亞青會(huì)場(chǎng)館項(xiàng)目位于汕頭市澄海區(qū)東海岸新城塔崗圍片區(qū)內(nèi)，場(chǎng)地原始地貌為濱海灘涂，新近人工填海造地形成陸地，主要分布有深厚的淤泥夾砂，巖面埋深約45m，場(chǎng)地原狀主要為空地，地勢(shì)平坦，典型地質(zhì)剖面如圖3所示。

場(chǎng)地吹填料主要為淤泥，含較多粉細(xì)砂，局部夾中粗砂及黏土，填筑時(shí)間約5年，土體飽和，以流塑狀為主，無法滿足建筑功能及施工設(shè)備行走要求，需進(jìn)行地基處理。場(chǎng)地臨海，分布有強(qiáng)透水性的砂層，地下水為海水，氯離子含量高，水位變化同潮汐變化，變化幅度約2～3m，樁基處于干濕交替區(qū)，為強(qiáng)腐蝕性。

2.2 軟土地基處理情況

場(chǎng)地使用功能主要有：建筑消防車道、主入口硬地廣場(chǎng)、足球場(chǎng)、錘擊樁樁基施工區(qū)域、施工便道、設(shè)備管線等。由于存在不同沉降、不同承載力、不同建設(shè)時(shí)序等需求，針對(duì)具體區(qū)域，分別采用了水泥攪拌樁、真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓、高壓旋噴樁、拋石回填磚渣、鋼板樁支護(hù)，進(jìn)行地基處理，具體布置范圍如圖4所示。各處理區(qū)域相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了軟土地基處理和樁基礎(chǔ)施工有效銜接、同步施工。

2.2.1 施工便道拋石回填

由于場(chǎng)地大范圍均為流塑狀吹填淤泥，其他設(shè)備無法行進(jìn)，前期施工便道采用拋石回填及換填的方法，回填磚渣、石渣，回填厚度約為1.5～2.0m，面層設(shè)置200mm厚的混凝土面層。在使用階段，經(jīng)反復(fù)碾壓，地表有一定的沉降，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)土，排水措施見文獻(xiàn)[2]。

2.2.2 真空預(yù)壓

真空預(yù)壓具有處理效果較優(yōu)、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，是《吹填土地基處理技術(shù)規(guī)范》(GB/T 51064—2015)[3]推薦的軟土地基處理方法，但其缺點(diǎn)是耗時(shí)較長。后期建設(shè)的會(huì)議中心、廣場(chǎng)平臺(tái)、田徑足球場(chǎng)區(qū)域，采用真空預(yù)壓進(jìn)行處理。

場(chǎng)地土為欠固結(jié)土，按6m吹填淤泥及4m淤泥計(jì)算。補(bǔ)充固結(jié)土工試驗(yàn)參數(shù)，自重下的固結(jié)沉降約為277mm，真空預(yù)壓荷載下最終豎向變形量計(jì)算值為685mm，預(yù)估處理后的總沉降量約為962mm。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，體育場(chǎng)累計(jì)沉降量約為950mm(堆載區(qū))，與計(jì)算值基本一致。會(huì)議中心及廣場(chǎng)平臺(tái)累計(jì)沉降量為460～890mm，該區(qū)域后續(xù)采用樁基礎(chǔ)并設(shè)置首層結(jié)構(gòu)板，采用快速真空預(yù)壓進(jìn)行初步的地面硬化，持續(xù)時(shí)長3個(gè)月，日沉降及地基承載力基本滿足施工荷載后，停止真空預(yù)壓，開展樁基礎(chǔ)施工作業(yè)。各分區(qū)地表沉降實(shí)測(cè)值如圖5所示。

樁基礎(chǔ)施工過程中創(chuàng)新地采用無砂墊層真空聯(lián)合水載預(yù)壓施工工藝，用土工布代替沙墊層綁扎濾管與塑料排水板接頭，保證了排水系統(tǒng)的水疏導(dǎo)性及出水效率，并采用普通可降解包裝帶綁扎，不破壞整個(gè)真空預(yù)壓系統(tǒng)，節(jié)約了成本，加快了工期。

體育場(chǎng)的真空預(yù)壓區(qū)域位于位于樁基施工范圍的正中央，隨著體育場(chǎng)中部土體固結(jié)沉降，地表土體存在水平位移，堆載時(shí)長為180d，對(duì)周邊樁基有影響。因此在堆載預(yù)壓期間，對(duì)土體水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待水平位移收斂后，再施打內(nèi)圈樁基，此后由堆載引起的樁基水平位移小于5mm，滿足使用要求。不同區(qū)域的真空預(yù)壓深層土體測(cè)斜實(shí)測(cè)值見圖6，其中次數(shù)代表不同的監(jiān)測(cè)階段。真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖7所示。

2.2.3 高壓旋噴樁

場(chǎng)館區(qū)域處于施工關(guān)鍵線路，該區(qū)域僅需要臨時(shí)地面硬化，用于樁基施工及首層板施工?？紤]到真空預(yù)壓工期較長，區(qū)域設(shè)置有樁基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)板區(qū)域，因此該區(qū)域選用格柵式高壓旋噴樁進(jìn)行處理。該施工設(shè)備自重輕，可在較差的場(chǎng)地上進(jìn)行作業(yè)。旋噴樁有效樁長1.5m，樁頂預(yù)留0.5m空樁段。場(chǎng)地通過格柵式的旋噴樁形成硬殼層。在管樁施打完成后，盡快完成承臺(tái)和首層板澆筑，減少場(chǎng)地軟土擾動(dòng)對(duì)已施工的樁基造成影響。格柵式旋噴樁典型布置方式如圖8所示。

2.2.4 水泥攪拌樁

消防車道分布零散，承載力要求不高，選取水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理，該方式具有布置靈活、施工方便的優(yōu)點(diǎn)。吹填淤泥層提供樁周摩阻力為117kN，樁身強(qiáng)度約為1MPa，樁身強(qiáng)度取61.3kN，處理后的復(fù)合地基承載力為60kPa。由于水泥攪拌樁用于場(chǎng)地減沉，在邊界位置設(shè)置過渡段，布置間距由1 200mm過渡到2 000mm，避免出現(xiàn)較大的沉降差。

2.2.5 鋼板樁支護(hù)

在完成主體土建施工后，開展場(chǎng)地管線鋪設(shè)施工。由于場(chǎng)地室外設(shè)備管線分布廣泛，如進(jìn)行地基處理，造價(jià)較高，且無法處理局部，現(xiàn)場(chǎng)采用9m深拉森鋼板樁支護(hù)，在施工過程由于土體流塑性強(qiáng)，局部坑底反拱，采用回填磚渣處理。

2.3 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)情況

由于場(chǎng)地承載力低，淤泥深厚，經(jīng)比選后，采用錘擊預(yù)應(yīng)力管樁。預(yù)應(yīng)力管樁采用φ500及φ600的PHC管樁，樁端持力層為中粗砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁長為40～50m，平均樁長為45m，各樁型承載力如下：φ500PHC管樁豎向抗壓承載力特征值為2 400kN(含300kN的負(fù)摩擦阻)；φ600PHC管樁豎向抗壓承載力特征值為3 200kN(含400kN的負(fù)摩擦阻及400kN下拉力)、豎向抗拔承載力特征值為400kN；其中，大部分區(qū)域采用φ500PHC管樁，抗拔樁、體育場(chǎng)拱腳抗水平推力處采用φ600PHC管樁，并在首層設(shè)拉梁。

針對(duì)強(qiáng)腐蝕性的地質(zhì)情況，采用耐腐蝕性管樁，并在樁身及接頭等部位涂刷瀝青涂層，并對(duì)焊縫厚度預(yù)留腐蝕余量，焊接腐蝕裕量在5mm以上。

補(bǔ)充進(jìn)行整體樁基抗水平力驗(yàn)算，滿足中震下的基底剪力要求。管樁在軟土中施工時(shí)應(yīng)特別注意樁偏位問題，參考文獻(xiàn)[4-5]主要采取了固化樁頂?shù)母邏盒龂姌逗蛯?duì)稱開挖的措施，管樁的偏移量滿足規(guī)范限值100mm的要求。經(jīng)檢測(cè)和靜載試驗(yàn)，管樁滿足規(guī)范限值10mm的要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架+屈曲約束支撐+屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)。體育場(chǎng)下部混凝土通過兩道結(jié)構(gòu)分縫，分為左單元和右單元。左單元外圈長度約350m，右單元外圈長度約390m，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋單元的長度控制在300m以內(nèi)，并結(jié)合建筑功能設(shè)縫。左單元和右單元均布置屈曲約束支撐BRB[6-8]，見圖9～11。左單元地上五層，局部兩層，右單元地上四層。主要的框架梁截面為400×800、500×1 100、800×1 100，框架梁最大跨度20m，采用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁。典型框架柱截面800×800、1 000×1 000、φ800；支撐鋼結(jié)構(gòu)屋蓋混凝土斜柱800×1 500。規(guī)則看臺(tái)區(qū)域采用預(yù)制看臺(tái)，局部異形看臺(tái)區(qū)域采用現(xiàn)澆。

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用懸挑桁架結(jié)構(gòu)形式。體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)采用“倒三角桁架+拱桁架”的形式，由鋼柱(含9根拉索柱)、巨型拱桁架、徑向懸臂鋼桁架等組成，結(jié)構(gòu)為雙曲造型，懸臂最長達(dá)36.5m，最大跨度為118m(巨型拱桁架跨度)，桿件截面φ1 000×35，總用鋼量約7 000t。

體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋拱腳水平推力包絡(luò)設(shè)計(jì)值達(dá)到6 200kN，為減少水平推力對(duì)管樁的影響，利用首層結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力樓板拉住兩個(gè)拱腳，拱腳連線區(qū)域的首層結(jié)構(gòu)板配置雙層雙向緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋Hφs15.2@500，板帶最窄處寬度5.5m，設(shè)置區(qū)域如圖12所示，推力和預(yù)應(yīng)力達(dá)到自平衡效果。

3.2 體育館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

體育館采用混凝土框架+屈曲約束支撐+屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)。下部混凝土不設(shè)縫，地上五層，局部兩層。主要的框架梁截面為400×800、600×800、800×1 000，框架梁最大跨度20m，采用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁。典型框架柱截面為800×800、1 000×1 000、φ1 000；看臺(tái)部分，規(guī)則看臺(tái)采用預(yù)制看臺(tái)，局部異形區(qū)域采用現(xiàn)澆。體育館典型剖面、體育場(chǎng)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖及BRB布置分別如圖13、14和15所示。

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)中央?yún)^(qū)采用單層網(wǎng)殼形式，周邊采用桁架形式。體育館屋蓋跨度為94.1m，建筑長度為226.7m，由斜三角環(huán)桁架+箱形單層網(wǎng)殼+平面桁架桁架組成，桿件截面達(dá)φ1 000×30，總用鋼量達(dá)3 800t。

4 抗震設(shè)計(jì)分析

4.1 屈曲約束支撐(BRB)布置方案

體育場(chǎng)采用屈曲約束支撐(BRB)的消能減震設(shè)計(jì)，BRB的設(shè)計(jì)原則為小震作用下為彈性支撐并提供結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，中震作用下進(jìn)入屈服，充分發(fā)揮耗能減震作用[9]，BRB宜布置在地震作用下產(chǎn)生較大支撐內(nèi)力的部位，即月牙斜看臺(tái)角部；宜沿結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向分別設(shè)置，即沿著徑向軸網(wǎng)、環(huán)形軸網(wǎng)設(shè)置。經(jīng)試算比選，BRB各層布置如圖16所示。BRB屈曲芯板為低屈服鋼材Q160LY，支撐連接板為Q355B，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 BRB相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2 多遇地震作用分析

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，多遇地震作用下BRB處于彈性階段，不進(jìn)入屈服，為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，因此BRB按剛度等效原則，以箱形截面鋼支撐進(jìn)行建模計(jì)算，且不考慮附加阻尼作用，因而考慮上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的附加阻尼作用，綜合阻尼比取0.035[10]。

采用彈性時(shí)程分析對(duì)體育場(chǎng)進(jìn)行多遇地震作用下的補(bǔ)充驗(yàn)算，考慮三向地震作用，水平主方向加速度峰值取70cm/s2，主方向、次方向與豎直方向的加速度峰值按照1∶0.85∶0.65的比例調(diào)整，按設(shè)防烈度8度(0.20g)、Ⅲ類場(chǎng)地選取地震波，選用2條人工波和5條天然波。經(jīng)計(jì)算，每條時(shí)程曲線均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[11]要求。彈性時(shí)程分析結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法(CQC)結(jié)果基本吻合，施工圖按各層彈性時(shí)程分析平均值與CQC結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

經(jīng)計(jì)算，小震作用下BRB1的包絡(luò)設(shè)計(jì)值為625kN，小于彈性承載力設(shè)計(jì)值1 100kN，BRB2的包絡(luò)設(shè)計(jì)值為862kN，小于彈性承載力設(shè)計(jì)值1 400kN。

4.3 罕遇地震作用分析

采用MIDAS/Gen進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，考察結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能[12]?？紤]三向地震作用，主方向加速度峰值取400cm/s2，主方向、次方向與豎直方向的加速度峰值按照1∶0.85∶0.65的比例調(diào)整，阻尼比為0.05。選取人工波1、天然波1(CHiCHi)、天然波2(Mammothlakes)進(jìn)行計(jì)算。

4.3.1 塑性鉸設(shè)置

塑性鉸的設(shè)置主要根據(jù)各構(gòu)件的受力特點(diǎn)，具體做法如下：混凝土柱設(shè)置了PMM鉸(柱縱筋暫按1.6%配筋率輸入)；混凝土梁應(yīng)力比高的主梁兩端設(shè)置MM鉸(按最小配筋率輸入梁配筋)；屋面鋼構(gòu)件及鋼支撐設(shè)置PMM鉸，BRB設(shè)置P鉸。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的評(píng)價(jià)從構(gòu)件的塑性變形與塑性變形限值的大小關(guān)系、關(guān)鍵部位構(gòu)件的塑性變形等方面進(jìn)行分析，以塑性鉸的狀態(tài)來描述構(gòu)件的破壞狀態(tài)[8-9]，混凝土結(jié)構(gòu)采用MIDAS默認(rèn)的塑性鉸級(jí)別，鋼構(gòu)件塑性鉸級(jí)別與破壞極限狀態(tài)定性描述見表2。

表2 塑性鉸級(jí)別與破壞極限狀態(tài)定性描述對(duì)應(yīng)關(guān)系

4.3.2 整體計(jì)算結(jié)果

MIDAS計(jì)算結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為168 768t，體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)在三向地震作用下的彈塑性分析結(jié)果如表3所示，每項(xiàng)均給出各主方向的三向計(jì)算結(jié)果。由表可知，大震作用下基底剪力為4～6倍小震基地剪力，均能滿足規(guī)范要求，且最大層間位移角均小于1/50。

表3 彈塑性分析結(jié)果

4.3.3 結(jié)構(gòu)塑性鉸分布及發(fā)展規(guī)律

體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)在人工波1的X向作用下的地震響應(yīng)最大，列出其塑性損傷情況。由屋蓋鋼構(gòu)件P鉸狀態(tài)(圖17)可以看到，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)在大震作用下只有少部分進(jìn)入Level2(輕微損傷)，說明結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。從圖18、19可以看到，大部分混凝土構(gòu)件出現(xiàn)輕微損傷，個(gè)別構(gòu)件出現(xiàn)中度損傷，且支撐鋼屋蓋混凝土柱只出現(xiàn)輕微損傷，施工圖設(shè)計(jì)通過增強(qiáng)配筋以提高其抗彎能力。

4.3.4 BRB及支撐屋蓋柱抗震性能評(píng)價(jià)

從圖20可以看出，BRB出鉸率達(dá)80%，說明BRB出鉸充分，減震效果明顯，滿足設(shè)計(jì)要求。從圖21可以看出，BRB進(jìn)入屈服耗能階段，最大內(nèi)力為1 528kN，大于屈服承載力1 500kN，小于極限承載力2 400kN。罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)振型阻尼耗能占比為74.9%，BRB阻尼耗能占比為25.1%，說明BRB起到了較好的耗能效果。從圖22可以看出，支撐柱最大柱頂水平位移為70mm，最大層間位移角為1/86。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)大震下?lián)p傷不大，故整體抗側(cè)剛度沒有多大降低。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)不同沉降需求、不同承載力需求、不同建設(shè)時(shí)序，分別在不同區(qū)域采用了水泥攪拌樁、真空預(yù)壓、高壓旋噴樁等進(jìn)行地基處理，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示軟土地基處理達(dá)到了預(yù)期效果。根據(jù)不同建設(shè)工序細(xì)化處理方案，不僅滿足了工期和場(chǎng)地的需求，而且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)真空預(yù)壓結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)挖土情況，創(chuàng)新地采用了無砂墊層真空聯(lián)合水載預(yù)壓施工工藝，加速軟土固結(jié)時(shí)間，經(jīng)濟(jì)高效。

(3)高壓旋噴樁主要應(yīng)用在樁基礎(chǔ)施工場(chǎng)地，針對(duì)管樁設(shè)備無法在軟土上操作和行走的問題，高壓旋噴樁由于設(shè)備小、輕，承載力高，非常適合硬化軟土表面淺層處理。處理深度1.5m，即在場(chǎng)地表面形成一個(gè)硬化層，滿足了工期和硬化要求，并對(duì)管樁防偏起到了很好的預(yù)防效果。

(4)針對(duì)高烈度區(qū)體育場(chǎng)館采取屈曲約束支撐減震設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過布置比選優(yōu)化，沿著徑向軸網(wǎng)、環(huán)形軸網(wǎng)對(duì)稱布置，小震和大震作用下的計(jì)算結(jié)果表明，屈曲約束支撐具有良好的抗震效果。

(5)對(duì)體育場(chǎng)館結(jié)構(gòu)，屈曲約束支撐應(yīng)徑向布置在無混凝土斜梁(斜看臺(tái))位置，環(huán)向?qū)ΨQ布置。對(duì)地震作用方向，應(yīng)取多個(gè)方向或薄弱方向進(jìn)行地震作用計(jì)算。