某龙舟竞渡中心结构设计关键问题探讨

Discussion on Key Issues in the Structural Design of a Dragon Boat Racing Center

摘要

公共建筑往往在部分位置限制结构柱的设置，对结构布置方案的选择和分析显得至关重要。以某龙舟竞渡中心为例，介绍了项目的基本工程概况和结构选型，对其中的设计关键问题进行了分析和探讨。结果表明，结合建筑效果，通过合理设置斜柱+钢拉杆，科学处理斜柱柱脚和基础，采取在适当位置设置钢支撑等措施，可有效优化传力途径；经过整体建模计算、多软件对比分析和关键节点有限元分析，有效控制结构构件的应力和变形，结合有效的加强措施，能保证结构的可靠性。

Abstract

The placement of structural columns in public buildings is often restricted at certain locations， which plays a critical role in the selection and analysis of structural layout schemes. Taking a dragon boat racing center as an example， this paper introduces the basic project overview and structural selection， followed by an analysis and discussion of key design issues. The results indicate that， in coordination with architectural design objectives， the force transmission path can be effectively optimized by reasonably arranging inclined columns with steel tie rods， scientifically designing the foundations and footings of inclined columns， and adopting measures such as installing steel supports at suitable locations. Through integrated modeling calculations， comparative analysis using multiple software tools， and finite element analysis of key nodes， the stress and deformation of structural components are effectively controlled. Combined with appropriate strengthening measures， structural reliability is ensured.

Graphical abstract

关键词

斜柱 / 大悬挑 / 节点设计 / 钢拉杆 / 钢支撑 / 柱脚设计

Key words

inclined column / large overhang / node design / steel tie rod / steel support / column foot design

0 引 言

近年来，随着现代建筑对空间灵活性、功能多样性及造型艺术性的需求不断提升，斜柱与大跨度悬挑结构在大型公共建筑（如文体场馆、交通枢纽、高层办公楼等）中得到了广泛应用。此类结构通过独特的力学传递路径和空间形态，实现了建筑功能与美学表现的有机融合。然而，斜柱的非垂直传力特性及大跨度悬挑结构的显著几何非线性特征，使其在设计过程中面临复合应力分析、传力途径选择、节点构造优化等关键挑战。如何通过理论创新与技术突破，确保此类结构的安全性、经济性与施工可行性，已成为工程界和学术界共同关注的热点问题。

程斌^［1］、袁世聪等^［2］、洪文明等^［3］对高层、超高层建筑采用斜柱进行了结构分析，表明合理设置斜柱能增加结构整体刚度，但同时也会增加斜柱自身和相关楼盖受力的复杂性，需采取针对性的节点分析和加强措施。卢奥奇^［4］对斜柱钢结构基础水平位移的控制方法进行的系统研究，表明合理地设计柱脚和基础能有效控制水平位移。刘向刚等^［5］对山地上的异形建筑提出并设计了一种拱-斜柱结构，通过合理调整柱倾斜角度有效改善了结构受力。杨庆辉等^［6］、赵兴丽^［7］、袁波峰等^［8］、曹禾等^［9］对大悬挑屋盖的结构布置方案进行了分析，通过设置拉杆（索）的方式能有效优化结构力流传递路线、控制屋盖的变形和用钢量，而拉杆（索）点位的选取和节点设计是关键。

尽管斜柱和大跨度悬挑结构的研究已分别取得了一定的进展，但结合斜柱+拉杆支承大跨度悬挑屋盖的工程实例和研究依然不多。本研究通过对本项目设计关键问题的探讨，旨在为类似工程提供设计依据与技术参考，推动复杂结构理论体系的完善与实践创新。

1 项目概况

本项目位于湖南省汨罗市，紧邻汨罗江，主要功能为观赏龙舟看台，局部地下1层，地上3层，总建筑面积为11 297.85 m²，其中地下部分为建筑面积达880.4 m²的设备房和消防水池，地上部分建筑面积为10 417.45 m²。建筑整体呈微弧形布置，东西向总长度为193.6 m，其中东西端部最大悬挑各约26.5 m，建筑宽度为30.3 m。建筑高度为20.865 m，其中一层层高为4.6 m，二层层高为5.94 m，三层层高两端高中间低，建筑效果图如图1所示。结构设计工作年限为50年，抗震设防类别为标准设防类（丙类），结构安全等级为二级，设计地震分组为第一组，设防烈度为7度（0.10g），场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.40 s，水平地震影响系数最大值ɑ_max=0.08。50年一遇基本风压为0.40 kN/m²，地面粗糙度类别为B类，100年一遇基本雪压为0.65 kN/m²。本项目已竣工并投入使用几年，成功举办了多次大型公共活动，建成效果良好，得到了社会各界的广泛赞誉。

2 结构选型

因建筑造型需要，建筑两端为V字形斜柱，屋顶整体像一艘龙舟悬挂在斜柱上，屋面东西两端大悬挑部分结构厚度有限，若采用混凝土结构，既显笨重又无法满足建筑效果。因此，屋面采用轻钢屋面，屋面大悬挑部分设置拉杆与斜柱拉结。另外，为充分利用看台下部空间，看台部分采用悬挑形式，悬挑跨度为6~8 m，由于看台荷载较大，下部设置钢斜撑以保证结构的可靠性。同样地，看台顶部屋面采用悬挑形式，悬挑跨度约15 m，在挑梁根部约3 m处设钢斜撑。地下部分采用混凝土结构，根据地勘报告，素填土厚度较厚，基础形式采用桩径为500 mm的预应力管桩；抗浮水头为3.9 m，地下室底板厚400 mm，地下室外墙厚300 mm。除卫生间及开敞空间外首层均设置结构板，地下室顶板按嵌固端考虑板厚为180 mm，其余区域按板跨度和荷载考虑板厚。地上部分主要结构形式采用钢框架，楼面采用钢筋桁架楼承板。由于长度超长，主体结构通过设置2条变形缝分为三个单元，中间单元长度约18.55 m，左右两侧单元长度基本一致，结构布置基本对称，下文的问题分析均以左侧单元为例。

结构采用YJK软件建立整体模型如图2所示，全楼地下部分混凝土构件强度等级为C35，地上部分钢筋桁架楼承板混凝土强度为C30，钢筋等级为HRB400；上部钢结构主体构件材料为Q355B，V字形斜柱采用ϕ1 200×50圆管截面，普通框架柱以ϕ800×30圆管截面为主，看台部分采用□600×600×20箱型截面框架柱和H400×300×20×20焊接H型钢斜撑，梁采用焊接H型钢，斜柱钢拉杆采用ϕ300×20圆管；首层楼板除地下室顶板为180 mm厚外均按跨度取值，二、三层通过合理控制次梁间距将钢筋桁架楼承板厚度控制在120 mm，屋面板采用轻型铝镁锰板。

3 关键问题分析

由于建筑结合龙舟文化造型的需要，项目结构设计的特色和难点在于V字形斜柱设计、大悬挑屋面和大悬挑看台设计。其中V字形斜柱柱脚和基础、斜柱的梁柱节点、大悬挑屋面传力途径的选择和拉结件的设计是整个结构设计的关键点，是保证结构安全可靠的前提。

3.1　 V字形斜柱柱脚和基础设计

V字形斜柱设置模型如图3所示，V字形斜柱由基顶一直延伸到屋面以上29.500 m标高位置，29.500 m标高以上为保证建筑效果采用装饰材料再往上延伸几米，两柱中心距由基顶的1.7 m逐渐加大到顶部的约21 m，两柱与地面夹角V字形平面内约为72°，平面外约为70°。

对于斜柱来说需重点考虑由于柱倾斜而引起的水平力和额外的弯矩，柱脚和基础的设计尤为关键，其中柱脚设计方案又影响基础方案。考虑以下两个方案：

方案一：柱脚直接斜插入基础，承台与斜柱柱脚垂直，桩基也采用斜桩。这样传力最直接，但同时会带来新的问题：设计上，考虑尽量减小对相邻柱底桩基的影响，需合理控制桩长，同时需考虑桩距较小对单桩承载力的影响；施工上，相比于竖直桩施工，斜桩在工前准备、吊桩就位、斜度控制、沉桩和接桩等各方面要求都更高，对沉桩质量及精度要求更高^［10］。若桩基采用竖直桩，则承台受力复杂不好处理，且V字形斜柱在承台内部交汇也会给设计和施工带来困难。

方案二：采用折柱方案，即柱脚在地面以上0.150 m标高过渡为竖直方向，桩基与承台按常规做法设计和施工。考虑到斜柱为关键构件，在柱转折位置采用以下措施进行加强：①内部设置50 mm厚横隔加劲钢板；②承台顶到0.150 m标高间钢管内灌注C40混凝土，柱脚详图如图4所示。

为验证加强措施的有效性，保证折柱位置安全可靠，采用有限元通用软件MIDAS FEA建立有限元模型，如图5所示。节点分析时在柱底设置刚性约束，并根据YJK整体计算结果选取最不利荷载组合施加荷载。通过计算可看出：折柱处于全截面受压状态，最大等效应力约为100 MPa，出现在转折阴角往上的纯钢管柱位置，竖直钢管混凝土部分钢管等效应力大部分处于50 MPa以下的低应力状态，均远低于材料强度，折柱方案安全可行。该方案可规避方案一的弊端，故采用方案二设计柱脚和基础。

图4做法为埋入式做法，适用于无地下室的情况，对于地下室部分的柱脚采用外包式，外包高度取地下室层高^［11］。根据《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—2015），圆管柱埋置深度不应小于柱外径的3倍，承台高度根据该原则确定。斜柱基础采用9桩承台+承台间拉梁等加强措施来平衡斜柱柱底水平力和弯矩，多桩承台自身能较好地平衡柱底弯矩，且承台效应能有效增加水平抗力^［12］。同时将各承台通过混凝土地梁可靠拉结，能有效地将柱底水平力传递给其他基础一起承担，地梁与钢柱连接大样如图6所示。

3.2　 V字形斜柱梁柱节点设计

斜柱的梁柱节点设计至关重要，只有保证连接节点的承载力，各构件的承载力、变形能力才能得到充分发挥，整体结构才能有良好的抗震能力，这既是抗震概念设计要求，也是多年历次地震灾害的经验教训和总结^［13］。考虑施工方便及传力可靠，节点设计了环形节点板，节点设计如图7所示。

斜柱梁柱节点作为关键部位，除采用YJK整体计算外，辅以有限元节点分析来验证，以二层西南角的斜柱节点为例，采用有限元通用软件MIDAS FEA 建立有限元模型，如图8所示。节点分析时在柱底设置刚性约束，并根据YJK整体计算结果选取最不利荷载组合在其他几个构件端部施加节点力和节点弯矩。通过计算可得出：节点最大拉应力值约为162 MPa，主要集中在梁翼缘处；最大压应力值约为274 MPa，主要集中在柱身处，且范围较小，大部分区域应力控制较好，远小于材料强度。分析表明关键节点的受力性能较好，承载力有较大富余，可靠度较高，符合强节点要求。

3.3　大跨度悬挑屋面传力路径选择和分析

屋面为轻钢屋面，设计活载取值0.5 kN/m²，雪荷载按100年重现期并考虑积雪分布系数增大后取0.7 kN/m²，基本风压按0.4 kN/m²取值并考虑风吸力作用，向下风载体形系数取1.0，向上风载体形系数取-2.0^［14］。屋面局部结构平面布置如图9所示，平面注明编号的梁截面尺寸、最大计算跨度及最大挠度信息详见表1。

三层由于建筑空间需要，7轴柱不能升至屋顶，3—8×C轴跨度约21.5 m的梁支承于3轴框架梁1上，再往外悬挑最大跨度约26.5 m。若采取常规方案，一是悬挑梁的挠度难以控制，满足计算要求的梁截面太大，无法满足建筑造型要求；二是梁1受荷太大，截面设计困难且可靠度低。经与建筑专业人员沟通，结合建筑造型需求，在V字形斜柱29.500 m标高与屋面之间设置拉结件（拉结件选型及设计见3.4节）作为屋面梁支座，从而减小悬挑跨度；同时在斜柱三层楼面位置与梁1之间设置两道斜撑，大幅减小了梁1的跨度，将大部分荷载直接传递至斜柱及三层楼面，传力途径为：梁3→梁2→梁1→斜柱或梁3→梁2→拉杆→斜柱。考虑荷载平衡，在斜柱顶与8轴柱之间加设一道拉杆以平衡悬挑端拉杆的水平荷载，同时在屋面8—9轴柱间加设一道水平斜梁对屋面结构进行加强，将大悬挑区域的荷载尽可能地分散传递给各框架柱和内跨屋面梁，增加了结构的冗余度，保证了结构的安全可靠。

B轴以南为看台上方屋盖部分，悬挑约15 m，传力途径为：梁D→梁C→梁B→梁A，考虑到悬挑跨度偏大，为有效控制挠度，在B轴各柱位置增加斜撑，如图10所示。

屋面局部结构杆件内力分布如图11所示，结合图9和图11可见：钢拉杆（内）承担了较大的拉力，尤其是南侧因存在大跨度悬挑屋盖，钢拉杆拉力达到了约2 300 kN，8—9×B—D轴区域屋面梁承担了560~950 kN不等的拉力，而西端悬挑部分的主梁（如梁A、梁2）承担了350~970 kN不等的轴压力。同时，除梁A外的其他大悬挑部分的屋面梁弯矩均得到了有效控制，梁A虽然在梁柱节点处仍存在较大负弯矩，但轴压力的存在有助于减少上翼缘应力，控制应力比，提高关键构件的可靠性。计算结果表明，实际传力途径与概念设计一致，采取的措施合理有效。

采取上述措施之后，YJK整体计算屋盖东西侧悬挑26.5 m梁最大挠度约为157.64 mm，B轴以南看台上方屋盖悬挑15 m梁最大挠度约为85.66 mm，均远小于《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）附录B要求的L/180的要求^［15］。屋面结构杆件应力水平除个别控制在0.85以内外，绝大部分控制在0.75以内。

3.4　大跨度悬挑屋面拉结件设计

拉结件设计是一个很关键的问题，直接影响结构的安全性和耐久性。若采用钢拉索，外观美观，比较有经济优势，抗拉能力也满足设计要求。但是在风荷载或地震作用下，屋面会发生上下震动，拉结件的受力可能会反向，由受拉变成受压，此时拉索会失效，进而导致悬挑区域结构失效。采用钢拉杆则能规避钢拉索的弊端，钢拉杆既能受拉也能受压，同时具有耐久性强、稳定性高的特点。钢拉杆与V字形斜柱连接节点如图12所示，两端通过切口焊接形式与梁、柱分别连接，可形成稳定可靠的超静定结构，能很好地实现设计意图。

3.5　大跨度悬挑屋面软件对比分析

为安全计，采用3D3S软件单独对屋盖结构进行建模计算复核，计算结果如图13、图14所示，屋面结构杆件应力控制在0.75以内，最大挠度出现在东西侧悬挑端约137.7 mm，B轴以南看台上方屋盖悬挑端最大挠度约为88.7 mm，计算结果与YJK整体模型计算结果接近，屋盖设计安全合理。

3.6　大悬挑看台设计

为保证建筑效果，看台在A轴南侧部分无法设置结构柱，需设计成悬挑形式，悬挑跨度为6~8 m。由于看台为阶梯型，混凝土回填量较大，且属于人员密集区域，整体荷载较大，若按常规方案设计将导致悬挑梁截面大、支承悬挑梁的框架梁面外扭矩大进而造成截面设计困难等问题，结构既显笨重又不经济，且纯悬挑结构冗余度低，若一处破坏可能会造成整个看台悬挑部分的垮塌。因此，结合整体造型考虑在看台悬挑部分的各框架柱处设置钢斜撑，斜撑采用焊接H形截面，截面尺寸为H400×300×20×20。同时为了减轻自重，将每级台阶采用轻质回填材料回填，侧边设计竖向钢筋混凝土挡边，看台详图如图15所示。

经计算，构件应力比和挠度都控制在合理范围之内，同时提高了看台的可靠度和舒适度。A轴—B轴间阶梯看台为斜梁斜板，此时应注意计算模型是否按实际建模，复核板属性是否为弹性板，若按刚性板考虑，则无法准确反映楼板面内变形的影响，导致对梁的内力和位移考虑不足，计算结果失真。就YJK软件而言，斜板应定义为弹性膜或弹性板6，不能定义为弹性板3，本工程模型按实际倾斜角度建模，程序自动考虑为弹性膜，满足计算要求。

4 其他加强措施

本工程采用了非常规的V字形斜柱+钢拉杆作为关键的竖向构件和支座，为保证整体抗震性能，除了抓住关键问题进行分析外，在满足结构整体计算的同时，主要采取以下措施进行加强：

（1） 控制V字形斜柱轴压比在0.4以内，钢拉杆应力比在0.5以内，保证强柱弱梁的实现。

（2） 楼屋面控制各杆件应力比、控制次梁间距和楼板厚度以及双层双向配筋，保证楼盖刚度能有效传递水平荷载。

（3） 与斜柱相邻的框架梁柱的应力比均控制在0.5以内，有较大富余能承担因柱倾斜传递的水平力。

5 结 论

（1） 斜柱能满足公共建筑造型要求，对相关的关键节点进行有限元分析，控制关键部位的应力水平，对其柱脚、基础和相关楼面采取加强措施，可保证其可靠性。

（2） 圆形柱梁柱节点通过设置环形节点板能避免应力集中和突变，有效降低应力水平，且便于施工。

（3） 悬挑构件结构冗余度低，对于人员密集的公共场所应充分结合建筑功能和效果，通过设置支撑等方式提高结构可靠度和舒适度。

（4） 对于斜板结构应尽可能准确建模计算，板属性定义为弹性板，避免计算结果失真。

（5） 通过合理布置屋面结构构件，设置钢拉杆优化传力途径，可有效控制结构应力和变形，保证结构安全。

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