[摘要] 南通国际会展中心主体采用钢框架结构体系，大跨空间屋顶采用钢桁架结构，最大跨度54 m;顶部造型屋面为自由曲面，最大高度30 m，采用交叉管桁架结构。嵌固层位于地下室顶板。
研究背景
南通国际会展中心位于南通市崇川区紫琅湖东北岸，建筑总面积约8万m2。建筑平面沿长向分别布置多功能厅和宴会、会议厅两个大功能分区，中间设入口并与大厅连接。
建筑平面总长280 m，宽度84 m，功能区结构屋面最大高度23 m。地下1层兼具车库及人防功能，采用混凝土结构;地上1～3层层高不等，由下至上分别为9，6，4.5 m，兼具会议及展示功能，主体采用钢框架结构体系，大跨空间屋顶采用钢桁架结构，最大跨度54 m;顶部造型屋面为自由曲面，最大高度30 m，采用交叉管桁架结构。嵌固层位于地下室顶板。
建筑设计使用年限50 a，安全等级一级，抗震设防分类为重点设防类(乙类)。抗震设防烈度为7度(0.1g)，场地类别为Ⅲ类，地震分组为第二组，特征周期为0.55 s。
由于结构超长，且因功能区分存在明显的两个结构单元，仅通过入口大厅屋顶及局部的屋盖连接，结构设计存在连体薄弱、扭转效应明显、外围支承柱断面控制严格等诸多问题和设计难点。为解决上述问题和难点，从概念设计、计算分析、构造措施等多个方面展开分析研究。
研究内容
1 连体薄弱问题
左右两个功能区在入口大厅顶部通过屋面结构连接，但由于屋顶设置多个采光天井、两侧因设置扶梯开洞，使连接部分整体性较弱;造型屋盖仅在一侧连接，且连接宽度不到总宽度的1/3。
因此，在概念设计上，一方面对两侧单体结构的承载力进行单体和连体包络设计，确保两侧单体结构在连体失效的情况下有独立承载和抗震能力。另一方面，通过对连体区域构件的强度及延性构造进行加强，连体构件按设防烈度地震弹性验算，抗震等级比相邻非连体构件提高一级，使连体位置的连接刚度及强度得到提高，降低过早破坏的风险。
2 扭转效应控制
采用设置钢支撑的方式提高抗扭刚度，但由于功能的特殊性，可以布置支撑的位置有限。
如采用常规钢支撑，由于存在受压稳定性问题，会出现支撑越大，地震作用越大的情况，不但收敛困难，还会造成地震作用过多向支撑框架传递。而因为支撑数量少和大开洞的因素使得力流的传递距离过大，可靠度降低。
采用屈曲约束支撑(BRB)，由于支撑没有受压失稳的问题，支撑的刚度和承载力可收敛在很低的水平。一方面支撑的刚度提高了结构的抗扭性能，由表1可以看出，设置BRB之前模型的第一振型以扭转为主，设置BRB之后扭转为第三振型，扭转周期比为0.86，扭转效应得到明显控制;另一方面支撑承担的地震作用可控制在较低的水平，不会造成地震作用的过分集中。以首层沿BRB方向的地震剪力分布为例，BRB支撑仅承担了10.02%的剪力，框架承担了近90%的楼层剪力，表明结构体系仍以框架为主。
最终采用了24根BRB支撑，支撑长度为5.5～9.3 m，初始刚度为156～232 kN/mm，支撑屈服承载力为1800～3000 kN，芯材材质为Q235B(图9)。支撑设计为承载型，抗震性能目标为设防烈度地震后屈服，可避免过早屈服降低结构的抗扭刚度，同时在罕遇地震下可发挥耗能能力。
3 外围支承柱设计
建筑方案要求在南、北两侧设屋盖支承柱以支承造型屋盖结构，柱由地面直接升至屋面，中间不与楼层连接，钢柱无支撑高度范围为23.1～28.9 m。
由于支承柱位于建筑室外，且为建筑立面的重要表现元素，柱断面不宜过大，控制较为严格。如按照常规框架柱设计，抗震构造要求三级框架柱长细比不应大于南通国际会议中心钢结构设计_12其中，fay为钢材屈服强度)，按Q345材质，长细比不应大于82.5，支承柱按圆钢管柱考虑，即使计算长度按1.0计算，钢管直径也需要在1 m以上。建筑师认为这个尺度严重影响了建筑立面效果。
因此要减小柱断面尺寸，则应避免支承柱成为框架柱。将该柱设计为不参与水平抗侧体系的摇摆柱，柱顶及柱底释放抗弯约束，仅提供竖向支承而不参与整体抗侧，此时，支承柱不属于框架柱，长细比的限值无需满足框架柱要求，可参照空间网格结构中的重要构件进行长细比控制，长细比限值按照120控制。最终支承柱采用直径720 mm圆钢管，壁厚20 mm，断面尺寸减小约30%，实现了超细柱的外观，大幅度改善了建筑立面效果。
但外围支承柱不提供抗侧刚度会影响屋盖结构在地震作用下的水平力传递，可通过设置面内支撑将水平力传递至内部抗侧构件。
4 关键节点构造
4.1 外围支承柱柱顶节点
本工程中，外围支承柱柱顶节点相对复杂，一方面需要释放柱顶弯矩避免支承柱参与抗侧，另一方面，由于屋盖悬挑端部收尖效果，端部结构高度过小，柱内侧桁架无法直接延伸到端部，需要在柱顶进行桁架转实腹变截面悬挑梁。
柱顶弯矩释放采用抗震球铰支座实现，对抗震球铰支座的抗拉、压承载力及转角进行设计，确保支座的承载力及转动能力满足设计需求。桁架转实腹悬挑梁需解决悬挑弯矩的平衡问题，内侧设置足够高度和长度的插板使桁架上、下弦杆保持设计基准线以便插入，避免桁架过早收于一点，降低抗弯刚度及承载力而无法平衡外侧的悬挑内力。
4.2 工字型转箱型节点
会议及宴会厅屋顶采用平面钢桁架结构，桁架的弦杆考虑连接构造的便利性主要采用工字型断面。但由于工字型截面存在明显的强、弱轴，两正交方向的稳定性差异较大，当承受较大压力时，则采用稳定性更好的箱型截面。因此，在桁架受力反弯位置需要设计工字型转箱型的转换节点。
传统的转换节点重点在于解决转换位置的传递刚度及强度，比如设置封板及加劲板，或者将箱型侧面双腹板向中间弯曲与工字型腹板对接。设置加劲板的方式可一定程度上解决工字型截面与箱型截面腹板不对应的传力问题，但要实现等强连接，需要进行详细的分析。此两种方式都存在加工及现场施工相对复杂的问题，同时连接节点的承载力相对较低。
为解决上述问题，在设计对接位置时，沿工字型截面方向增设两道与箱型对应的侧腹板，该腹板的连接可在工厂制作完成，腹板的长度根据连接焊缝的强度确定。该范围为连接过渡段，通过新增腹板与工字型构件的连接传递剪力，使工字型断面构件中间腹板的内力在过渡段区域逐渐传递至新增侧腹板，对接位置只连接上箱型断面的周圈焊缝，中间腹板无需连接。该连接形式简便易操作，同时其连接节点承载力高，可实现与箱型截面等强。
5 高强耐蚀耐火钢示范应用
目前国内高强度钢材的应用越来越多，但现有的高强钢材延伸率低，抗震性能下降;大部分钢材防腐、防火仍通过涂装解决，现场涂装工序复杂耗时，且存在耐久性远低于建筑耐久时间问题，需要多次重新涂装;对于防火极限达到3 h的钢材，需采用厚型涂装，一定程度上影响了建筑效果。
国家重点研发计划——建筑结构用抗震耐蚀耐火钢针对我国高层建筑用抗震耐蚀耐火建筑结构钢的迫切需求，重点解决多场耦合服役环境条件下高性能抗震耐蚀耐火建筑结构钢的耐蚀耐火作用机理及材料设计等重大科学问题。通过调整冶炼时添加的合金材料和比重以及工艺，在提高强度的同时，尽可能保证延伸率和足够的抗震性能，并提高钢材的耐候性能及防火性能，从而实现取消防腐涂装及防火涂料，或降低防火涂装厚度。
综合工程推进速度及产品特点等因素，幕墙横梁及屋顶机房围护结构采用课题组研发的460级高强耐候耐火钢，厚度规格分别为10 mm和14 mm，同时采用匹配研发的焊丝进行焊接。一方面高强性能可减小构件截面，另一方面其良好的耐火性能也降低了防火涂装耐火极限要求，涂装可由厚型改为超薄型，使幕墙更加通透美观。同时良好的耐腐蚀性能避免了防腐涂装，节省了工程造价，取得了很好的示范效果。
结 论
南通国际会议中心项目结合建筑功能及造型，采用钢框架结构+钢桁架屋顶+空间网格结构屋盖的组合体系，涵盖了多层、大跨及自由曲面空间结构的特征，设计相对复杂。设计过程中对结构超长、连体薄弱、扭转效应明显、外围支承柱断面控制严格等诸多问题和设计难点展开分析研究，得出以下结论：
1)结合建筑功能布局设置4组(每组沿立面共布置6根)BRB支撑，从结构扭转周期比及位移比结果判断，实现了对整体结构及单体结构的抗扭控制。同时，BRB支撑只承担了控制方向10%左右的楼层剪力，绝大部分地震剪力仍由框架承担，没有改变结构的抗侧体系。
2)对结构连体薄弱的问题，首先对连体位置的构件承载力及延性构造进行加强，同时对构件的承载力采取单体与整体结构包络设计，实现弱连体结构的二道防线的构建。
3)通过抗震概念设计，对外围支承柱的约束条件进行改变，使支承柱由抗震框架柱转变为非抗震的摇摆柱，从而降低了支承柱的构造要求，实现了超细柱的设计。
4)对重要节点，通过概念设计、传力分析，并结合加工制作特点，优化节点构造，保证节点传力可靠的同时降低施工难度。
项目于2019年10月初完成竣工验收并投入使用，于10月18日作为主会场顺利举办了2019中国森林旅游节，各主流媒体争相报道，社会反响良好，并带动了江苏的旅游经济，经济效益明显。
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