徐匯濱江復雜空間結構方案設計綜述

周成功

1 工程概況

本工程系徐匯濱江綜合環境建設工程中的楓林地塊項目,其與浦東世博園隔黃浦江相望,是上海市“黃浦江兩岸綜合開發計劃”的重點工程之一。如圖1所示的建筑方案表達了盤古開天辟地的設計理念,下部高低起伏的混凝土種植屋面即為“地”;上部雙向鋼桁架景觀屋面體系即為“天”,鋼桁架上弦為平面,下弦隨種植屋面不規則起伏,在天地之間形成10 m左右的活動空間即為“人間”。本方案若能實施,其建成后將成為黃浦江畔的又一個地標性建筑。

“天地”方案是在楓林地塊原設計施工圖審圖已結束,樁基礎施工大部分已完成的情況下提出的,其與原設計施工圖地上部分建筑方案完全不同。因此,“天地”方案在存在諸多限制的情況下,給結構設計造成了很大的困難。

2 結構體系

“天地”方案從豎向分為下部混凝土部分和上部鋼結構部分(見圖2)。混凝土部分分為三個獨立的結構單元。左單元即③軸～⑤軸為一層地下室,上部為屋面起伏的二層混凝土結構;中間單元即⑤軸～⑧軸為保留建筑,無地下室;右單元即⑧軸～○14軸為二層地下室,上部為屋面起伏的二層混凝土結構。混凝土部分結構層高分別為:3.7 m(-2層);4.8 m(-1層);4.5 m(1層);-0.7 m～14.7 m(2層,屋面為景觀種植屋面,高差大于10 m)。上部鋼結構部分由19根鋼管柱(左單元4根,右單元15根)支撐,鋼結構內部包含一個面向黃浦江的咖啡廳和沿鋼結構周邊的觀景環廊,?軸,?軸,⑨軸,⑩軸線網格為鋼結構豎向通道。本工程基礎采用樁筏基礎已施工,工程樁為φ600灌注樁,樁長32 m,持力層⑤3-1層。

3 結構設計中的難點及處理

本工程結構為空間體系,平面起伏大,結構設計難點主要為:1)為避開保留構筑物,支撐上部鋼桁架的19個柱子支撐在體量及剛度均差異較大的兩個獨立結構單體上(連體性)。2)支撐桁架的鋼管柱上下端均不在一個平面內,且高差起伏非常大,柱長短不一,分布不規則。樓電梯井筒采用鋼框架,其位置偏心較大(柱支撐體系復雜)。3)桁架尺寸為滿足建筑造型,受力狀態不合理。端部高,中間低。桁架最大高度10 m,最小高度不足 2 m(且在結構不利位置)。樓電梯井筒伸入桁架內,咖啡廳、環廊在桁架內形成一個夾層,與桁架連接,桁架桿件布置及受力非常復雜(鋼結構體系復雜)。4)景觀場地與桁架下弦面之間形成狹窄的風道,風荷載作用下受力復雜。5)樁基礎已施工,部分樁基不滿足新方案設計要求。

針對以上難點,結構設計采取對策為:

1)為解決水平力(地震及風荷載)、溫度應力對下面的兩個獨立結構產生不利影響。右側三列柱(共15根)與屋頂觀光廳桁架采用剛接,左側單列柱(共4根)采用定向滑動支座允許與右側主體有限量位移,釋放水平應力,避免或減輕兩個獨立結構的相互影響。2)為解決柱支撐體系復雜,設計將立柱做強;將下部混凝土結構部分盡量做剛。立柱采用鋼管混凝土柱通過混凝土灌芯增大剛度,同時鋼管柱貫穿兩層混凝土結構錨入地下室頂板。混凝土框架柱、梁斷面加大,與鋼管柱相連處布置剪力墻加強混凝土結構的抗側力剛度。另外二層混凝土結構屋面(為種植屋面),屋面板結構屬性為斜板且坡度較大,采用空間計算考慮其斜撐的有利作用。鋼管柱為支撐上部鋼結構的關鍵構件,其計算長度及穩定性能通過屈曲分析來確定。3)鋼管柱貫穿鋼桁架,合理布置桁架桿件,增大桁架剛度以滿足使用要求。鋼結構平臺中有上人的咖啡廳,此部分無法做通長斜腹桿,采用空腹桁架。咖啡廳、環廊與鋼桁架的相互幾何及搭接關系通過三維放樣來確定。上部鋼結構幾何與質量分布嚴重不規則,通過精細調整桿件截面與幾何布置使其剛心與質心重合,保證結構第一階振動模態為平動。4)通過風洞試驗確定鋼桁架各迎風面的風荷載體型系數,分別按最不利工況分析計算。5)基礎設計依據原建筑施工圖條件設計。原建筑總高10 m為二層鋼結構,現建筑總高24 m,含二層混凝土結構,豎向荷載增加很多,鋼管柱尤為顯著。考慮到基坑已開挖,大型機械無法施工,樁基礎采用錨桿靜壓樁加固。加固設計對原工程樁進行全面排查,驗算其各種工況組合下的抗浮及承壓情況。

4 主要結構計算參數取值

地震作用:抗震設防烈度為7度,設計地震分組為第一組,設計地震加速度為0.10g,場地特征周期為0.9 s,場地類別為Ⅳ類,多遇地震影響系數最大值采用0.08,罕遇地震影響系數最大值采用0.45,結構阻尼系數采用0.035,周期折減系數為 0.80。考慮上海地區溫差變化,計算溫差取±30°對結構進行溫度計算。風荷載,按規范取基本風壓0.55 k N/m2,體型系數暫按模擬風洞試驗估值計算,地面粗糙度按B類。

5 結構有限元分析及結果

采用SAP2000結構軟件建立主結構有限元分析模型如圖3所示:以“線單元”模擬結構中的梁、柱及支撐,以“殼單元”模擬樓板。

5.1 結構模態分析

結構模態分析結果如下未出現主體鋼結構的局部振動模態,可見整個結構的質量和剛度分布較均勻,沒有出現明顯的薄弱部位。

結構第一振型為X方向的平動,第二振型為Y方向的平動,第三振型為扭轉振型。分析結果顯示,前24階模態未出現主體鋼結構的局部振動模態,可見整個結構的質量和剛度分布較均勻,沒有出現明顯的薄弱部位。

5.2 位移計算結果

取貫通柱柱頂輸出反應譜SPECX,SPECY;四個風荷載作用下X,Y向位移,如表1所示。

表1 節點位移 mm

5.3 靜力彈塑性Pushover分析

對Pushover分析模型重點考察支撐上部桁架結構的柱子,對其指定PMM塑性鉸,對于其相連的框架梁指定M鉸。根據推覆結果,結構的性能點對應的最大彈塑性位移為46 mm,最大彈塑性位移角為1/65,滿足規范規定的最大彈塑性限值1/50。在側向加載模式(振型加載)下的最大基底剪力為3 895 kN。結構采用均勻加速度加載模式下最先出現塑性鉸的位置在二層中間框架梁處,在模態加載模式下最先出現塑性鉸的位置在二層邊梁處,說明符合“強柱弱梁”的設計要求。

因此,結構能夠滿足罕遇地震下的彈塑性要求。

6 結語

通過有限元分析顯示,本工程結構方案設計采取的一系列措施是有效的、可行的。近年來,隨著現代城市的飛速發展和人們物質、文化要求的不斷提高,越來越多的復雜建筑物不斷出現,本工程的結構方案設計對此類工程有借鑒的意義。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震設計規范[S].

[2] GB 50017-2003,鋼結構規范[S].

[3] 王秀麗.大跨度空間鋼結構分析與概念設計[M].北京:機械工業出版社,2008.

[4] 介仰清.輕鋼結構設計中關鍵問題的幾點體會[J].山西建筑,2008,34(28):100-102.