徐汇滨江复杂空间结构方案设计综述

周成功

1 工程概况

本工程系徐汇滨江综合环境建设工程中的枫林地块项目,其与浦东世博园隔黄浦江相望,是上海市“黄浦江两岸综合开发计划”的重点工程之一。如图1所示的建筑方案表达了盘古开天辟地的设计理念,下部高低起伏的混凝土种植屋面即为“地”;上部双向钢桁架景观屋面体系即为“天”,钢桁架上弦为平面,下弦随种植屋面不规则起伏,在天地之间形成10 m左右的活动空间即为“人间”。本方案若能实施,其建成后将成为黄浦江畔的又一个地标性建筑。

“天地”方案是在枫林地块原设计施工图审图已结束,桩基础施工大部分已完成的情况下提出的,其与原设计施工图地上部分建筑方案完全不同。因此,“天地”方案在存在诸多限制的情况下,给结构设计造成了很大的困难。

2 结构体系

“天地”方案从竖向分为下部混凝土部分和上部钢结构部分(见图2)。混凝土部分分为三个独立的结构单元。左单元即③轴～⑤轴为一层地下室,上部为屋面起伏的二层混凝土结构;中间单元即⑤轴～⑧轴为保留建筑,无地下室;右单元即⑧轴～○14轴为二层地下室,上部为屋面起伏的二层混凝土结构。混凝土部分结构层高分别为:3.7 m(-2层);4.8 m(-1层);4.5 m(1层);-0.7 m～14.7 m(2层,屋面为景观种植屋面,高差大于10 m)。上部钢结构部分由19根钢管柱(左单元4根,右单元15根)支撑,钢结构内部包含一个面向黄浦江的咖啡厅和沿钢结构周边的观景环廊,Ⓒ轴,Ⓓ轴,⑨轴,⑩轴线网格为钢结构竖向通道。本工程基础采用桩筏基础已施工,工程桩为φ600灌注桩,桩长32 m,持力层⑤3-1层。

3 结构设计中的难点及处理

本工程结构为空间体系,平面起伏大,结构设计难点主要为:1)为避开保留构筑物,支撑上部钢桁架的19个柱子支撑在体量及刚度均差异较大的两个独立结构单体上(连体性)。2)支撑桁架的钢管柱上下端均不在一个平面内,且高差起伏非常大,柱长短不一,分布不规则。楼电梯井筒采用钢框架,其位置偏心较大(柱支撑体系复杂)。3)桁架尺寸为满足建筑造型,受力状态不合理。端部高,中间低。桁架最大高度10 m,最小高度不足 2 m(且在结构不利位置)。楼电梯井筒伸入桁架内,咖啡厅、环廊在桁架内形成一个夹层,与桁架连接,桁架杆件布置及受力非常复杂(钢结构体系复杂)。4)景观场地与桁架下弦面之间形成狭窄的风道,风荷载作用下受力复杂。5)桩基础已施工,部分桩基不满足新方案设计要求。

针对以上难点,结构设计采取对策为:

1)为解决水平力(地震及风荷载)、温度应力对下面的两个独立结构产生不利影响。右侧三列柱(共15根)与屋顶观光厅桁架采用刚接,左侧单列柱(共4根)采用定向滑动支座允许与右侧主体有限量位移,释放水平应力,避免或减轻两个独立结构的相互影响。2)为解决柱支撑体系复杂,设计将立柱做强;将下部混凝土结构部分尽量做刚。立柱采用钢管混凝土柱通过混凝土灌芯增大刚度,同时钢管柱贯穿两层混凝土结构锚入地下室顶板。混凝土框架柱、梁断面加大,与钢管柱相连处布置剪力墙加强混凝土结构的抗侧力刚度。另外二层混凝土结构屋面(为种植屋面),屋面板结构属性为斜板且坡度较大,采用空间计算考虑其斜撑的有利作用。钢管柱为支撑上部钢结构的关键构件,其计算长度及稳定性能通过屈曲分析来确定。3)钢管柱贯穿钢桁架,合理布置桁架杆件,增大桁架刚度以满足使用要求。钢结构平台中有上人的咖啡厅,此部分无法做通长斜腹杆,采用空腹桁架。咖啡厅、环廊与钢桁架的相互几何及搭接关系通过三维放样来确定。上部钢结构几何与质量分布严重不规则,通过精细调整杆件截面与几何布置使其刚心与质心重合,保证结构第一阶振动模态为平动。4)通过风洞试验确定钢桁架各迎风面的风荷载体型系数,分别按最不利工况分析计算。5)基础设计依据原建筑施工图条件设计。原建筑总高10 m为二层钢结构,现建筑总高24 m,含二层混凝土结构,竖向荷载增加很多,钢管柱尤为显著。考虑到基坑已开挖,大型机械无法施工,桩基础采用锚杆静压桩加固。加固设计对原工程桩进行全面排查,验算其各种工况组合下的抗浮及承压情况。

4 主要结构计算参数取值

地震作用:抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,设计地震加速度为0.10g,场地特征周期为0.9 s,场地类别为Ⅳ类,多遇地震影响系数最大值采用0.08,罕遇地震影响系数最大值采用0.45,结构阻尼系数采用0.035,周期折减系数为 0.80。考虑上海地区温差变化,计算温差取±30°对结构进行温度计算。风荷载,按规范取基本风压0.55 k N/m2,体型系数暂按模拟风洞试验估值计算,地面粗糙度按B类。

5 结构有限元分析及结果

采用SAP2000结构软件建立主结构有限元分析模型如图3所示:以“线单元”模拟结构中的梁、柱及支撑,以“壳单元”模拟楼板。

5.1 结构模态分析

结构模态分析结果如下未出现主体钢结构的局部振动模态,可见整个结构的质量和刚度分布较均匀,没有出现明显的薄弱部位。

结构第一振型为X方向的平动,第二振型为Y方向的平动,第三振型为扭转振型。分析结果显示,前24阶模态未出现主体钢结构的局部振动模态,可见整个结构的质量和刚度分布较均匀,没有出现明显的薄弱部位。

5.2 位移计算结果

取贯通柱柱顶输出反应谱SPECX,SPECY;四个风荷载作用下X,Y向位移,如表1所示。

表1 节点位移 mm

5.3 静力弹塑性Pushover分析

对Pushover分析模型重点考察支撑上部桁架结构的柱子,对其指定PMM塑性铰,对于其相连的框架梁指定M铰。根据推覆结果,结构的性能点对应的最大弹塑性位移为46 mm,最大弹塑性位移角为1/65,满足规范规定的最大弹塑性限值1/50。在侧向加载模式(振型加载)下的最大基底剪力为3 895 kN。结构采用均匀加速度加载模式下最先出现塑性铰的位置在二层中间框架梁处,在模态加载模式下最先出现塑性铰的位置在二层边梁处,说明符合“强柱弱梁”的设计要求。

因此,结构能够满足罕遇地震下的弹塑性要求。

6 结语

通过有限元分析显示,本工程结构方案设计采取的一系列措施是有效的、可行的。近年来,随着现代城市的飞速发展和人们物质、文化要求的不断提高,越来越多的复杂建筑物不断出现,本工程的结构方案设计对此类工程有借鉴的意义。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[2] GB 50017-2003,钢结构规范[S].

[3] 王秀丽.大跨度空间钢结构分析与概念设计[M].北京:机械工业出版社,2008.

[4] 介仰清.轻钢结构设计中关键问题的几点体会[J].山西建筑,2008,34(28):100-102.