某横跨地铁复杂综合体的结构分析与设计

梁子彪，张树林，杨龙和

（深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司 广州510640）

1 工程概况

某项目位于广州市越秀区越秀公园西门对面，南邻中国大酒店。地块总用地面积为2.34万m2，本项目为地上16 层，地下3 层的集展览、会议、办公、商业等多种功能为一体的综合楼，结构高度64.9 m，总建筑面积约为13.6 万m2。其各层主要功能如下：地下4 层为已建运行中地铁2号线，地下3层为机械车库、设备用房；地下2 层为汽车库、设备用房；地下1 层为配套商业、会展厨房、卸货区等；首层～6 层为报告厅、宴会厅、会展中心等；7 层～16 层为2 栋办公塔楼［1］，整体建筑效果及功能示意如图1、图2所示。

本项目抗震设防烈度为7度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g，特征周期0.35 s，抗震设防分类裙楼为乙类，裙楼以上为丙类。基本风压值为0.50 kN/m2。

2 结构体系与结构布置

塔楼（南、北塔）共16层，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系；裙楼6 层，采用钢-混凝土组合框架-剪力墙结构体系；结构的主要抗侧力构件为剪力墙、框架。裙房跨越地铁的大空间区域为钢结构桁架体系，采用14 根矩形钢管混凝土柱支承钢桁架，钢管混凝土柱尺寸为□1 800×1 400×40、□1 400×1 400×40，内灌C40混凝土。裙房典型层结构平面如图3所示。

图1 建筑效果图Fig.1 Architectural Rendering

图2 典型剖面示意图Fig.2 Diagram of a Classic Section

图3 典型层结构平面布置Fig.3 Structural Floor Plan of a Classic Storey

3 超限情况及抗震性能目标

本项目为大底盘多塔结构，具有4 项一般不规则（扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变、竖向构件不连续）、1项特别不规则（复杂连接）判别为结构抗震超限。

针对结构不规则情况，采用结构抗震性能设计方法进行分析和论证。设计根据结构可能出现的薄弱部位及需要加强的关键部位，依据《高层混凝土结构技术规程（广东省标准）：DBJ 15-92—2013》第3.11.1 条的规定，结构总体按C级性能目标要求［2］，如表1所示。

表1 构件性能水准Tab.1 Seismic Performance Level of Components

本项目按照单塔和整体模型分别计算取包络进行设计，提高底部加强区及裙楼上两层范围剪力墙及框架柱配筋率，剪力墙竖向配筋率提高至0.5%、底部加强区剪力墙设置约束边缘构件，框架柱在计算结果的基础上再进行加大配筋，且配筋率不小于1.6%。裙楼屋面上、下各2 层的塔楼周边竖向构件抗震等级设为特一级。

4 特殊结构设计

4.1 立体桁架设计

根据建筑功能需要，裙房区域宴会厅需要3、4 层通高，平面尺寸为48 m×54 m，活荷载5 kN/m2。宴会厅正下方是1、2 层通高的展厅，为了满足下部展厅净高，3 层楼面结构、设备总高度需控制在2.3 m 内。本项目采用双榀立体钢桁架，与平面桁架相比，空间立体桁架增大了整体结构的抗弯刚度和平面外的稳定性［3］。利用桁架上下弦杆间的空间走设备管线。桁架布置模型如图4⒜所示。

立体桁架上弦、下弦的梁高为400 mm，截面H400×500×30×30，上下弦桁架的弦杆中心间距为1.78 m，如图4⒝所示。

图4 双榀立体桁架模型及剖面Fig.4 Model and Section of Double Space Truss

经对比分析，采用立体桁架具有以下优势：

⑴立体桁架与框架柱连接节点处应力更为均匀。

⑵立体桁架超静定次数比单榀高，抗连续倒塌能力强。

⑶单榀桁架重量降低一半，施工难度降低。

⑷构件钢板厚度降低一半，焊接应力降低，可靠性提高。

⑸楼层组合次梁跨度减小15%，立体桁架上弦与楼板的组合能力大幅提高，提高了结构安全度。

4.2 楼盖舒适度分析

对于大跨度屋盖的竖向舒适度问题国内外已经进行了一定研究，主要是通过结构自振频率、均方根加速度以及楼盖峰值加速度等指标进行舒适度评价［4］。本项目大跨度楼盖48 m×54 m，桁架上下弦外皮尺寸2.18 m，跨高比22，楼盖刚度小，需进行舒适度分析以验算是否满足正常使用要求。采用有限元程序Midas/GEN 对该结构进行减振前后的动力特性分析（见图5）。单人步行激励曲线取IABSE（International Association for Bridge and Structural Engineering）的曲线（见图6），公式如下［5-6］：

式中：Fp为行人激励；t为时间；G为体重；fs为步行频率；α i为第i阶简谐波动载因子，本文只取前三阶计算α1=0.4+0.25（fs-2），α2=α3=0.1；φ1=0，φ2=φ3=π/2。人的重量参考ISO 标准建议取作70 kg/人，步频取为2.08 Hz、2.17 Hz（见表2）。［7］

对于所定义的人行荷载工况，结构最大响应加速度为0.198 3 m/s2；结构加速度超出规范要求的加速度限值0.15 m/s2，需对该结构进行减振设计。

图5 结构振型Fig.5 Modes of the Vibration

图6 IABSE行人荷载样条曲线Fig.6 A Spline of Pedestrian Excitation from IABSE

表2 步行分析工况定义Tab.2 Definition of Walking Loading Layout

针对本结构进行TMD减振设计与分析，通过结构动力特性分析结果以及反复试算，制定了TMD布置方案及其参数（见图7），结果表明通过在各榀桁架设置调频质量阻尼器，可以有效抑制楼盖在人行荷载激励下的振动［8］。加速度峰值在不同激振荷载下减振率分别为52.98%、55.79%、28.82%；减振后，加速度峰值最大为0.093 2 m/s2，小于0.15 m/s2，满足结构舒适度要求。

图7 每榀桁架TMD布置大样Fig.7 Layout Plan of TMD on Single Truss

4.3 跨层桁架设计

裙房核心区1平面尺寸为48 m×54 m，在第5、6层范围内结合建筑分隔墙的位置设置2道跨层钢桁架，桁架间距18 m，跨度48 m，如图8、图9所示。该范围内2层楼面、1层种植屋面的荷载全部由这两榀桁架承担，桁架上下弦截面采用箱型截面，截面尺寸为□900×800×35×35。桁架之间采用18 m 跨度的组合梁，钢梁高度700 mm。既可以满足建筑大空间的需求，又有足够的安全度。

图8 3层楼面桁架平面布置Fig.8 3-story Floor Truss Layout Plan

图9 跨层桁架剖面示意图Fig.9 Section Diagram of Span Truss

4.4 转换桁架设计

裙房核心区2 平面尺寸为20 m×48 m，首层为展厅主入口，下部地铁区域原有基础、结构不足以承担上部的新增荷载，故采用设置在第2、3 层的钢桁架转换。3-3剖面处桁架端部采用交叉撑增加结构的赘余度，确保结构的安全，如图10⒜所示。

如图10⒝所示，2-2 剖面处同样在第2、3 层处设置跨层钢桁架，将结构恒荷载传到地铁范围外的基础上。为了减少对建筑使用的影响，桁架端部未设置交叉斜撑，而是利用首层入口门柱、隔墙的位置设置落地钢结构柱，在施工阶段钢柱与桁架不连接，待上部各层施工完成之后再将桁架与钢柱连接，后连接节点如图11所示。通过施工过程模拟，建立合理的分析模型，反映施工过程结构状态，刚度变化［9］。结合施工阶段进行分析设计，既可将占比重较大的恒荷载向外传递至地铁区域外新建基础上，原有基础只承担附加的部分活荷载而不需要加固，又不损失结构刚度，结构的可靠性大幅提高，提高了结构抗震能力，同时保证了楼盖舒适度需求。

图10 转换桁架剖面示意图Fig.10 Section Diagram of Transfer Truss

4.5 关键节点分析

图11 后连接钢柱大样Fig.11 Detail of Post-connected Steel Column

支承跨层钢桁架的结构柱采用矩形钢管混凝土柱，柱截面为□1 800×1 400×40，内灌C40 混凝土。钢桁架端部节点承担了巨大的荷载，受力复杂，是桁架的关键部位，采用通用有限元软件ABAQUS 进行节点有限元分析，如图12所示。

混凝土按照文献［10］附录C 提供的受拉、受压应力-应变关系作为混凝土本构骨架曲线，钢材采用等向强化二折线模型及von Mises屈服准则，强化段的强化系数取0.01。分析表明节点区应力均匀，能够有效将荷载传递到型钢混凝土柱上，如图12所示。

图12 桁架节点有限元分析Fig.12 Finite Element Analysis of a Joint of the Truss

5 结语

⑴本项目是在建筑功能、净高及场地因素等非常严苛的条件下进行的结构设计，结合施工在施工阶段跨中支点不设置竖向约束，使用阶段进行连接的设计手段，既不用加固地铁区域原有的桩基础，又不损失结构刚度及抗震性能，提高结构安全性。

⑵充分结合建筑及设备专业，利用隔墙位置设置跨层钢桁架，在不影响建筑效果的情况下有效地实现了48 m 跨度的跨越，将总共4 层的楼盖重量成功地传递到地铁之外的结构柱上，既实现了大空间又保证了结构合理性。

⑶3 层大空间区域采用2.18 m 高的立体双榀钢桁架跨越48 m 的地铁区域，设备管线从桁架中间穿过，既保证了建筑净高的要求，又方便狭小空间钢结构的吊装施工，降低了焊接应力。

⑷采用有限元对大跨度楼盖进行舒适度分析，采取TMD减振设计，确保楼盖的舒适性。

本项目充分结合建筑、结构、设备、地铁、施工等因素进行精心设计，可为今后复杂条件下的结构设计提供一些思路和经验。