阿里巴巴上海总部类巨型框架超限结构设计

刘桂然, 张西辰, 汤卫华

(上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概况

本工程位于上海市徐汇滨江核心商务区中部,主体建筑为阿里巴巴上海总部(图1),功能为商业办公综合体。项目总用地面积约为11 907m2,总建筑面积约6.45万m2,地上建筑面积约3.88万m2,地下建筑面积2.57万m2。塔楼地上11层,1～2层为办公大堂和配套商业,层高5.5m;3～11层为办公标准层,层高4.5m;总建筑高度约56m。地下室共3层,地下1层层高6.5m,为配套商业及卸货区域;地下2层、地下3层层高3.7m,为普通停车及设备用房[1]。

图1 建筑效果图

该项目安全等级为一级,设计使用年限为50年,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度0.10g,Ⅳ类场地,设计地震分组为第二组,特征周期0.90s,抗震设防类别为丙类。

2 结构体系设计

2.1 建筑特点及结构体系

本项目建筑造型采用了独特的形式,即使用遗传算法[2]计算出最佳舒适度的建筑体量。建筑地上外轮廓为矩形,长87m、宽69.6m,所有柱距双向均为8.7m。但各层平面中楼板缺失较大,造成建筑平面布置有较多不规则。如图2所示,各层平面中,仅四个角部竖向交通核的竖向构件连续并可落地,其他位置的竖向构件大多数不能落地。7层以下四个竖向交通核之间没有可靠的平面连接;7～9层四个竖向交通核之间布置了大跨连廊,且这三个楼层建筑平面布置较为完整。

图2 结构各层平面示意图

由于大量框架柱存在转换或悬空的情况(图3),而四个角部核心筒的框架柱上下连续且完整,因此,主体结构选择利用四个角部的核心筒作为主要抗侧力构件。而连接四个核心筒的水平构件,仅在7～8层间相对完整,但该高度范围内由于跨度较大采用了大跨桁架。根据相关研究[3-9],本工程可利用7～8层间连接核心筒的大跨钢桁架作为强连接体,使主体结构形成了四个核心筒+四个大跨空间钢桁架的类巨型框架结构体系,如图4所示。

图3 结构立面示意图

图4 巨型框架结构组成

由于大跨空间桁架需采用钢结构,而核心筒平面尺寸较小,为了保证核心筒的抗震性能和连接钢桁架的便利性,核心筒采用钢框架支撑结构,其余结构构件均为巨型框架结构的次要结构(图5)。楼板采用钢筋桁架混凝土组合楼板。其中,框架柱采用矩形钢管柱,矩形桁架的上下弦杆均采用箱形梁,其余框架梁和次梁采用热轧H型钢。

图5 结构三维模型图

2.2 结构体系受力特点

根据2.1节的介绍可知,该结构体系具有以下特点:

(1)结构抗侧力体系由四个钢支撑核心筒+四个大跨空间钢桁架组成,结构楼面缺失严重,整体性差。四个钢支撑核心筒主要承担竖向荷载和地震作用,应对其分别进行重点分析和加强。

(2)连接核心筒之间的大跨桁架,不仅具有平面作用,还需要有较强的空间协调能力,因此对大跨桁架的空间整体性有较高要求。

(3)结构体系不同于常规楼层的框架支撑结构,结构位移角等指标不能按照常规的统计方法计算。

(4)大跨桁架为非常规桁架,同一桁架在不同位置高度变化较大,且采用了空腹、斜腹等组合形式,受力比较复杂。

2.3 结构超限判断和抗震设防性能目标

经分析,塔楼结构存在以下一般不规则:Y向考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2;偏心率大于0.15;楼板有效宽度小于典型宽度的50%;局部楼层的层刚度小于相邻上层的70%,且局部收进尺寸大于相邻下层的25%;上下框架柱不连续;局部楼层的层受剪承载力小于相邻上层的80%。且塔楼结构还存在以下特别不规则项:连续三层(含三层)楼板有效宽度小于典型宽度的40%;局部楼层的层侧向刚度小于相邻上层的50%;采用类巨型框架复杂结构体系。根据相关要求,需对其进行超限高层建筑抗震设防专项审查。

本工程结构整体抗震性能目标确定为C级,各构件的抗震性能目标如表1所示。

表1 构件抗震性能目标

3 结构抗震计算与分析

3.1 多遇地震分析结果

针对结构抗震性能目标,在多遇地震作用下采用YJK和MIDAS Gen有限元软件对结构进行分析和对比,结果见表2。根据表2可知,两种软件计算结果差异小于5%,数值相近,结果可靠。结构整体模型前三阶振型分别为X向平动、Y向平动和整体扭转。YJK和MIDAS Gen计算的第一扭转周期与第一平动周期之比均约为0.81,小于规范限值0.85。

表2 两种软件计算结果对比

由于四个核心筒相对比较分散独立,为判断结构整体性情况,分别考察了整体结构和四个核心筒各个楼层的响应。

地震作用下整体结构X向和Y向最大层间位移角分别为1/649和1/593(图6),四个核心筒的层间位移角比整体结构统计结果略小,原因是整体结构中的竖向构件除了核心筒内,还包括了其他竖向框架柱。四个核心筒中,东北筒和东南筒的变形基本一致、西北筒和西南筒的变形基本一致,且均满足《高钢规》[10]不大于1/250的要求。

图6 楼层层间位移角

由于本项目为类巨型框架结构体系,相关楼层概念与普通结构有所不同,因此提出了整体按巨型楼层概念统计,即地下室顶板至桁架层顶(9层楼面)为巨型楼层(层高为H,图7),其最大层间位移角可按ΔUmax/H计算,其扭转位移比可以按2ΔUmax/(ΔUmax+ΔUmin)计算,ΔUmax和ΔUmin分别为桁架层竖向构件最大和最小水平位移,H为38m。

图7 巨型楼层计算简图

按照巨型楼层概念计算,多遇地震工况下,结构X、Y向最大层间位移角分别为1/986、1/877;考虑偶然偏心的最大层间位移比,X、Y向分别为为1.35、1.36。可见,按巨型楼层概念统计的层间位移角远小于普通楼层结果,原因是桁架层对结构的整体性加强起到了关键作用。

地上结构5～7层X向楼层间刚度比分别为0.52、0.54、0.41,地上结构4～6层Y向楼层间刚度比分别为0.81、0.72、0.72,均不满足设计要求。地上结构6层的楼层抗剪承载力之比最小(图8),为0.65,满足规范0.65限值要求。设计时,将以上楼层间刚度比和楼层抗剪承载力比不满足规范的楼层指定为薄弱层,并对其地震作用标准值的剪力放大1.25倍进行加强。

图8 核心筒楼层抗剪承载力比分布曲线

3.2 设防地震分析结果

设防地震作用下,按结构构件处于弹性状态,分析得到了结构关键构件的承载力状态和结构变形情况。

设防地震下,整体结构X向和Y向最大层间位移角分别为1/240和1/220,约为多遇地震作用下最大层间位移角的2.7倍,说明主体结构基本处于弹性状态。根据主体结构构件应力比计算结果,主体结构构件的应力比基本上均小于1.0,因此,设防地震作用下主体结构基本可以实现不屈服的抗震性能目标。

3.3 罕遇地震分析结果

罕遇地震作用下采用SAUSAGE软件进行分析,选取了上海市《建筑抗震设计规程》(DGJ 08-9—2013)[11]中的三条波SHW8、SHW12和SHW14(一条人工波,两条天然波),峰值加速度取为200cm/s2。根据初步分析结果,所选时程波的时程曲线平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线相比,在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%,所选时程波符合要求[12]。

根据结构能量耗散计算结果,结构在整个地震中的能量耗散以阻尼消耗为主,占90%～95%;应变能比例为5%～10%,塑性耗能占比较小,说明结构总体损伤程度较低。

结构在X、Y向的最大层间位移角分别1/112、1/127,分别发生在第4层和第5层,满足多、高层钢结构层间位移角≤1/50的规范要求。

类巨型框架中,框架柱性能水平均不超过轻微损坏;框架梁性能水平均不超过轻微损坏;支撑处于弹性状态;上、下弦杆和腹杆均处于弹性状态。

在巨型框架梁的楼层处,楼板损伤较大,局部区域有重度至严重损坏,其余区域由轻微至轻度损坏(图9)。在其余楼层处,大部分楼板不超过轻度损坏,局部区域有重度损坏。对于巨型框架梁所在楼层的楼板,采取设置后浇带的措施[13],减少楼板在自重下引起的附加应力,以及局部区域板中附加Φ12@200钢筋[14-15]后,该层楼板损伤程度基本可以减小为轻度损坏(图10),满足既定的设计目标。

图9 加强前8层楼板性能状态

图10 加强后8层楼板性能状态

4 关键结构构件分析与设计

4.1 大跨处楼板竖向舒适度分析

本工程存在多处大跨结构,跨度最大约53m。为考察楼盖结构的竖向振动舒适度,采用MIDAS Gen软件进行楼盖舒适度分析。

由于前三阶模态自振频率小于3Hz,对前三阶振动敏感的位置按照人群密度法[16]施加人群激励荷载,取各振型变形较大位置作为竖向加速度观察点。其中3、7、8层为竖向加速度最大反应楼层,其峰值加速度分别为0.115、0.023、0.081m/s2,3层和8层超出规范[17]中对于办公建筑的楼盖竖向振动加速度限值(0.061m/s2或0.05m/s2)要求。

采用调频质量阻尼(TMD)降低楼盖竖向振动[18],在8层楼面处设置10个TMD质量块(图11)。设置TMD后加速度曲线如图12所示。人群激励时的峰值加速度在3、7、8层分别减小至为0.006、0.013、0.024m/s2。可见设置TMD后减振效果明显,楼盖舒适度得到大幅提高。

图11 8层楼面TMD质量块布置图

图12 设置TMD后楼板竖向加速度曲线图

4.2 巨型柱与次框架部分剪力占比分析

由于巨型框架结构体系的特点,其筒体与框架之间剪力分配与传统框剪和框筒结构区别较大。本项目根据各核心筒与周边框架的完整性,对不同筒体及周边落地柱承担剪力进行分区统计。

各层落地的框架柱(通高落地柱,图13)占比较少,仅北侧两跨落地框架较多,四个巨型柱(核心筒)为竖向荷载传递的主要构件。南侧两巨型柱承担楼层地震剪力占南侧区域的81%～99%;北侧两巨型柱承担楼层地震剪力的占比约为60%～86%。由于南侧巨型柱承担剪力比较高,对其地震剪力进行1.1倍放大。

图13 巨型柱与落地柱示意图

根据核心筒受力情况(表3)可知,巨型柱结构承担剪力较大,是结构的最主要抗侧力构件,将其定义为关键构件[19],以提高其抗震性能目标。

4.3 复杂大跨桁架分析

本工程塔楼7层正中设有3层通高阶梯教室。阶梯教室楼面架于两侧空腹转换桁架,转换桁架通过悬挑桁架与南北侧巨型梁相连(图14)。

图14 阶梯教室空间关系图

图15 南侧桁架杆件编号

为分析阶梯教室荷载对南侧桁架受力影响,对桁架弦杆的内力进行了详尽分析。考虑桁架轴力引起的截面应力大于弯矩下应力,故弦杆均按箱形截面进行设计。

根据表4给出的不同工况下不同位置桁架上弦杆的轴力(正为受拉,负为受压)可知,恒载与活载工况下引起的桁架上弦杆轴力明显大于地震工况,恒、活载工况为桁架内力控制工况;阶梯教室荷载引起的上弦杆轴力占总恒、活载下轴力的38%～65%,悬挑桁架的传力作用明显。因此,将悬挑桁架按关键构件进行设计,并控制恒、活载组合工况下桁架应力比在0.85以下。

表4 南侧桁架上弦杆轴力/kN

4.4 施工次序分析

本项目各杆件连接关系较为复杂,存在较多不同形式的转换,且自重较大,因此不同施工次序对构件的内力分布有较大的影响。结合结构有利性和施工便利性,确定了本工程的施工次序(图16),并对一次性加载和按指定施工次序两种方式下构件的内力进行了对比分析,结果见表5。

表5 不同施工工况下构件最大应力比

图16 施工次序

由以上分析结果可知,相比于一次性加载工况,按照指定施工次序工况得到的构件应力有大幅度减小,尤其是转换处的大跨桁架。因此,选择本施工次序有利于结构受力,后续可直接用于指导施工。

4.5 关键节点有限元分析

南侧桁架由于同时存在水平及竖向支撑,节点杆件汇聚较多,受力复杂,选取南侧桁架水平支撑与竖向支撑相交的典型节点,并采用ABAQUS软件进行建模分析,荷载按照大震不屈服工况,考虑了材料非线性,构件采用壳单元。杆件截面及有限元模型如图17所示。

图17 桁架节点有限元模型

如图18所示,大震工况下所选不利节点区域最大von Mises应力约230MPa,小于材料强度标准值,满足大震不屈服要求。

图18 桁架节点von Mises应力分布云图/MPa

5 结构超限设计主要措施

(1)针对楼板开洞较多,局部楼板有效宽度较窄,对全楼楼板按弹性楼板假定进行计算;地上钢结构部分均采用钢筋桁架楼板,并对开大洞及核心筒周边楼板采用增配钢筋措施;对大跨桁架弦杆处楼板采取局部后浇、增配钢筋等措施,确保楼板能满足小震下不开裂、中震下不屈服[20]的性能目标。

(2)将四个核心筒及连接核心筒的桁架构件组成的巨型框架定义为关键构件,抗震等级提高,保证连接构件有较强的承载力及连接刚度。并在连接桁架中设置平面支撑,保证较强的平面刚度,实现水平构件的协调作用和结构整体性。

(3)控制恒活载工况下巨型梁及悬挑桁架的应力水平,保证关键构件的延性。

(4)根据弹性时程分析结果和振型分解反应谱分析结果,两者取包络进行承载力设计。

(5)对关键节点进行有限元分析,确保在节点承载力满足抗震性能要求。

6 结论

(1)本工程根据平面大量缺失、竖向构件间断较多等超限情况,选择了巨型框架结构体系,结构概念清晰,对核心受力构件做出了区分;并通过合理设计及计算分析,实现了结构的抗震性能目标。

(2)根据巨型框架受力情况,按巨型楼层概念统计结构层间位移角,并对承担巨型柱角色的四个核心筒作为关键构件进行地震设计作用放大。

(3)巨型梁所在的楼面,由于受力集中会导致该层楼板应力较大,通过设计加强及合理的施工措施,确保了楼板的受力性能。

(4)大跨楼盖处,通过设置TMD有效控制了其竖向振动,楼面振动舒适度得到大幅提高。

(5)本工程不同施工次序对构件的内力分布有较大影响,结合结构有利性和施工便利性,确定了最优的施工次序。