某橫跨地鐵復雜綜合體的結構分析與設計

梁子彪，張樹林，楊龍和

（深圳市華陽國際工程設計股份有限公司廣州分公司 廣州510640）

1 工程概況

某項目位于廣州市越秀區(qū)越秀公園西門對面，南鄰中國大酒店。地塊總用地面積為2.34萬m2，本項目為地上16 層，地下3 層的集展覽、會議、辦公、商業(yè)等多種功能為一體的綜合樓，結構高度64.9 m，總建筑面積約為13.6 萬m2。其各層主要功能如下：地下4 層為已建運行中地鐵2號線，地下3層為機械車庫、設備用房；地下2 層為汽車庫、設備用房；地下1 層為配套商業(yè)、會展廚房、卸貨區(qū)等；首層～6 層為報告廳、宴會廳、會展中心等；7 層～16 層為2 棟辦公塔樓［1］，整體建筑效果及功能示意如圖1、圖2所示。

本項目抗震設防烈度為7度，Ⅱ類場地，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.10g，特征周期0.35 s，抗震設防分類裙樓為乙類，裙樓以上為丙類?；撅L壓值為0.50 kN/m2。

2 結構體系與結構布置

塔樓（南、北塔）共16層，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系；裙樓6 層，采用鋼-混凝土組合框架-剪力墻結構體系；結構的主要抗側力構件為剪力墻、框架。裙房跨越地鐵的大空間區(qū)域為鋼結構桁架體系，采用14 根矩形鋼管混凝土柱支承鋼桁架，鋼管混凝土柱尺寸為□1 800×1 400×40、□1 400×1 400×40，內灌C40混凝土。裙房典型層結構平面如圖3所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural Rendering

圖2 典型剖面示意圖Fig.2 Diagram of a Classic Section

圖3 典型層結構平面布置Fig.3 Structural Floor Plan of a Classic Storey

3 超限情況及抗震性能目標

本項目為大底盤多塔結構，具有4 項一般不規(guī)則（扭轉不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變、豎向構件不連續(xù)）、1項特別不規(guī)則（復雜連接）判別為結構抗震超限。

針對結構不規(guī)則情況，采用結構抗震性能設計方法進行分析和論證。設計根據(jù)結構可能出現(xiàn)的薄弱部位及需要加強的關鍵部位，依據(jù)《高層混凝土結構技術規(guī)程（廣東省標準）：DBJ 15-92—2013》第3.11.1 條的規(guī)定，結構總體按C級性能目標要求［2］，如表1所示。

表1 構件性能水準Tab.1 Seismic Performance Level of Components

本項目按照單塔和整體模型分別計算取包絡進行設計，提高底部加強區(qū)及裙樓上兩層范圍剪力墻及框架柱配筋率，剪力墻豎向配筋率提高至0.5%、底部加強區(qū)剪力墻設置約束邊緣構件，框架柱在計算結果的基礎上再進行加大配筋，且配筋率不小于1.6%。裙樓屋面上、下各2 層的塔樓周邊豎向構件抗震等級設為特一級。

4 特殊結構設計

4.1 立體桁架設計

根據(jù)建筑功能需要，裙房區(qū)域宴會廳需要3、4 層通高，平面尺寸為48 m×54 m，活荷載5 kN/m2。宴會廳正下方是1、2 層通高的展廳，為了滿足下部展廳凈高，3 層樓面結構、設備總高度需控制在2.3 m 內。本項目采用雙榀立體鋼桁架，與平面桁架相比，空間立體桁架增大了整體結構的抗彎剛度和平面外的穩(wěn)定性［3］。利用桁架上下弦桿間的空間走設備管線。桁架布置模型如圖4?所示。

立體桁架上弦、下弦的梁高為400 mm，截面H400×500×30×30，上下弦桁架的弦桿中心間距為1.78 m，如圖4?所示。

圖4 雙榀立體桁架模型及剖面Fig.4 Model and Section of Double Space Truss

經對比分析，采用立體桁架具有以下優(yōu)勢：

⑴立體桁架與框架柱連接節(jié)點處應力更為均勻。

⑵立體桁架超靜定次數(shù)比單榀高，抗連續(xù)倒塌能力強。

⑶單榀桁架重量降低一半，施工難度降低。

⑷構件鋼板厚度降低一半，焊接應力降低，可靠性提高。

⑸樓層組合次梁跨度減小15%，立體桁架上弦與樓板的組合能力大幅提高，提高了結構安全度。

4.2 樓蓋舒適度分析

對于大跨度屋蓋的豎向舒適度問題國內外已經進行了一定研究，主要是通過結構自振頻率、均方根加速度以及樓蓋峰值加速度等指標進行舒適度評價［4］。本項目大跨度樓蓋48 m×54 m，桁架上下弦外皮尺寸2.18 m，跨高比22，樓蓋剛度小，需進行舒適度分析以驗算是否滿足正常使用要求。采用有限元程序Midas/GEN 對該結構進行減振前后的動力特性分析（見圖5）。單人步行激勵曲線取IABSE（International Association for Bridge and Structural Engineering）的曲線（見圖6），公式如下［5-6］：

式中：Fp為行人激勵；t為時間；G為體重；fs為步行頻率；α i為第i階簡諧波動載因子，本文只取前三階計算α1=0.4+0.25（fs-2），α2=α3=0.1；φ1=0，φ2=φ3=π/2。人的重量參考ISO 標準建議取作70 kg/人，步頻取為2.08 Hz、2.17 Hz（見表2）。［7］

對于所定義的人行荷載工況，結構最大響應加速度為0.198 3 m/s2；結構加速度超出規(guī)范要求的加速度限值0.15 m/s2，需對該結構進行減振設計。

圖5 結構振型Fig.5 Modes of the Vibration

圖6 IABSE行人荷載樣條曲線Fig.6 A Spline of Pedestrian Excitation from IABSE

表2 步行分析工況定義Tab.2 Definition of Walking Loading Layout

針對本結構進行TMD減振設計與分析，通過結構動力特性分析結果以及反復試算，制定了TMD布置方案及其參數(shù)（見圖7），結果表明通過在各榀桁架設置調頻質量阻尼器，可以有效抑制樓蓋在人行荷載激勵下的振動［8］。加速度峰值在不同激振荷載下減振率分別為52.98%、55.79%、28.82%；減振后，加速度峰值最大為0.093 2 m/s2，小于0.15 m/s2，滿足結構舒適度要求。

圖7 每榀桁架TMD布置大樣Fig.7 Layout Plan of TMD on Single Truss

4.3 跨層桁架設計

裙房核心區(qū)1平面尺寸為48 m×54 m，在第5、6層范圍內結合建筑分隔墻的位置設置2道跨層鋼桁架，桁架間距18 m，跨度48 m，如圖8、圖9所示。該范圍內2層樓面、1層種植屋面的荷載全部由這兩榀桁架承擔，桁架上下弦截面采用箱型截面，截面尺寸為□900×800×35×35。桁架之間采用18 m 跨度的組合梁，鋼梁高度700 mm。既可以滿足建筑大空間的需求，又有足夠的安全度。

圖8 3層樓面桁架平面布置Fig.8 3-story Floor Truss Layout Plan

圖9 跨層桁架剖面示意圖Fig.9 Section Diagram of Span Truss

4.4 轉換桁架設計

裙房核心區(qū)2 平面尺寸為20 m×48 m，首層為展廳主入口，下部地鐵區(qū)域原有基礎、結構不足以承擔上部的新增荷載，故采用設置在第2、3 層的鋼桁架轉換。3-3剖面處桁架端部采用交叉撐增加結構的贅余度，確保結構的安全，如圖10?所示。

如圖10?所示，2-2 剖面處同樣在第2、3 層處設置跨層鋼桁架，將結構恒荷載傳到地鐵范圍外的基礎上。為了減少對建筑使用的影響，桁架端部未設置交叉斜撐，而是利用首層入口門柱、隔墻的位置設置落地鋼結構柱，在施工階段鋼柱與桁架不連接，待上部各層施工完成之后再將桁架與鋼柱連接，后連接節(jié)點如圖11所示。通過施工過程模擬，建立合理的分析模型，反映施工過程結構狀態(tài)，剛度變化［9］。結合施工階段進行分析設計，既可將占比重較大的恒荷載向外傳遞至地鐵區(qū)域外新建基礎上，原有基礎只承擔附加的部分活荷載而不需要加固，又不損失結構剛度，結構的可靠性大幅提高，提高了結構抗震能力，同時保證了樓蓋舒適度需求。

圖10 轉換桁架剖面示意圖Fig.10 Section Diagram of Transfer Truss

4.5 關鍵節(jié)點分析

圖11 后連接鋼柱大樣Fig.11 Detail of Post-connected Steel Column

支承跨層鋼桁架的結構柱采用矩形鋼管混凝土柱，柱截面為□1 800×1 400×40，內灌C40 混凝土。鋼桁架端部節(jié)點承擔了巨大的荷載，受力復雜，是桁架的關鍵部位，采用通用有限元軟件ABAQUS 進行節(jié)點有限元分析，如圖12所示。

混凝土按照文獻［10］附錄C 提供的受拉、受壓應力-應變關系作為混凝土本構骨架曲線，鋼材采用等向強化二折線模型及von Mises屈服準則，強化段的強化系數(shù)取0.01。分析表明節(jié)點區(qū)應力均勻，能夠有效將荷載傳遞到型鋼混凝土柱上，如圖12所示。

圖12 桁架節(jié)點有限元分析Fig.12 Finite Element Analysis of a Joint of the Truss

5 結語

⑴本項目是在建筑功能、凈高及場地因素等非常嚴苛的條件下進行的結構設計，結合施工在施工階段跨中支點不設置豎向約束，使用階段進行連接的設計手段，既不用加固地鐵區(qū)域原有的樁基礎，又不損失結構剛度及抗震性能，提高結構安全性。

⑵充分結合建筑及設備專業(yè)，利用隔墻位置設置跨層鋼桁架，在不影響建筑效果的情況下有效地實現(xiàn)了48 m 跨度的跨越，將總共4 層的樓蓋重量成功地傳遞到地鐵之外的結構柱上，既實現(xiàn)了大空間又保證了結構合理性。

⑶3 層大空間區(qū)域采用2.18 m 高的立體雙榀鋼桁架跨越48 m 的地鐵區(qū)域，設備管線從桁架中間穿過，既保證了建筑凈高的要求，又方便狹小空間鋼結構的吊裝施工，降低了焊接應力。

⑷采用有限元對大跨度樓蓋進行舒適度分析，采取TMD減振設計，確保樓蓋的舒適性。

本項目充分結合建筑、結構、設備、地鐵、施工等因素進行精心設計，可為今后復雜條件下的結構設計提供一些思路和經驗。