虹橋搜候商務(wù)廣場復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)設(shè)計
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李亞明， 張良蘭， 石 碩， 潘其健
（上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海200041）
[摘要] 以虹橋搜候商務(wù)廣場復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)為背景，闡述其連接體的主要設(shè)計理念和設(shè)計內(nèi)容。該項目連接體數(shù)量多、造型復(fù)雜、體量大，其中3個位于低位、3個位于高位，受力復(fù)雜。設(shè)計中在天橋兩端設(shè)置鉛芯橡膠支座，通過支座隔震使主樓達到各自受力的目的，既簡化了連接體傳力路徑，又減輕了其對主體結(jié)構(gòu)的不利影響。為提高連接體在大震下的安全儲備，在支座兩端設(shè)置防跌落裝置。常規(guī)荷載及小震作用下，取獨立模型進行計算，并考慮支
座的彈性剛度；大震作用下，取整體模型進行彈塑性時程分析，以評估支座的隔震效果及變形情況，為支座構(gòu)造的設(shè)計提供數(shù)值依據(jù)。通過對連接體進行豎向和水平荷載作用下的變形分析、受力分析及舒適度分析，驗證了結(jié)構(gòu)各項性能指標均能滿足規(guī)范的要求，隔震支座的隔震效果明顯，支座構(gòu)造能夠滿足結(jié)構(gòu)變形的要求，表明該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理有效。
[關(guān)鍵詞] 虹橋搜候；連體結(jié)構(gòu)；鉛芯橡膠支座；舒適度分析
中圖分類號：TU973 文章編號：1002-848X( 2016)07-0001-05
1 工程概況
虹橋搜候商務(wù)廣場位于上海市長寧區(qū)臨空經(jīng)濟園區(qū)15號地塊，地上部分4棟彎曲建筑單體穿過基地，并設(shè)有4個下沉廣場，各建筑單體均為11層，高度為40m，主要為商業(yè)、辦公綜合性建筑。其中，1層建筑功能為商業(yè)和餐飲，2~ 11層建筑功能為辦公；整個場地內(nèi)設(shè)有2層地下室，主要功能為車庫、設(shè)備用房、影院和配套用房。項目總建筑面積為
346 869m2，其中地上建筑面積215 410m2，地下建筑面積131 459m2。地面4個塔樓長度在155~302m之間，寬度均為25m。4個塔樓通過設(shè)在3，4層的1—3號天橋（連體）和10，11層的4~6號天橋（連體）連為一體，整體建筑造型如圖1所示。
根據(jù)建筑設(shè)計理念要求，連體形態(tài)與主體結(jié)構(gòu)的流線型需保持一致，連體局部效果放大圖如圖2所示，底部用金屬板包覆，兩側(cè)為玻璃幕墻，達到了呈現(xiàn)通透室內(nèi)效果的要求。
本工程主體結(jié)構(gòu)（地面塔樓）采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架一抗震墻結(jié)構(gòu)體系，6個連體采用鋼結(jié)構(gòu)空腹桁架結(jié)構(gòu)體系。整個結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜，連體與主體結(jié)構(gòu)之間的連接方式及構(gòu)造是本項目設(shè)計的一大難點。
根據(jù)建筑平面布置，連體內(nèi)部空間均為辦公空間，頂部為屋頂綠化。由于層高的限制，結(jié)構(gòu)厚度也受到相應(yīng)的限制。
2 連體概念設(shè)計
本文所研究的連體建筑為非對稱多塔連體結(jié)構(gòu)，共4座塔樓、6個連體，編號如圖3所示，連體和主體結(jié)構(gòu)造型均為曲線。其中3個連體位于3，4兩層（頂頂標高11. 5m），另外3個連體位于建筑頂部兩層（標高40m），連體厚度7m，最大跨度達53m，連體寬度最窄處（跨中）約10m、最寬處（兩端與主體塔樓連接處，簡稱“喇叭口”）達30m。選擇其中跨度最大、最典型的連體結(jié)構(gòu)（即5號天橋）進行詳細分析。
由于所研究連體結(jié)構(gòu)形態(tài)非常復(fù)雜，如果將連體與主樓之間采用剛性連接使他們成為一體，則結(jié)構(gòu)將集復(fù)雜連體、高位轉(zhuǎn)換、超長(平面尺寸約360m×200m)、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則于一身，受力非常復(fù)雜，屬于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》( GB 50011-2010)…（簡稱抗規(guī)）中的嚴重不規(guī)則建筑，是抗震概念設(shè)計理念強烈建議不應(yīng)采用的結(jié)構(gòu)。因此，為了滿足建筑師和業(yè)主的要求，同時保證結(jié)構(gòu)安全，主樓與連體之間采用弱連接最為合理。通過弱連接構(gòu)造，把4座塔
樓分成4個獨立的結(jié)構(gòu)單元來承受荷載，從概念設(shè)計上使結(jié)構(gòu)合理化，大大地減小結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)，同時節(jié)約工程造價。
根據(jù)目前的結(jié)構(gòu)隔震減震技術(shù)，已容易實現(xiàn)弱連接構(gòu)造，且現(xiàn)行抗規(guī)專門增加了隔震消能減震設(shè)計方面的內(nèi)容，為本項目采用弱連接提供了理論依據(jù)。隔震和消能減震是減輕建筑結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的有效技術(shù)，隔震體系通過延長結(jié)構(gòu)的自振周期，能夠減小結(jié)構(gòu)所受到的水平地震作用，這已經(jīng)被國外強震記錄所證實，國內(nèi)外大量試驗和工程經(jīng)驗表明：隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60%左右，從而能消除或有效地減輕結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的地震損壞，提高建筑物及其內(nèi)部設(shè)施和人員的安全性，增加震后建筑物修復(fù)后繼續(xù)使用的可能。同時，采用消能減震方案，通過消能器增加結(jié)構(gòu)阻尼不僅可以減小結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的位移，而且對減小結(jié)構(gòu)水平和豎向地震反應(yīng)也是有效的。
主樓與天橋之間的弱連接構(gòu)造采用抗規(guī)中的鉛芯橡膠支座來實現(xiàn)，從而大大弱化主樓之間的共同作用，使主樓基本上達到各自受力的目的，從而使得結(jié)構(gòu)由特別不規(guī)則演變成4棟相對規(guī)則的框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)計算時，采用獨立模型對常規(guī)荷載和小震作用下的內(nèi)力和變形進行計算，同時評估大震作用下獨立模型中桁架桿件的應(yīng)力。同時，為了考察隔震支座的隔震效果、考慮連體對主體結(jié)構(gòu)的影響，采用動力時程分析法對結(jié)構(gòu)整體模型進行大震作用下
的動力性能分析。
3 連體結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)建筑形態(tài)和功能要求，在靠近連體的兩側(cè)面分別設(shè)置一榀雙層混合空腹桁架（跨中無斜腹桿、靠近支座兩端設(shè)置斜拉桿），在“喇叭口”處另外設(shè)置二級空腹桁架。樓面標高處主桁架之間通過樓面次梁和樓板連接。根據(jù)建筑幕墻分隔間距要求，主桁架豎腹桿間距約為4 200mm。根據(jù)建筑凈高和效果要求，主桁架弦桿和豎腹桿均采用截面尺寸為500×500的方鋼管。將樓面梁截面高度控制在390mm，由于結(jié)構(gòu)厚度限制，樓面梁底部與桁架弦桿底部平齊，組合樓板頂部與桁架弦桿頂部平齊。結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置如圖4所示。連體結(jié)構(gòu)斷面圖如圖5所示。
連體隔震支座設(shè)置在空腹桁架中間層弦桿的兩端及桁架靠近塔樓的一端，上下層弦桿兩端均釋放所有自由度，連體兩端與主樓結(jié)構(gòu)之間設(shè)置300mm寬的防震縫，如圖6所示。
4 連體與主體結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造
連體與主體結(jié)構(gòu)之間采用隔震支座連接，隔震支座位于主體結(jié)構(gòu)外伸牛腿之上，為了防止大震下連體結(jié)構(gòu)位移過大而跌落，在連體與牛腿之間設(shè)置防跌落裝置。連體支座構(gòu)造詳圖如圖7所示。
隔震支座（鉛芯橡膠支座）力學(xué)參數(shù)通過計算確定，支座內(nèi)膠采用G6天然橡膠，外膠采用600（邵氏）氯丁橡膠。
5 連體性能分析
5.1變形性能
連體結(jié)構(gòu)豎向位移如表1所示。由表1可知，連體結(jié)構(gòu)跨中最不利撓跨比為1/545，滿足規(guī)范L/400（L為結(jié)構(gòu)跨度）的限值要求，懸挑端最不利撓跨比為1/3 55，滿足規(guī)范L/200的限值要求。連體結(jié)構(gòu)水平位移如表2所示。
5.2受力性能
連體結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比分布圖如圖8所示，從圖中可以看出大部分桿件應(yīng)力比在0.6以下，最大不超過0. 85，結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。
5.3抗震性能分析
5.3.1小震性能分析
小震計算時采用獨立模型進行分析，連體結(jié)構(gòu)前10階自振特性如表3所示。由表3可知，第1階振型為y向平動，第2階振型為X向平動，第3階振型為扭轉(zhuǎn)，第9階振型為較明顯的豎向振動。結(jié)構(gòu)典型振型如圖9所示。
由于連體兩端都設(shè)置了鉛芯橡膠隔震支座，連體結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的問題主要有兩個：一是設(shè)置合理的防跌落措施，二是考慮豎向地震的影響。防跌落措施的總抗拉承載力按照重力荷載代表值的0.3倍取值，而豎向地震作用參考抗規(guī)第12.2.1條取值，本工程將按照8度(0.2g)取值，即取豎向地震作用標準值為結(jié)構(gòu)重力荷載代表值的20%。在連體的主桁架兩端隔震支座處設(shè)置防跌落裝置，每個連體共設(shè)置4個，每個防跌落裝置的抗拉承載力設(shè)計值取上述總抗拉承載力（0.3倍重力荷載代表值）的1/4。
5.3.2大震性能分析
為考察隔震支座的隔震效果及罕遇地震下結(jié)構(gòu)縫寬能否滿足支座變形要求，采用MIDAS/Gen軟件建立帶天橋的多塔連體整體模型，連接天橋和主體結(jié)構(gòu)的支座采用鉛芯橡膠隔震支座單元，計算方法采用動力時程分析。該整體模型能考慮地震波作用下各塔由于自振特性不同造成的相互不同相位振動對連體結(jié)構(gòu)的影響。
考慮到3，4層的3個連體位置較低且下部有橋墩支撐，連體的水平位移較小，對結(jié)構(gòu)的水平作用較小，結(jié)構(gòu)縫寬能夠滿足其變形要求，故本次整體模型中僅針對10，11層的連體的支座變形和受力進行分析，整體模型如圖10所示。
動力計算時，根據(jù)主體結(jié)構(gòu)在大震下的相對變形來確定支座的設(shè)計變形，再根據(jù)此變形數(shù)值查詢產(chǎn)品參數(shù)表，最后通過整體結(jié)構(gòu)計算進行驗證并調(diào)整確定支座參數(shù)。本文最終確定的支座參數(shù)為：水平向第一剛度k=3 850kN/m，屈服力F y=195kN，屈服后剛度與彈性剛度比r =0.1。
經(jīng)過分析可知，隔震支座最大水平位移發(fā)生在4號天橋3號支座，其值為282. 74mm，設(shè)計的防震縫寬度為300mm，滿足罕遇地震下的支座變形。所有鉛芯橡膠隔震支座始終受壓，支座最大軸向壓力和最大水平剪力均在隔震支座承載力范圍內(nèi)。
在主樓牛腿端部產(chǎn)生加速度峰值的大小及數(shù)量遠多于連體弦桿端點，隔震支座對地面加速度的隔離效果明顯。
從對整體模型進行罕遇時程分析的結(jié)果中可知，隔震支座設(shè)計參數(shù)選擇合理，罕遇地震作用下隔震支座的效果明顯，支座各向承載力能夠滿足要求，防震縫寬度適合。
5.4舒適度分析
根據(jù)以上自振分析可知，連體結(jié)構(gòu)豎向振動頻率為1. 82Hz，小于3Hz，但考慮到連體的功能為辦公，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)（簡稱高規(guī)）第3.7.7條條文說明，應(yīng)驗算豎向振動加速度，根據(jù)高規(guī)附錄A進行如下計算：
其中，L為連體跨度；B為樓蓋阻抗有效質(zhì)量的分布寬度，m；C為垂直于連體跨度方向的樓蓋受彎連續(xù)性影響系數(shù)；ϖ為樓蓋單位面積有效重量；a p為樓蓋振動峰值加速度；F p為接近樓蓋結(jié)構(gòu)自振頻率時人行走產(chǎn)生的作用力；p0為人們行走產(chǎn)生的作用力；f n為樓蓋結(jié)構(gòu)豎向自振頻率；β為樓蓋結(jié)構(gòu)阻尼比；g為重力加速度。根據(jù)計算結(jié)果可知a p滿足高規(guī)的要求。
6 結(jié)論
(1)連體結(jié)構(gòu)應(yīng)綜合考慮建筑造型和功能要求，采用合適的結(jié)構(gòu)形式。
(2)連體與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造應(yīng)該考慮塔樓的受力和變形性能。
(3)本文所研究的連體結(jié)構(gòu)體系能夠較好地滿足建筑造型和功能的要求。
(4)通過采取合理的連接構(gòu)造（鉛芯橡膠支座），本文所研究連體結(jié)構(gòu)的各項性能均能滿足規(guī)范的相關(guān)要求。
(5)本文對連體結(jié)構(gòu)所采取的相關(guān)設(shè)計技術(shù)能夠為類似項目提供一定的參考。
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