許名鑫 陳福熙 謝曙 周漢香

(華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，廣東廣州510641)

2010年上海世博會中國館由國家館、地區(qū)館和港澳臺館三部分組成.國家館以地區(qū)館為基座，4個筒體從中升起，在33.3 m標高及其以上連成整體，為展區(qū)部分，該部分層疊出挑，呈四棱臺斗冠狀，如圖1所示.

圖1 中國館效果圖Fig.1 Effect picture of China Pavilion

國家館和地區(qū)館由華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院、清華大學(xué)建筑學(xué)院北京清華安地建筑設(shè)計顧問有限公司和上海建筑設(shè)計研究院有限公司組成的聯(lián)合設(shè)計團隊設(shè)計，其中結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計由華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院完成.國家館地下1層，層高8m，大屋面標高為60.3m，局部69.9m，地面以下與地區(qū)館地下室連成整體，地面以上與屋面標高為13.0 m的地區(qū)館用抗震縫分開.國家館平面尺寸由底部4個筒體包圍的69.9 m×69.9 m伸展到大屋面的139.4m×139.4m，地面以上建筑面積約為5.1萬m2.展廳活荷載在計算樓板時取12kN/m2，在計算梁、豎向構(gòu)件、基礎(chǔ)時取9 kN/m2.展廳位于建筑上部，結(jié)構(gòu)具有出挑長、荷載重、跨度大的特點.

文中介紹了國家館結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計過程和特點，包括剪力墻、斜柱、樓蓋的結(jié)構(gòu)布置以及抵抗斜柱引起的水平力的做法、三根斜柱交匯處的節(jié)點做法、組合梁的起拱原則、內(nèi)力較大處梁的做法、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、針對臨近地鐵這一情況的基礎(chǔ)設(shè)計等.

1 剪力墻

利用落地的樓電梯間設(shè)置4個平面尺寸為18.6m×18.6m的鋼筋混凝土筒體，是抵抗豎向力和水平力的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件.相鄰的兩筒體內(nèi)側(cè)的距離為32.7m，筒體內(nèi)共分成26層，層高多為2.7 m，作休息平臺和設(shè)備房用.為提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，控制筒體剪力墻的軸壓比不大于0.4［1］，筒體的剪力墻尺寸如圖2所示.

剪力墻混凝土強度設(shè)計等級為C50，圖2中陰影部分為剪力墻邊緣構(gòu)件范圍，外墻連梁LL1截面一般為500 mm×800 mm.將整個Q1墻身作為邊緣構(gòu)件，縱筋配筋率取為1.5%;在各混凝土筒體的轉(zhuǎn)角部位所設(shè)方鋼管的截面為800mm×800 mm，厚度為25～40 mm，節(jié)點處取大值，底部取小值;適當(dāng)提高底部加強區(qū)剪力墻的水平分布筋配筋率至0.6%左右，為18@150(3排).

2 斜柱

該建筑只是外形象斗拱，結(jié)構(gòu)上并沒有相互穿插依托的梁、栱、栔等部件，而是針對出挑長、荷載重的特點，依其倒梯形造型，設(shè)置了傳力直接的20根矩形鋼管混凝土斜柱，斜柱支承于混凝土筒體，并與混凝土筒體一起為樓蓋大梁提供豎向支承，滿足了展廳內(nèi)沒有柱子的大空間建筑使用功能要求.結(jié)構(gòu)的ETABS軟件模型如圖3所示.建筑外立面層疊出挑的斗拱造型以鋼結(jié)構(gòu)桁架作骨架來實現(xiàn)，該桁架不作主要的受力構(gòu)件，但可加強斜柱的側(cè)向約束，提高結(jié)構(gòu)的整體性能.

結(jié)構(gòu)的剖面計算簡圖如圖4所示.

圖3 結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.3 Sketch of structure model

圖4 剖面計算簡圖(單位:m)Fig.4 Computation sketch of structure section plane(unit:m)

斜柱起于筒體33.3m標高處、止于60.3m標高的大屋面，鋼管截面尺寸為1500mm×800mm×35mm(高×寬×壁厚)，鋼管內(nèi)灌混凝土以防止局部屈曲.33.3m標高3根斜柱交匯處，鋼管節(jié)點的形狀如圖5所示，圖中豎直的鋼管為內(nèi)置于混凝土筒體角部的方鋼管.計算結(jié)果表明，在豎向荷載設(shè)計值作用下，節(jié)點鋼管除局部區(qū)域壓應(yīng)力(達175N/mm2)較為集中外，其余部位壓應(yīng)力均在130N/mm2以內(nèi).

圖5 斜柱交匯處鋼管節(jié)點Fig.5 Steel tube joint connecting slant column

斜柱根部的軸力可分解為豎向力和水平力，豎向力由混凝土筒體受壓來承擔(dān)，為讓33.3m標高樓蓋自相平衡的受壓來承擔(dān)更多的斜柱水平分力，盡可能減少剪力墻承受的剪力，除采用型鋼混凝土梁，并將該層樓板厚度提高至180mm外，還將該標高筒體內(nèi)連梁的截面尺寸加大至700 mm×3500 mm，以增強其軸向剛度.計算結(jié)果表明，采取上述措施后，豎向荷載設(shè)計值作用下，斜柱下方墻肢的剪應(yīng)力與抗壓強度設(shè)計值之比的最大值為0.064.即雖然與常規(guī)結(jié)構(gòu)的剪力墻在豎向荷載作用下無剪力不同、存在著剪力，但是采取上述措施后該剪力與剪力墻的抗剪承載力相比是較小的，該剪力墻可以承擔(dān).

由于斜柱是不落地的，且其截面尺度本身也比剪力墻小得多，所以抗側(cè)剛度較小，地震作用引起的內(nèi)力較小，斜柱的內(nèi)力主要是由豎向荷載所引起的，斜柱及其底部節(jié)點可較易達到中震彈性的更高抗震要求.

3 樓蓋體系

本工程在標高 ± 0.0、9.0、33.3、41.4、49.5、60.3和69.9m共7處設(shè)置較大面積的連接4個核心筒的樓(屋)蓋.除標高±0.0 m處過廳、9.0 m處國家館露天入口平臺采用混凝土樓蓋外，一般采用密肋鋼梁－鋼筋桁架混凝土平板組合樓蓋.從整體上說，斜柱引起其上部樓(屋)蓋受拉、下部樓蓋受壓，所以組合樓蓋的樓板采用平板式，同時考慮到雖然斜柱下部的33.3m標高樓蓋整體上受壓，但是斜柱、連梁的形心未與該樓蓋形心對齊，樓板偏心受壓，33.3 m標高樓板配筋也采用雙層雙向通長布置.

3.1 33.3m 標高樓蓋［2-4］

為避免滿堂高支模，且提高33.3m標高樓蓋的軸向剛度，該樓蓋采用型鋼混凝土梁，結(jié)構(gòu)平面布置如圖6所示.圖中符號▲為剛接符號，圖中間扶梯旁的虛線框內(nèi)鋼梁待施工塔吊拆除后再安裝，施工時主塔吊置于筒體內(nèi).

圖6 33.3m標高樓蓋結(jié)構(gòu)平面示意圖(單位:mm)Fig.6 Framing plan of floor at 33.3m elevation(unit:mm)

圖6中具有典型意義的梁為矩形鋼管內(nèi)灌混凝土的型鋼混凝土梁，考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力、撓度、豎向舒適度、建筑層高等因素后，GL1梁鋼管的高H×寬B×腹板厚度 tw×翼緣厚度 tf為2 200 mm×400mm×16mm×35 mm，GL2梁跨中截面如圖7所示，支座附近截面上翼緣不開槽而代以澆灌孔和泌水孔、下翼緣無另加鋼板.為提高結(jié)構(gòu)抗震性能貫穿筒體在連梁內(nèi)設(shè)置的型鋼截面為H600mm×200mm×12mm×20mm.

圖7 33.3m標高GL2梁跨中截面(單位:mm)Fig.7 Mid span section of beam GL2 at 33.3 m elevation(unit:mm)

若大梁統(tǒng)一按跨度的某一千分率起拱，則有可能由于跨度不同、荷載分布、支承條件不一樣，導(dǎo)致施加荷載后樓蓋不平整，這里以大梁的計算變形為依據(jù)，人為調(diào)整簡支、連續(xù)梁的計算起拱值使它們相對接近，以反映實際結(jié)構(gòu)更強的整體變形協(xié)調(diào)的因素.起拱值的計算分3個階段進行:第一階段剛度取型鋼剛度、荷載取梁的自重(含鋼梁和鋼梁內(nèi)混凝土);第二階段取型鋼加混凝土矩形梁的剛度，新增荷載取樓板自重;第三階段剛度取組合梁剛度，新增荷載為裝修荷載等永久荷載加少量使用荷載.

3.2 41.4m標高樓蓋

41.4 m標高展覽平臺除通過扶、電梯外也可沿建筑四周的自動坡道連接49.5m標高展覽平臺，二者間坡道及41.4m標高樓蓋結(jié)構(gòu)示意如圖8所示.

圖8 41.4m標高結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Framing plan of floor at 41.4m elevation

41.4 m標高樓蓋典型梁截面與49.5 m標高樓蓋典型梁的截面類似.

3.3 49.5m標高樓蓋

49.5 m標高樓蓋結(jié)構(gòu)平面布置如圖9所示，考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力、撓度、豎向舒適度、建筑層高等因素后，組合梁中各鋼梁的截面尺寸見表1，板厚為130mm，主要受力鋼構(gòu)件采用Q345鋼，其中鋼板厚度≤35 mm時采用Q345B鋼，鋼板厚度≥36 mm時采用Q345GJC鋼.

圖9 49.5m標高結(jié)構(gòu)平面示意圖(單位:mm)Fig.9 Framing plan of floor at 49.5m elevation(unit:mm)

表1 49.5m標高梁截面Table 1 Beam section at 49.5m level

表1中非工字鋼組合梁截面形式如圖10所示.

圖10 49.5m標高梁截面Fig.10 Beam section at 49.5m elevation

3.4 60.3m標高樓蓋

60.3 m標高樓蓋需作為其下層部分展廳的吊柱、其上層梁上柱的支承，結(jié)構(gòu)平面布置如圖11所示，圖中組合梁GL的鋼梁截面為工字形，截面與49.5m標高梁相似，由于本層主梁轄荷區(qū)較大，導(dǎo)致內(nèi)力較大，主梁采用了鋼桁架的形式，圖中標注為HJ，弦桿采用方鋼管、腹桿采用H型鋼.為解決桁架在墻端支座處內(nèi)力較大及該部位弦桿局部彎矩較大的問題，除將受力最大的HJ1距墻端支座4.65m范圍內(nèi)的上下弦桿截面加大至400 mm×500 mm×40mm×40mm外，還在上下弦桿間增設(shè)35 mm厚鋼板，該部位腹桿截面尺寸取為H430 mm×400 mm×40mm×40mm.

圖11 60.3m標高結(jié)構(gòu)平面示意圖(單位:mm)Fig.11 Framing plan of floor at 60.3m elevation(unit:mm)

當(dāng)桁架內(nèi)力較大時，會在作為其支承結(jié)構(gòu)的混凝土剪力墻的上下弦桿間的范圍內(nèi)引起較大的剪力.本工程桁架HJ1的上弦桿貫通筒體的3片剪力墻與另一側(cè)筒體的桁架相連，如圖11、圖4所示.弦桿與混凝土剪力墻通過栓釘相連，由于栓釘?shù)幕菩?yīng)等原因，這3片剪力墻可共同承擔(dān)該弦桿軸力.

本層樓板厚140 mm，為抵抗斜柱引起的屋面拉力及溫度作用，于樓板厚度中心雙向設(shè)置φs15@500無粘結(jié)直線預(yù)應(yīng)力筋.為便于屋蓋板支模采用了鋼筋桁架模板.

3.5 69.9m標高樓蓋

69.9 m標高樓蓋板厚為120mm，組合梁中的鋼梁截面一般為工字形，結(jié)構(gòu)平面布置如圖12所示.

圖12 69.9m標高結(jié)構(gòu)平面示意圖(單位:mm)Fig.12 Framing plan of floor at 69.9m elevation(unit:mm)

4 抗震設(shè)計

由于建筑造型上的需要，由下至上隨著展廳范圍的伸展，質(zhì)量分布范圍增大，轉(zhuǎn)動慣量加大，給結(jié)構(gòu)抗震帶來不利影響.為此加強了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度以控制結(jié)構(gòu)的變形，并采取了在各混凝土筒體的轉(zhuǎn)角部位設(shè)置方鋼管，提高剪力墻的抗震等級，控制筒體剪力墻在按彈性計算的大震作用下的剪應(yīng)力水平，控制筒體剪力墻的軸壓比，展廳層筒體內(nèi)的連梁里增設(shè)型鋼等抗震加強措施.

應(yīng)用ETABS、PKPM等軟件對結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈性反應(yīng)進行了計算分析，各軟件的計算結(jié)果接近.基底彎矩約為4.51 GN·m，基底剪力約為76.0GN，剪重比約為5.27%，水平向、豎直向和45°方向地震作用下的計算結(jié)果接近［1］.采用上海市地方標準(DGJ08-9—2003)《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》提供的反應(yīng)譜、地震波SHW2、SHW3、SHW4計算得到的樓層水平位移曲線、層間位移角曲線如圖13所示.最大層間位移角為1/1640，水平變形較小.

振動臺試驗結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能［5］.

5 基礎(chǔ)

圖13 地震作用下樓層的水平位移和層間位移角曲線Fig.13 Curves of lateral story displacement and story drift angle under seismic effect

中國館臨近地鐵M8線，并因占了部分活塞風(fēng)亭的用地而將部分活塞風(fēng)亭移入到國家館地下室的筒體內(nèi)，國家館的出挑部分更是覆蓋了部分地鐵隧道.為減少對地鐵的擾動，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁底后注漿，并將樁徑加大至850 mm，樁長加長至65m，以第層土粉細砂層為樁端持力層［6］，適當(dāng)降低了樁的承載力取值，單樁抗壓承載力設(shè)計特征值取為3500kN.目前未觀測到國家館對M8線有使用上的影響.

筒體下樁基承臺厚度為2m，混凝土強度設(shè)計等級為C40.筒體間地下室設(shè)置抗拔樁抗浮.

6 結(jié)論

(1)國家館底部架空，展區(qū)部分層疊出挑，利用樓、電梯間設(shè)置落地的混凝土筒體，依建筑的倒梯形造型設(shè)置斜柱，為樓蓋大跨度鋼梁提供豎向支承，滿足了展廳內(nèi)沒有柱子的大空間建筑使用功能要求.

(2)33.3m標高樓蓋采用型鋼混凝土梁并將樓板厚度提高至180mm，還將該標高筒體內(nèi)連梁的尺寸加大至700 mm×3500 mm增強其軸向剛度，樓蓋自相平衡的受壓而不是剪力墻受剪來承擔(dān)更多的斜柱水平分力.計算結(jié)果表明，豎向荷載設(shè)計值作用下，斜柱下方墻肢的剪應(yīng)力與抗壓強度設(shè)計值比值的最大值約為0.064.

(3)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁底后注漿，并將樁徑加大至850 mm，樁長加長至65 m，以第層粉細砂層為樁端持力層，適當(dāng)降低了樁的承載力取值，減少了國家館對臨近地鐵的擾動.目前未觀測到國家館對臨近地鐵有使用上的影響.

(4)給出了國家館的結(jié)構(gòu)布置、三根斜柱交匯處的節(jié)點做法、組合梁的起拱原則、內(nèi)力較大處梁的做法等設(shè)計過程，可供同類工程設(shè)計建造時參考.

［1］方小丹，韋宏，陳福熙，等.中國2010年上海世博會中國館國家館超限高層建筑抗震設(shè)計可行性報告［R］.廣州:華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，2008.

［2］方小丹，韋宏，江毅，等.廣州西塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010，31(1):47-55.Fang Xiao-dan，Wei Hong，Jiang Yi，et al.Seismic design of the Guangzhou West Tower［J］.Journal of Building Structures，2010，31(1):47-55.

［3］本格尼.S.塔拉納特.高層建筑鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.羅福午，方鄂華，王嫻明，等，譯.第二版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［4］龍躍凌，蔡健.核心高強鋼管混凝土組合柱軸壓承載力計算新方法［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，38(10):26-31.Long Yue-ling，Cai Jian.A new method to calculate axial bearing capacity of composite columns with core of highstrength concrete-filled steel tube［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2010，38(10):26-31.

［5］同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室.中國2010年上海世博會中國館國家館結(jié)構(gòu)模型模擬地震振動臺試驗研究報告［R］.上海:同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，2008.

［6］DGJ08-11—1999.(上海市)地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.