随着我国城市化进程的提速，土地综合性、集约性开发的战略地位显著提高。以公共交通为导向的综合开发模式(TOD)在交通拥挤普遍存在、轨交线路发达的现代城市背景之下的应用普及成为城市地上及地下多元化空间综合利用开发的重中之重。故而对于TOD综合开发模式所带来的一系列结构工程难点及技术瓶颈亟待解决及深入探讨。

　　 上海徐家汇中心TOD综合开发项目位于上海市徐汇区，基地北临规划四路、南临虹桥路、东临恭城路、西临宜山路;规划用地面积约66 017m²，总建筑面积约762 860m²。地上建筑包括T1塔楼、T2塔楼、酒店、商业裙房。项目整体效果图如图1所示。其中北裙房(图2)位于项目北侧，下方有地铁隧道穿过，与其它结构单体天然分开，以空中连桥相互连接(图3)。北裙房建筑高度约50m，主屋面结构高度约43.45m，地上7层，用途为商业。典型层高6.0m，首层层高7.5m。裙房东西向约180m，南北向约90m，典型商业楼层单层面积约11 000m²。

　　 由于北裙房大部分区域位于地铁隧道上方，需尽可能减小结构自重。综合考虑建筑功能要求，确定采用钢框架体系来抵抗水平地震及风荷载。采用屋面桁架-悬吊结构体系以减小隧道上方立柱承载的楼层数，进一步减小结构对地铁的影响。考虑楼面大跨度及减轻自重的要求，楼面系统采用钢梁、压型钢板与混凝土组成的组合楼板体系。

　　 上海位于长江三角洲入海口东南前缘，属三角洲冲积平原，地貌形态单一。建设场地位于上海市徐家汇核心商业区内，属于上海地区“滨海平原”地貌类型，地势较平坦。地表至150m深度范围内所揭露的土层，主要由软弱的黏性土、粉性土、中密～密实的砂土组成，具有成层分布的特点。场地在20m深度范围内未发现成层的砂质粉土、砂土，可不考虑液化问题。

　　 本地基浅层地下水属潜水类型，主要补给来源为大气降水，地下水位随季节变化，水位埋深为0.3～1.5m。根据上海市工程建设规范《地基基础设计规范》(DG J08-11—2010)有关条款，设计地下水高水位埋深为0.5m，低水位埋深为1.5m。

　　 基础设计考虑恒荷载、活荷载、水浮力、风荷载和地震荷载的综合作用下的影响，同时亦考虑施工期间对场地周围建(构)筑物、道路、管线等的影响，本工程拟采用钻孔灌注桩基础。单桩承载力将按照岩土工程勘察报告提供的土层参数计算，且通过单桩静载试验确定。

　　 基于与地铁隧道的空间位置关系，北裙房基础及筏板可划分为三个部分，即位于地铁隧道正上方的Ⅰ区、除Ⅰ区外地铁50m保护区范围内的Ⅱ区以及位于地铁50m保护区范围外的Ⅲ区，如图4所示，对应剖面图如图5所示。Ⅰ区内桩基与地铁隧道的避让距离需不小于3m，本工程邻近地铁隧道的桩中心定位线距地铁隧道边线的距离控制在4.5m。同时，因巨柱在上部结构投影已侵入Ⅰ区，进入地库后采用斜柱调整巨柱平面位置至Ⅱ区。

　　 本项目基础工程采用钻孔灌注桩+筏板体系。其中，地铁50m保护区范围内的抗压桩，即Ⅰ区及Ⅱ区范围内的北裙房桩基础，工程采用桩径不小于0.85m的钻孔灌注桩，进入(9)₁灰色粉砂层，且采用桩端后注浆，单桩桩顶平均反力不超过3 000kN，以达到控制上部结构对地铁隧道及其周边土体影响的作用。Ⅰ区范围内，在控制平均桩顶反力的同时，通过控制上部结构总荷载限制，基底平均附加力不大于10kPa。

　　 地基承载限制是TOD类项目面对的重要技术挑战之一。对结构工程专业来说，TOD类项目的最大特点为邻近地铁、高铁等交通枢纽，甚至结构需跨越其上，地基承载限制为其重要特点。

　　 本工程设计中满足Ⅱ区内限制要求可采用增加工程桩数的技术方式，以确保平均桩顶反力满足限制要求，配合桩端后注浆技术以较少沉降对地铁隧道邻近区域土体的扰动。对于Ⅰ区内限制要求，因地铁隧道穿过，桩基数量受平面空间及桩基间距规范要求限制;同时，基底平均附加力限制直接控制上部结构能传递至基础的荷载总量。为此，本工程提出若干技术解决方案，现概括如下，可供同行参考。

　　 虽然钢筋混凝土结构是近年来最为常用的适用于商业综合体类建筑的结构体系，但对于TOD类项目，钢筋混凝土结构较低的承载力与自重之比，使其不适于此类地基承载受到严格限制的项目。相反，钢结构体系在TOD类项目中能充分发挥其自身材料特点及优势。

　　 从宏观结构体系出发，本工程采用钢框架结构抗侧力体系+钢梁、压型钢板与混凝土组成的组合楼板体系，在提供可靠的承载能力的同时可有效降低结构自身重量，减少上部结构传至地基基础的荷载，尽最大可能将有限的地基受荷能力用于最有商业价值的建筑使用功能领域。

　　 同时，钢结构体系具有可装配性能好、施工耗时低等优点，同时从工程施工技术的角度来说，又能减少对地铁及其周围土体的扰动。

　　 本工程从结构传力路径出发，引导上部荷载传递至Ⅰ区以外区域。工程采用屋面桁架-吊柱体系，将Ⅰ区上部多层楼面荷载传递路径转移至Ⅱ区内1 200×1 600×100×100钢箱形截面柱，有效减少Ⅰ区内上部结构传至地基基础的荷载。经计算，该巨柱共计8根，柱底最大反力在荷载标准组合下约达60 000kN。故通过本方法可有效转移近400 000kN荷载至Ⅱ区，避免巨柱垂直落至Ⅰ区导致桩反力超过地铁限制要求。经比较分析，如维持常规垂直巨柱方案，相应区域在满布桩的情况下桩反力仍达到4 000kN，远超地铁桩反力限制要求(即3 000kN);如按斜柱改变传力路径方案，相应区域桩反力均可控制在地铁限制范围内。

　　 对于TOD类开发项目来说，结构传力路径回避地基限制区的方法可概括为以下几点:1)地基承载限制区上方设置结构转换层，如厚板转换平台、桁架转换层等;2)地基承载限制区上方采用屋面桁架-悬吊结构体系，有效引导楼层荷载路径回避限制区。

　　 Ⅰ区内上部结构传至地基基础的总荷载由基底平均附加力限值控制，为提高地基承载使用效率，应使Ⅰ区内单桩反力区域平均化，以避免局部区域内单桩平均反力超过限值。工程采用桩塑性设计法，通过适当调整桩基计算刚度，提高筏板相对刚度，使区域内桩基受力更为均匀，从而有效提高地基承载使用效率。在本工程中，其具体方法简述如下:

　　 (1)在基础有限元分析模型中考虑上部结构刚度对桩筏基础的影响，以此可以考虑地库结构对筏板刚度的有利作用。本工程采用YJK软件，在进行上部结构计算时需在“前处理及计算-计算参数-结构总体信息”设置中勾选“生成传给基础的刚度”，并设置“凝聚局部楼层刚度时考虑的底部层数，本工程考虑3层基础上部结构刚度，如设置为0，则代表考虑全部楼层的影响。

　　 (2)修改基础计算软件中的关键计算参数设置，确保有限元分析模型参数合理。本工程采用Mindlin方法计算基础沉降，在计算时需在“基础计算及结果输出-计算参数-沉降计算参数”设置中勾选“Mindlin方法”并采用迭代计算方式。同时，在“基础计算及结果输出-计算参数-桩筏筏板弹性地基梁计算参数”设置中选择采用“弹性地基梁板法”，考虑“上部结构刚度”，并同时设置“板上剪力墙计算方案”至“深梁”方案，以较准确模型地库中落地剪力墙对桩筏基础中底板的刚度贡献(区别于“刚性约束”设置)。

　　 (3)参考试桩报告、计算初始桩基反力、结合规范与地勘报告估计的地基沉降值对基础有限元分析模型中基床系数、桩刚度进行人工指定。取基床系数为0，以偏安全简化计算模型;桩刚度取值为预估基础沉降与按试桩报告中沉桩曲线对应桩反力的比值，本工程该区域内桩基均为直径850mm的钢筋混凝土钻孔灌注桩。

　　 (4)以自定义桩刚度为计算假定进行基础有限元分析，以得出沉降结果与经验估计值相符为准。本工程该区域沉降计算结果与经验估计值一致，均为1～3mm，如不一致需进一步调整“沉降计算参数”。

　　 图6～9为本工程调整桩刚度前后的基础有限元分析结果对比。由桩反力等值线云图对比可知，采用该技术措施可使桩反力在筏板范围内均匀化，有效降低最大桩反力以满足地基承载限制的要求。同时，从筏板变形云图可知，桩反力均匀化的代价是筏板变形的提高，即筏板需要提供足够的能力平衡桩间差异沉降变形。

　　 桩塑性设计方法基于塑性支承桩理论，方开敏等^[1]对其基本概念进行了阐述。塑性支承桩的理论核心是将单桩工作荷载P接近单桩极限荷载P_u，使桩体产生足够大的沉降变形，从而迫使基础底板下部的土反力发挥作用，由于土体参加承载使得桩的P-s曲线下降坡度更为缓和。对于特大桩距的复合桩基，则可认为桩的支承状态已由弹性转变为弹塑性，直至接近完全塑性状态，与超静定结构中塑性铰的概念相类似，它始终承担单桩极限荷载P_u，任何新增荷载量将由基础底板下部的土体承担。宰金珉^[2]及王旭东等^[3]通过有限元数值模拟及工程实例研究验证了塑性支承桩法的正确性。

　　 故而在TOD类开发项目中，可运用桩塑性设计方法，在计算假定中提高筏板相对桩基础的刚度，即适当减小桩身计算刚度假定，在方开敏等^[1,2,3]研究结论的基础上偏于保守地认为，超过该桩设计反力限值(地铁对桩反力的限制)的新增上部结构荷载除不继续传递至已达到极限荷载的桩顶外，亦不传递至筏板下土体中，而是通过可靠的筏板刚度传递至相邻的桩群内，使区域内桩反力更加均匀，从而提高地基承载利用率。同时需通过考虑上部结构与地基基础共同作用、适当增加筏板厚度、增加筏板内通长钢筋的配置实现这一计算假定，确保新增上部结构荷载能够可靠地传递至相邻桩群内。

　　 北裙房建筑使用功能为商业建筑，其中2～5层多为零售商铺及餐饮，且室外面积层层递增，室外设计为景观绿化空间;6～7层为影院功能。针对商业楼层室内区域，工程拟采用轻质实心复核墙板替代常规混凝土空心砌块隔墙，可节约隔墙自重约20%～35%，等效于商业楼层每平米室内区域均布附加荷载减轻约0.6～1.0kPa。针对商业楼层室外区域，工程采用轻质种植土(容重约为10kN/m³)代替常规普通种植土(容重约为18kN/m³)，并同时严格限制覆土范围。针对影院楼层，工程拟采用轻质隔墙+吸音夹层(图10)做法代替常规双层混凝土实心隔墙(图11)做法。

　　 对于TOD类开发项目来说，减少工程无效附加荷载的方式可汇总为以下几点:1)选用轻质楼盖体系，如轻钢屋盖、多孔混凝土预制梁板、压型钢板+混凝土组合楼板等;2)选用轻质隔墙体系，如轻质实心复核墙板、ALC板等;3)选用轻质隔音墙体系，如项目内有声学隔音要求;4)选用架空地台等少回填室外面层做法;5)选用轻质种植土，如项目内有景观绿化覆土要求。

　　 该工程的结构分析与计算涵盖了以下关键项次^[4]:1)弹性时程分析;2)罕遇地震下的弹塑性静力分析;3)屋面桁架系统构件验算。以此三点确保钢框架结构+屋面桁架-吊柱体系安全可靠。

　　 工程选用YJK及ETABS有限元分析软件对北裙房结构进行了计算，其自振周期分析结果如表1所示，振动形态如图12所示。

　　 增加弹性时程分析作为反应谱计算的补充。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)^[5]要求，在波形的数量上，采用了上海抗震规范时程波及YJK波库中的时程波(5组天然波和2组人工合成的加速度时程波)，如表2所示。

　　 根据抗震规范条文说明，多组时程波平均曲线与反应谱法曲线在前三阶周期点均满足±20%要求，如图13所示。

　　 7条时程波作用下基底剪力及其平均值的计算结果如图14,15所示，单条地震波作用下计算的基底剪力均能满足大于振型分解反应谱法计算的基底剪力的65%，其平均值不小于0.8倍振型分解反应谱法计算的基底剪力;计算的层间位移角平均值小于规范限值1/250，满足规范要求。

　　 按照规范要求，结构地震作用效应可取7条时程波计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值^[5]，计算结果显示两个方向均不需要根据时程分析结果进行地震力调整。

　　 北裙房结构屋面高43.45m，小于50m，故采用静力时程弹塑性分析方法，验算结构在罕遇地震作用下的抗震性能是否满足结构“大震不倒”的抗震设防目标。本工程采用中国建研院开发的PUSH软件进行大震作用下结构的弹塑性分析。PUSH软件中材料的本构关系如图16所示。罕遇地震影响系数按规范取0.45，特征周期取1.1s，荷载类型选取弹性CQC地震力。北裙房首层嵌固，一般情况下针对首层以上结构进行静力推覆分析。

　　 当X向推覆力达到111 270kN时，结构达到推覆性能点，此时楼层最大层间位移角为1/87;当Y向推覆力达到111 809kN时，结构达到推覆性能点，此时楼层最大层间位移角为1/103，均满足规范对框架核心筒结构弹塑性层间位移角的1/50要求，能够满足满足大震不倒的抗震性能目标。

　　 屋面桁架斜杆及其相连的箱形截面巨柱的构件关系如图17所示，钢柱GZ1采用□1 200×1 600×100×100箱形截面，相邻一般钢柱截面尺寸采用□1 000×1 000×50×50箱形截面。其中，7层箱形柱柱顶存在较大的弯矩和轴力共同作用，受力最为不利，故应对此处的钢柱GZ1的截面承载力进行复核。本工程在中震、大震设计中考虑竖向地震作用，箱形柱设计工况组合如表3所示，本工程采用的抗震性能目标如表4所示。

　　 支撑屋面桁架的钢柱GZ1在各荷载组合下的两方向的弯矩与轴力设计包络值如表5所示。小震弹性、中震弹性的验算中，强度承载力考虑了0.75的承载力抗震调整系数，稳定承载力考虑了0.80的承载力抗震调整系数，其应力比为0.95，由大震不屈服控制。由表5可知，支承屋面桁架系统的巨柱GZ1其轴力由中震弹性控制，其弯矩由大震不屈服控制。

　　 屋面桁架系统的斜拉杆在各荷载组合下的轴力设计包络值如表6所示。斜拉杆XC1采用尺寸为800×800×60×60的工字形截面，两端按铰接设计，由于项目处于7度区，规范建议不需考虑竖向地震作用，经验算，斜拉杆XC1由重力组合控制，应力比为0.70，施工图设计时需重点关注其铰接连接节点的设计，确保连接可靠，其连接形式与计算假定相符:N/A_n=20 455×1 000/(0.85×136 800)=176N/mm²<f=250N/mm²。

　　 综上所述，屋面桁架构件承载力能够满足性能设计的要求。

　　 本工程采用钢框架+屋面桁架-悬吊结构体系，其传力路径区别于传统普通钢框架结构体系及传统纯悬吊结构体系。传统普通钢框架结构体系采用从上而下的传力路径，其地震楼层剪力在底层最大，恒载下柱内轴压力在底层最大，结构变形一般呈现剪切变形模态，其简化模型如图18(a)所示。由于首层一般采用较大开间与较高层高，传统普通钢框架结构体系的薄弱层往往位于首层。

　　 传统纯悬吊结构体系则在悬吊部分采用从下而上的传力路径，其地震楼层剪力在悬吊部分顶层最大，恒载下柱内轴拉力在顶层最大，同时在顶层将其内力传递至悬吊支承结构如核心筒处，其简化模型如图18(b)所示。由于悬吊结构顶部剪力较大，传统纯悬吊结构体系的薄弱层一般位于悬吊支承处下一层。

　　 本工程所采用的钢框架+屋面桁架-悬吊结构体系的传力路径介于以上两者之间。因本工程悬吊结构与相邻的钢框架结构体系之间不设置滑移缝，两者之间可通过梁板传递水平力，其水平地震剪力的传力路径基本与传统框架结构体系相同。如研究悬吊结构柱本身的楼层剪力，其分布规律基本与传统框架结构体系一致，但部分楼层(一般为中间楼层)悬吊柱剪力可大于相邻下一层的剪力。对于恒载下竖向传力路径则是两系统的结合，即框架部分柱轴力最大处位于底层，悬吊部分柱轴力最大处位于顶层，其简化模型如图18(c)所示。

　　 因本工程悬吊结构支承于屋面桁架处，桁架下设置巨柱支承，各层抗剪承载能力较均匀，本工程无明显薄弱层，其首层虽层高较大，但平面尺寸亦较大，且为纯钢框架体系，故首层无明显薄弱，仅需保证钢框柱柱底有效嵌固于地库顶板。屋顶层设置悬吊用桁架，且悬吊结构在地震作用下产生的水平剪力已基本通过当层梁板系统直接传递至当层框架内，顶层无明显薄弱，仅需确保桁架系统稳定及悬吊关键节点的安全。

　　 从抗剪承载力角度判断，本工程较薄弱楼层为3层。因悬吊结构停止于4层楼板，平面大收进于3层(图4)，故该层抗剪承载力较相邻上一层偏小。但因屋面桁架系统支承于截面高度1.6m的巨柱之上，相比悬吊柱截面高度仅为0.65m，该层抗剪承载力与相邻上一层之比满足规范要求，无需按薄弱层设计。

　　 同时，郭莹等^[6]通过简化模型及算例分析研究表明，自由悬挂结构体系，即本文所指传统纯悬吊结构体系的抗震性能不及有水平连接悬挂结构体系，类同本工程采用的钢框架+屋面桁架-悬吊结构体系。根据其算例分析，在相同条件下，后者顶部位移可减少为前者的1/3^[6]。

　　 综上所述，在保证桁架系统稳定及悬吊关键节点的安全、底部钢框柱柱底有效嵌固的前提下，钢框架+屋面桁架-悬吊结构体系适用于本项目，且选型合理、结构安全。

　　 (1)地基承载力限制是TOD类开发项目的结构技术瓶颈，本文提出了若干结构技术解决方案:1)选用轻质高强的结构体系;2)结构传力路径回避地基限制区;3)调整桩筏基础计算概念;4)减少工程无效附加荷载。

　　 (2)屋面桁架-悬吊结构体系属于复杂结构体系，经论证现有常规分析方法可以保证其结构安全性。

　　 (3)对工程弹性时程分析、罕遇地震下的弹塑性静力分析及屋面桁架系统构件验算进行了详细阐述，在抗震设计的性能目标方面，从3个水准上适度合理地保证转换构件的安全性;合理确定抗震性能目标并配合弹塑性静力时程分析校核是保证重要构件设计一个安全关键。