上海新洲大楼结构选型与设计分析
1 工程概述
建筑师在造型与空间上的不断创新对结构设计提出越来越多的挑战[1,2,3,4,5], 新洲大楼位于上海市新兴技术开发区内, 西临虹梅路中环线, 东临漕河泾公园, 南临田林路, 地下1层, 地上6层, 地上部分的建筑外观仿佛一艘立于两个基座上的大船, 整个“船身”长168m, 宽约27m, 两基座中部跨度达50.4m, 两端悬挑达16.8m, 整个建筑总高度36m, 总建筑面积31 895m2, 整个建筑设计富有创意, 宛如一座大型的城市雕塑, 与周围环境相协调, 建筑效果如图1所示。
图1 新洲大楼建筑效果图
新洲大楼建筑空间安排上具有如下特点:1) 外部空间安排上, 通过把首层大面积架空实现了建筑底层与周围道路、公园之间大气开放的共享空间, 也建立起了城市交通主干线与附近公园之间的视觉联系;2) 内部功能布置上, 在第3层设置了一整层内部无柱的展厅空间, 并在展厅空间的中部布置了一个527m2的中庭, 有效地加强了各层之间的开放性与视觉联系, 并改善了内部采光;3) 立面视觉表现上, 第3~6层办公展示区采用玻璃幕墙立面, 大底座为清水混凝土, 轻巧通透的玻璃幕墙与干净纯粹的清水混凝土饰面相结合, 形成了虚实对照的立面感觉。
2 结构体系与设计参数
2.1 结构体系和布置设计思路
新洲大楼的主要建筑创意是通过把底部大体量架空以实现建筑空间与环境的结合, 通过无柱空间与内部中庭以实现建筑空间使用上的开放性与舒适性, 为此通过构筑混凝土大底座转换层和悬挂钢框架等结构形式以实现“底层抬高”与“第3层内部无柱”的建筑要求。
新洲大楼底层两个核心筒落地, 两个核心筒间的跨度为50.4m, 两端悬挑为16.8m, 且采用清水混凝土立面, 结构设计上将底部, 即第1~2层 (0~12.70m标高范围) 构筑为一个混凝土大底座结构层, 该结构层承担了其上部传来的所有竖向荷载并实现了建筑底部架空的要求:其中首层落地的南、北两底座作为主要支承结构, 每一底座由竖直贯通到顶部的内核心筒剪力墙与四面倾斜的外筒墙体组成, 内、外筒墙体之间通过现浇混凝土梁板连接;第2层的三弦折板桁架作为转换层, 将12.70m标高以上的结构荷载传至首层底座, 并实现大跨度、大悬挑的建筑造型要求 (图2) 。
图2 第1~2层混凝土大底座结构示意图
为实现“第3层内部无柱”的功能要求, 结构设计上采用吊柱将第4~6层的楼面结构悬挂于屋顶钢桁架上, 屋顶钢桁架与两端的格构钢柱形成一个刚度很大的悬挂钢框架结构 (图3) , 各榀悬挂框架通过纵向框架梁与两内筒剪力墙彼此相连, 共同组成钢框架-剪力墙结构, 将荷载最终传递给混凝土大底座转换层[6]。
图3 悬挂钢框架结构示意图
新洲大楼的结构体系为大底座转换钢框架剪力墙结构。竖向荷载的传力路径为:第4~6层的楼面荷载通过屋顶钢桁架传给两端的双肢钢框架柱, 经由第2层三弦折板桁架传给首层南、北两底座, 最后传至基础。水平抗侧力体系主要由南、北两底座及基础到顶的核心筒剪力墙、三弦折板桁架、悬挂钢框架等组成, 其中大部分水平荷载由两底座及内部核心筒剪力墙承担。
新洲大楼结构体系复杂, 存在大量斜向混凝土构件, 为此用Revit软件建立了整个建筑的BIM模型进行辅助设计 (图4) 。
图4 新洲大楼整体BIM模型
2.2 设计参数的选取
本工程抗震设防烈度为7度, 基本地震加速度为0.1g, 设计地震分组为第一组, 场地类别为上海Ⅳ类, 特征周期为0.9s。结构设计安全等级为二级, 抗震设防类别为丙类。抗震等级:钢框架为三级, 钢筋混凝土剪力墙为一级。基本风压按100年重现期取0.6k N/m2, 地面粗糙度为B类, 本工程考虑温差为+20, -20℃的工况。
3 新洲大楼结构各部分构成与基础设计
新洲大楼的主体结构从下至上可以分为如下部分:桩基与筏板、地下室、南北底座、三弦折板桁架层、钢框架、核心筒剪力墙、屋顶钢桁架 (图5) 。
图5 新洲大楼的结构构成
本工程基础采用变厚度桩筏承台, 筏板顶面标高为-5.7m, 主要分为南、北底座区域 (厚筏板) 与纯地下室区域 (薄筏板) 两大类:厚筏板主要承受两底座传来的上部主要竖向荷载, 厚度为1.6m, 在厚筏板四周2m宽范围设置了两道台阶式变截面筏板, 分别将筏板厚度由1.6m过渡为1.1m, 再由1.1m过渡为0.6m, 以避免筏板厚度突变产生的应力集中;纯地下室区域的筏板厚度为0.60m, 有柱处局部筏板厚度为0.90m。厚筏板处桩基采用桩长45m的PHC600管桩, 持力层为 (5) 2-3粉砂层, 桩基布置尽量集中在基座外侧落地剪力墙冲切范围以内, 并使基座荷载中心与该区域桩心重合 (图6) 。薄筏板处桩基采用桩长30m的PHC500管桩, 持力层为 (5) 2-2含黏性土的粉砂层, 该部分桩主要布置在地下室柱与外墙下, 以抗拔为主。
地下室东西长51m, 南北长214m, 层高为5.7m, 主要柱网为8.4m×8.4m, 地下室顶面采用梁板结构, 顶板厚度为250mm, 主梁的截面尺寸为500mm×750mm。经过计算, 南、北两底座相关范围地下1层的侧向刚度与首层的侧向刚度之比大于2.0, 地下室顶板可作为上部结构的嵌固端。为减小混凝土收缩与温度应力的影响, 采取以下措施:1) 设计地下室梁板时采用±10℃的温差进行计算, 对基座周边区域的梁板加大配筋量, 并采用通长配筋形式;2) 采用低水化热水泥, 优化混凝土配合比, 并加入适当的添加剂;3) 加密后浇带设置间距, 并推迟后浇带闭合时间;4) 要求施工加强混凝土养护保湿工作。
图6 北基座区域的桩基布置图
4 第1~2层大底座结构转换层的设计
大底座结构转换层是整个结构体系中承上启下的最重要的部分, 共包括两大部分:第一部分是首层的南、北两底座结构;第二部分是第2层的钢骨混凝土三弦折板桁架结构。大底座转换层的结构形式和箱形桥梁相似, 三弦折板桁架以南、北两底座作为桥墩支座, 承担着上部楼层的竖向荷载并实现底部50.4m架空与两端16.8m悬挑的建筑造型[7] (图7) 。
图7 大底座结构转换层剖面图
4.1 南、北两底座结构设计
首层的南、北两底座均由内筒、外筒组成 (图8) :内筒由基础一直贯通至31.2m标高处, 其为整个结构提供抗侧刚度并为屋顶桁架提供部分支承, 也是整个建筑垂直交通及公用管线的井道所在;外筒由基础延伸至8.2m标高, 其中从基础至-0.1m标高的地下室范围内由四面直墙围合而成, 从-0.1m标高至7.2m标高是由四面向外倾斜的墙体所构成的漏斗形筒墙 (图9) , 其主要承担三弦折板桁架传来的竖向荷载并提供底部抗侧刚度, 也是整个建筑清水混凝土立面效果与斜墙造型所在。
图8 混凝土底座结构示意图
图9 南、北底座结构及内部钢骨示意图
整个底座体量大并含大量斜墙 (最大倾角达52°) , 结构受力复杂, 为此设计上采用了如下加强措施:1) 在每个外筒斜墙的关键传力路径上设置了12个1m×1m的斜柱作为边缘构件, 并在各个斜柱内设置了劲性钢骨, 其与三弦折板桁架下弦杆钢骨相连接, 在外筒墙内部形成一个钢骨框架 (图9 (c) 阴影区域) , 既增强了外筒的承载力、抗侧刚度与延性, 又保证了关键部位处力的可靠传递;2) 内外筒之间的梁板等联系构件均按考虑轴力影响的拉弯或压弯构件设计, 通过加强底座内外筒间的连接来提高外筒斜墙的稳定性与整个底座的整体性;3) 在-0.8~-0.1m标高外筒墙由直变斜的区域设置了各200mm厚的双层地下室顶板, 加强在传力变化部位的侧向刚度;4) 从严控制底座处剪力墙轴压比、抗震等级, 加设约束边缘构件并增加分布钢筋的配筋率, 提高底座的安全储备。
4.2 三弦折板桁架结构转换层的设计
第2层的三弦折板桁架结构转换层的主要功能是将上部第3~6层的竖向荷载传递至下部底座, 是由两榀混凝土三弦折板桁架、四面外侧板、八组横隔墙以及两榀桁架上下弦平面之间的梁板等构件组成的一个整体刚度很大的结构转换层 (图10) 。
图1 0 三弦折板桁架结构转换层示意图
4.2.1 混凝土三弦折板桁架
上部竖向荷载转换的功能主要由两榀混凝土三弦折板桁架实现, 三弦折板桁架主体为倒三角立体桁架, 两榀桁架之间的弦杆通过混凝土梁板连接, 其剖面及三维示意如图11所示。
三弦转换桁架的弦杆受力以轴力为主, 从表1中可以看到竖向荷载与温度荷载为主要控制荷载, 弦杆的外形按建筑对外轮廓的要求采用梯形截面 (图12) , 各弦杆内均设置了贯通的钢骨, 既保证整个三弦折板桁架层的强度与延性, 又为其复杂的混凝土施工提供必要的骨架支撑平台。
三弦折板桁架斜腹板为上大下小的混凝土斜板, 既承受轴力又有斜板平面内、外两个方向的弯矩作用, 最大应力区域集中在根部。在设计构造方面采用以下措施:1) 对斜腹板平面内、外的两个方向均按拉弯或压弯构件进行计算, 墙体两侧的钢筋取其包络值;2) 在沿腹板的两条斜边上设置了两个暗柱区域, 并在其中设置了通长钢骨与弦杆钢骨相连, 保证两者之间力的可靠传递;3) 在腹板根部应力最大的根部区域附加一段钢骨进行局部加强。斜腹板如图13~15所示。
图1 1 三弦折板桁架剖面及三维示意图
图1 2 三弦折板桁架弦杆截面详图
图1 3 三弦折板桁架斜腹板钢骨及配筋三维示意图
图1 4 三弦折板桁架斜腹板立面图
图1 5 三弦折板桁架斜腹板平面图
三弦折板桁架弦杆在主要工况下的最大轴力/kN表1
4.2.2 外侧板
三弦折板桁架结构转换层的外侧板分两类:1) 南、北面的纵向侧板CB-A与CB-B, 其平面投影长168m, 板厚为250mm;2) 东、西面的端部侧板CB-C, 其平面投影长16.8m, 板厚为150mm。外侧板布置及立面如图16, 17所示。
图1 6 外侧板立面示意图
图1 7 三弦折板桁架外侧板平面布置图
南、北面的纵向侧板, 其上端连接三弦折板桁架的外侧上弦杆, 下端连接三弦折板桁架的下弦杆, 上下弦杆通过外侧板与斜腹板变形协调, 在竖向荷载作用下两基座支点区域侧板的上部与跨中区域的侧板下部分别出现受拉与受压应力的峰值, 其受力特性类似两端悬挑的单跨连续深梁。为此纵向的外侧板按连续深梁的构造要求进行配筋, 在支座端与跨中端附加水平分布钢筋承受纵向拉应力, 在支座端附加竖向分布钢筋承受竖向压应力。
东、西面的端部侧板, 为四边支承于五道横梁与两道斜向下弦杆上的斜底板, 因其倾斜角度较大, 受力以弯曲应力为主, 按一般多跨连续的楼板进行配筋, 考虑到斜板承受部分轴力, 对其采用双层双向连续对称配筋。
4.2.3 刚性横隔墙
三弦折板桁架与南、北两底座之间联系如同箱形桥梁与桥墩, 为增强两者之间的连接并提高三弦折板桁架的抗扭刚度, 在每榀桁架与内核心筒相连的部位共设置了八组刚性横隔墙 (图18) 。横隔墙厚度为450mm, 为倒梯形立面, 在墙体四周设置边缘构件, 并在顶部内置钢骨与三弦折板桁架的两道上弦杆内钢骨相连接闭合。
图1 8 三弦折板桁架刚性横隔墙示意图
5 第3~6层钢框架-剪力墙的结构设计
5.1 钢框架与剪力墙在地震作用下的受力分配
新洲大楼第3~6层主要是由钢框架与南、北核心筒剪力墙组成 (图19) 。经计算, 在多遇地震作用下, 悬挂钢框架承担的倾覆力矩占总弯矩的9.3% (纵向) , 12.4% (横向) , 承担的地震剪力占总剪力的5.9% (纵向) , 6.3% (横向) 。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) [8] (简称高规) 第8.1.3条第2款, 本结构第3层以上的结构体系为钢框架-剪力墙体系, 主要的抗侧力体系是核心筒剪力墙, 对本结构的位移控制按照钢筋混凝土剪力墙体系进行从严控制。
图1 9 第3~6层钢框架剪力墙BIM模型
5.2 悬挂钢框架
悬挂钢框架为传力明确的纵横向框架, 主受力的横向框架共22榀, 两榀间柱距为8.4m, 屋顶横向桁架的跨度为21~31m, 第4~6层的楼层荷载通过吊柱作用于屋盖桁架 (图20) , 再经由桁架两端的钢格构柱传递到转换桁架层, 悬挂钢框架的横向简图如图21所示。
图2 0 屋顶纵横向钢桁架体系
图2 1 单跨悬挂钢框架结构横向平面简图
悬挂钢框架结构在设计上有以下特点:1) 所有桁架杆件与柱截面均采用一定模数的焊接箱形截面, 在兼顾建筑美观的基础上也增强了构件的承载力与抗扭刚度;2) 承受主要荷载的钢框架柱采用双肢钢管柱加平腹杆的格构柱形式, 有效地提高了悬挂框架的安全度与稳定性;3) 连接各榀格构柱的纵向框架梁采用平行的双梁与格构柱的双肢进行有效连接 (图22) , 提高了框架的纵向刚度并有效地避免了双肢柱平面外屈曲;4) 在屋顶桁架的上下弦层分别设置了平面支撑以增强刚度, 并设置了两道纵向桁架以保证整个屋顶桁架体系的稳定性;5) 内部钢吊柱与楼层钢梁采用销轴连接以减小其次弯矩影响, 双肢格构钢柱柱脚与三弦折板桁架上弦杆内的钢骨刚接以保证竖向荷载的可靠传递。
5.3 重要节点分析与构造
对于悬挂钢框架, 选取其中受力最大的格构柱顶支座节点 (节点1) 与顶层桁架吊柱连接节点 (节点2) 进行了有限元分析, 所选节点的位置如图23所示。节点1、节点2的有限元分析结果如图24所示, 从结果可以看出节点的受力与变形能满足要求, 在两斜杆交汇节点处有应力集中, 但其峰值也在材料设计强度范围之内, 设计中对应力偏大的部位进行了节点板件的加强, 增设了加劲板, 并对应力集中的部位进行了平滑处理, 如图25, 26所示。
图2 2 双肢平腹杆格构柱及纵向框架双梁示意图
图2 3 悬挂钢框架重要节点平面布置图
图2 4 节点有限元分析结果图/MPa
图2 5 节点1构造详图
图2 6 节点2构造详图
6 新洲大楼的整体结构指标
新洲大楼分析设计采用了YJK和ETABS两种软件进行线弹性分析设计, 计算模型见图27。
图2 7 新洲大楼YJK和ETABS三维计算模型
6.1 模态分析结果
采用Ritz向量法对结构进行了模态分析, 表2列出了YJK和ETABS两种软件计算的前8阶周期与振型, 并列出每阶振型相关的平动系数。
两种软件求出的振型与周期基本一致, 第1平动周期与第1扭转周期的比值均小于0.85;结构前3阶振型均分别为整体的Y向平动、X向平动与扭转;从第4阶开始, 结构以竖向振动为主。这说明本结构布置合理、整体性好, 值得注意的是大悬挑与大跨度产生的结构竖向振动不可忽略。
表2 两种软件结构的周期和振型对比
6.2 多遇地震下结构的反应谱分析
新洲大楼按规范要求进行了多遇地震作用下的反应谱分析[9], 主要指标分析结果见表3。
表3 多遇地震作用下反应谱分析的主要计算指标
6.3 结构规则性判定
根据结构在多遇地震下的弹性分析结果, 按《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) [10] (简称抗规) 和高规的要求, 对新洲大楼结构体系的规则性情况进行判断如表4所示。
表4 新洲大楼规则性判定
新洲大楼于2017年6月23日完成了竣工验收, 经过历时2年多的建设, 在多方的共同努力与通力合作下, 本建筑以很高的完成度矗立于上海中环一侧, 成为当地的地标建筑。施工中及完工后的新洲大楼实景见图28, 29。
图2 8 新洲大楼施工过程中的实景
图2 9 新洲大楼竣工完成后的实景
7 结论
(1) 新洲大楼通过构筑底部混凝土三弦折板桁架及屋顶悬挂钢桁架这两个转换结构, 满足了建筑造型与空间的要求, 实践表明该结构体系具有较高的承载力与较好的抗震性能, 适用于有首层架空以及大跨度、大悬挑要求建筑物的结构选型。
(2) 对桩筏基础、地下室、南北两底座、三弦折板桁架、悬挂钢框架等各部分结构设计进行了详细的介绍, 分析表明整个结构传力路径明确、整体性好、受力性能良好, 结构的强度、变形与主要指标均满足规范要求。
(3) 第1~2层的南、北两底座与三弦折板桁架等部分存在大量受力复杂、造型特殊的混凝土构件, 通过BIM技术可以实现其精确建模, 通过在关键部位设置钢骨既可提高此类构件的承载力与延性, 也便于上部悬挂钢框架与下部三弦折板桁架的连接, 又为混凝土支模与浇筑提供了前期定位的平台, 实践表明在此类异形复杂的混凝土结构中内置钢骨是一种很好的选择。
(4) 第3~6层的悬挂钢框架主要由格构钢柱与屋顶钢桁架组成, 通过采用在屋顶桁架结构的上下弦设置横向与纵向支撑、纵向设双梁与格构柱双肢钢管连接等措施, 在兼顾建筑美观与使用要求的基础上也增强了悬挂钢框架的刚度与稳定性, 其设计思路与构造对于多层悬挂结构设计是一种很好的参考与借鉴。
[2]花炳灿, 朱江, 吴云缓, 等.上海证大喜马拉雅艺术中心结构设计[J].建筑结构, 2009, 39 (S1) :225-229.
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[4]卫文, 陈星, 李鹏, 等.中广核大厦结构设计[J].建筑结构, 2013, 43 (16) :73-77.
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[7] 邱鹏, 汪崖, 汪锋.大跨度钢骨混凝土船形转换结构的设计实践[C]//第十六届空间结构学术会议论文集.杭州, 2016.
[8]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3—2010[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.
[9]邱鹏, 汪崖, 汪锋.上海新洲大楼抗震性能设计[J].建筑结构, 2018, 48 (5) :38-42.
[10] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.
[11] 漕河泾新洲大楼结构设计超限审查报告[R].上海:施莱希工程设计咨询有限公司, 上海市机电设计研究院有限公司, 2013.
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