南京青奧中心會議中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析(建筑)

                   張雄迪¹，  張付奎¹，  楊  鴻²，  任慶英¹

（1中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司，北京100044；2深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，深圳510045）

[摘要]  南京青奧中心會議中心地下2層，地上6層，由于其功能多樣性，建筑空間布置、流線設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，經(jīng)比選最終采用鋼框架-中心支撐束筒結(jié)構(gòu)體系。著重介紹了該工程結(jié)構(gòu)體系的選擇過程、結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)、基于性能的抗震計(jì)算原則及方法、整體計(jì)算結(jié)果、彈塑性時(shí)程分析結(jié)果。在大量分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的超限設(shè)計(jì)措施，使得結(jié)構(gòu)能夠更好地實(shí)現(xiàn)預(yù)定的性能目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]  南京青奧中心；超限復(fù)雜高層；基于性能的抗震設(shè)計(jì)；鋼框架-中心支撐束筒

中圖分類號：TU391 文章編號：1002-848X(2016)11-0015-06

1  工程概況

    南京青奧中心工程概況，其中會議中心地上6層，建筑高度45m，建筑面積約為12

萬m²，高星級酒店和商業(yè)辦公建筑地上建筑面積約為26萬m²，包括兩棟高度分別為240m和300m的超高層建筑，會議中心實(shí)景圖見圖1。

    工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)耐久性年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0. 1g，地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防類別為乙類，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，抗震措施按8度考慮。

    南京市的基本風(fēng)壓50年和100年一遇分別為0. 40kN/m²和0. 45kN/m²。風(fēng)壓高度變化系數(shù)根據(jù)B類地面粗糙度采用。由于本項(xiàng)目外形復(fù)雜特殊，最終風(fēng)荷載按風(fēng)洞試驗(yàn)和規(guī)范取包絡(luò)值。

    擬建場地位于南京市建鄴區(qū)，原為農(nóng)田，場地較平緩。根據(jù)勘探揭露巖土層分布，結(jié)合南京市區(qū)地貌圖及南京地區(qū)工程地質(zhì)圖，擬建場區(qū)位于長江漫灘地貌單元。巖土層分布較復(fù)雜。本工程安全等級為一級，場地復(fù)雜程度為中等，地基復(fù)雜程度等級為中等，確定巖土工程勘察等級為乙級。擬建建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級，建筑抗震設(shè)防類別為乙類，基坑工程側(cè)壁安全等級為一級。通過場地剪切波速試驗(yàn)，判定該場區(qū)為Ⅲ類建筑場地，特征周期為

0. 45s。

2  結(jié)構(gòu)體系選擇

    南京青奧中心的建筑方案是由英國Zaha HadidArchitects設(shè)計(jì)，會議中心由于其功能的多樣性，建筑空間布置、流線設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。會議中心由四塊功能分區(qū)組成。首層至15m標(biāo)高為四個(gè)單體建筑，15m標(biāo)高以上四個(gè)單體建筑連接成一個(gè)整體，其相應(yīng)建筑功能見表1。21~27m標(biāo)高為建筑物的機(jī)房和內(nèi)部用房層，27m標(biāo)高以上建筑功能以小空間的會議室為主。整個(gè)建筑物的空間體量為170m×170m×45m。建筑空間布置如圖2所示。

    根據(jù)建筑功能布置，整體建筑由四個(gè)相對獨(dú)立的建筑空間組成，初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案擬采用混凝土筒體加鋼結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)體系，采用防震縫將建筑分成四個(gè)單體，如圖3所示。采用此方案的優(yōu)點(diǎn)是可以適當(dāng)?shù)毓?jié)約造價(jià)。但是隨之帶來以下問題：1）防震縫將影響外立面建筑效果，上部樓層單體間連接區(qū)域較難處理；2）單體間抗側(cè)剛度差異大，變形協(xié)調(diào)較困難，難以確定防震縫寬度；3）四個(gè)單體均存在平面不規(guī)則、高位轉(zhuǎn)換情況，均為超限建筑。

    綜合上述三個(gè)問題，改變結(jié)構(gòu)方案，采用了鋼框架-中心支撐束筒的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)建筑的空間布置，將四個(gè)單體在15m標(biāo)高以上通過結(jié)構(gòu)連接為一個(gè)整體。采用該結(jié)構(gòu)方案，有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）能夠較好地實(shí)現(xiàn)建筑外立面效果，四個(gè)單體間的復(fù)雜空間關(guān)系較容易實(shí)現(xiàn)；2）單體通過上部三層結(jié)構(gòu)層相互連接，共同承擔(dān)地震作用，增加結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度；3）結(jié)構(gòu)整體性較好，較容易實(shí)現(xiàn)建筑大空間上部的分隔及功能。

    基于上述認(rèn)識，通過與建筑專業(yè)配合，優(yōu)化分析，形成了鋼框架-中心支撐束筒的結(jié)構(gòu)體系，15m標(biāo)高以下由四個(gè)獨(dú)立的單體組成，每個(gè)獨(dú)立單元由若干個(gè)鋼結(jié)構(gòu)中心支撐電梯筒作為主要豎向受力構(gòu)件，和周邊鋼柱共同抵抗水平和豎向荷載作用，協(xié)同樓面系統(tǒng)一起給結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性提供保障。從15m標(biāo)高開始連成一體，形成平面尺寸約160m×190m的獨(dú)立建筑物，內(nèi)有會議廳、多功能廳和音樂廳組成的無柱大空間，由于各獨(dú)立單元相互連接時(shí)跨度較大，最大達(dá)50m，局部采用桁架作為連接構(gòu)件。結(jié)合建筑功能及平面布置，在多個(gè)大空間頂部設(shè)置矢高為4.5~ 6m的整體交叉桁架加強(qiáng)層，將底部四個(gè)相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元連為一體，同時(shí)實(shí)現(xiàn)27m標(biāo)高以上夾層及異形屋頂不規(guī)則柱網(wǎng)的轉(zhuǎn)換；建筑周邊及四個(gè)單體的入口處的框架柱為實(shí)現(xiàn)建筑形態(tài)采用了多折點(diǎn)斜柱形式。會議中心結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

    中心支撐束筒的鋼柱和斜撐采用H形截面，局部桿件采用箱形截面。外圍斜柱和桁架上轉(zhuǎn)換柱采用圓柱。桁架、框架梁和樓面梁采用H形截面。鋼材強(qiáng)度等級采用Q390B和Q345B。

3  結(jié)構(gòu)分析

    由于結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，導(dǎo)致本工程結(jié)構(gòu)具有較大的不規(guī)則性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）結(jié)構(gòu)上、下柱支撐不連續(xù)，存在柱轉(zhuǎn)換；2）平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長的36%；3）相鄰層質(zhì)心相差大于15%；4)樓板開洞面積大于30%；5）考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1. 4;6）存在穿層柱、斜柱。綜上所述，本工程存在構(gòu)件間斷、凹凸不規(guī)則、偏心布置、樓板不連續(xù)、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則等不規(guī)則情況，屬于體型復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)。

    針對該結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)以及不規(guī)則情況，主要采取了以下加強(qiáng)措施：1）加強(qiáng)15m標(biāo)高、21m標(biāo)高、27m標(biāo)高3層結(jié)構(gòu)的平面整體性，適當(dāng)加厚樓板，根據(jù)樓板有限元分析的結(jié)果適當(dāng)加強(qiáng)樓板配筋；2）嚴(yán)格控制束筒和轉(zhuǎn)換構(gòu)件的應(yīng)力比，對于重點(diǎn)部分的構(gòu)件和厚度大于35mm的鋼材采用高建鋼；3）加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)處剛度，保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求,4)根據(jù)抗震概念設(shè)計(jì)及大震彈塑性分析的結(jié)果對關(guān)鍵部位采取適當(dāng)構(gòu)造，對于束筒、轉(zhuǎn)換桁架的性能目標(biāo)定為“中震彈性”、“大震不屈服”，對于一般桁架、框架柱的性能目標(biāo)定為“中震不屈服”。

    本工程的主要計(jì)算程序采用了MIDAS/Gen( V795)，PMSAP( 2011. 03)軟件，計(jì)算時(shí)假定彈性樓板，考慮樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度。結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下阻尼比取值為0. 02，罕遇地震作用下阻尼比取值為0. 05。由于會議中心的結(jié)構(gòu)體型巨大，且沒有任何伸縮縫，在計(jì)算中考慮了溫度變化導(dǎo)致的附加應(yīng)力對已建成結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)南京氣象資料取施工合攏溫差為±25℃。

3.1結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果

    表2為結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果。通過對比分析可知MIDAS/Gen及PMSAP兩種軟件分析的各項(xiàng)指標(biāo)一致且有相同規(guī)律。各種計(jì)算結(jié)果表明，地震作用是結(jié)構(gòu)的控制因素，風(fēng)荷載不起控制作用。從線彈性分析結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)具有合適的剛度，滿足各種工況下的計(jì)算要求。對比兩種計(jì)算軟件分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)譜及時(shí)程分析結(jié)果具有一致性和規(guī)律性，符合工程經(jīng)驗(yàn)及力學(xué)概念所做的判斷。結(jié)構(gòu)是合理及滿足要求的。

3.2結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比偏大的分析

    會議中心在3層以下，結(jié)構(gòu)為四個(gè)獨(dú)立的單體，因此在3層中，程序提取的最大水平位移與平均位移比是失真的。當(dāng)3層以上結(jié)構(gòu)連接為一個(gè)整體以  后，結(jié)構(gòu)的最大水平位移與平均位移比都小于1.4．見圖5(a)，能夠滿足規(guī)范的限值要求。最大層間位移與平均層間位移比值，見圖5(b)，其超限的主要原因是由于本工程周邊都是斜柱而且斜度都比較大，程序提取的扭轉(zhuǎn)位移比往往位于樓板邊角部（斜柱處），從而導(dǎo)致了每層的比值都比較大。通過提取查看束筒的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比，可以發(fā)現(xiàn)其都是能夠滿足規(guī)范要求的。

  3.3樓板應(yīng)力分析

    由于本工程存在大量樓板不連續(xù)，并且在15m標(biāo)高、21m標(biāo)高、27m標(biāo)高這3層既是四個(gè)單體的連接層，又是轉(zhuǎn)換層，因此需對該3層進(jìn)行小震和中震下的樓板應(yīng)力進(jìn)行分析，考察樓板在地震作用下的受力情況。

    由圖6可以看出，在小震和中震作用下，除樓板在其與電梯筒交點(diǎn)處由于剛度較大而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象造成應(yīng)力值異常外，各樓層樓板的最大應(yīng)力基本未超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，樓板保持彈性狀態(tài)，兩核心筒間的樓板也沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力異常，可以滿足既定的“中震彈性”的設(shè)防目標(biāo)要求。在滿足“中震彈性”的情況下，通過適當(dāng)?shù)臉?gòu)造加強(qiáng)，增加樓板在大震作用下的抗裂性能。

4  非線性地震反應(yīng)分析與抗震性能評價(jià)

    為進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)分析，利用MIDAS/Gen建立了南京青奧中心會議中心的三維非線性結(jié)構(gòu)整體分析模型。對梁、柱、斜撐等構(gòu)件采用集中鉸模型；梁單元兩端設(shè)置MM塑性鉸；柱斜撐單元設(shè)置PMM鉸。鋼材采用Kinematic hardening（隨動(dòng)強(qiáng)化型）滯回模型。

    將從構(gòu)件塑性變形與塑性變形限值的大小關(guān)系、關(guān)鍵部位的關(guān)鍵構(gòu)件塑性變形情況對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評估，以保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用過程中有能力承受豎向地震作用和重力荷載，以及保證地震作用結(jié)束后結(jié)構(gòu)仍有能力承受作用在結(jié)構(gòu)上的重力荷載，從而保證結(jié)構(gòu)不因局部構(gòu)件的破壞而產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞或倒塌。

    分別輸入沿X向?yàn)橹鞯牡卣鸩ê螅�人工波、天然�?/font>1、天然波2作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1/340，1/349，1/257，平均值為1/309，均遠(yuǎn)小于1/50的規(guī)范限值。分別輸入沿1，向?yàn)橹鞯牡卣鸩ê螅�人工波、天然�?/font>1、天然波2作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1/236，1/247，1/292，平均值為1/256，也均遠(yuǎn)小于1/50的規(guī)范限值。結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的基底剪力見表3。