浦東市民中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：浦東市民中心為一幢大型公共建筑，雖然建筑外形簡(jiǎn)潔方正，但內(nèi)部使用功能和空間組合復(fù)雜，形成結(jié)構(gòu)多處挑空、錯(cuò)層等平面特別不規(guī)則現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，且屬超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)結(jié)構(gòu)體系的抗震不利因素和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，介紹了相應(yīng)的設(shè)計(jì)對(duì)策、運(yùn)用抗震概念設(shè)計(jì)原則對(duì)薄弱部位的加強(qiáng)措施等；同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用PKPM分析軟件建立兩種計(jì)算模型，以包絡(luò)結(jié)構(gòu)受力的不利狀況，確保了結(jié)構(gòu)的安全性和抗震性能。該項(xiàng)目2007年竣工并獲得了上海市優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)。

關(guān)鍵詞：地基； 基礎(chǔ)； 框架； 平面特別不規(guī)則； 樓板不連續(xù)； 錯(cuò)層； 超長(zhǎng)； 計(jì)算模型； 地震作用； 扭轉(zhuǎn)

中圖分類號(hào)：TU318

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0422（2009）06-0187-03

1工程概況

該項(xiàng)目位于浦東新區(qū)行政中心區(qū)域內(nèi)，基地北側(cè)為丁香路、東側(cè)為合歡路、另兩側(cè)緊鄰公共綠地和大型地下車庫(kù)，與新區(qū)辦公中心僅隔百米之遙；總用地面積7583m²，總建筑面積17731 m²。為1幢地下一層、地上三層（局部五層）的公共辦公建筑，是政府向市民和企業(yè)提供公開(kāi)、便捷、優(yōu)質(zhì)服務(wù)而開(kāi)發(fā)建設(shè)的項(xiàng)目；在建筑內(nèi)容納了公安、社保、民政、藥監(jiān)、環(huán)保、稅務(wù)等379個(gè)辦事項(xiàng)目，服務(wù)功能涵蓋：婚姻登記、法律援助、勞動(dòng)仲裁、信訪以及有關(guān)社團(tuán)組織的進(jìn)駐等，體現(xiàn)向服務(wù)性政府的轉(zhuǎn)變和陽(yáng)光政府的建設(shè)。

浦東市民中心建筑形體方正簡(jiǎn)潔，但內(nèi)部使用功能和空間組合比較復(fù)雜；入口大廳貫穿一至二層，氣勢(shì)宏大，綠化中庭貫穿了一至三層整個(gè)市民中心的公共區(qū)域，屋頂為通透的采光天棚，為辦事市民提供環(huán)境優(yōu)雅而明亮的休息場(chǎng)所；地下一層包括市民會(huì)堂、茶室餐廳和市民長(zhǎng)廊、以及設(shè)備和輔助用房等，地下一層北側(cè)與丁香路人行道之間的下沉式廣場(chǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外空間的滲透；該項(xiàng)目2007年竣工并榮獲上海市優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)，實(shí)景照片見(jiàn)圖1。

2地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

擬建場(chǎng)地為長(zhǎng)江三角洲入?？跂|南前綠濱海平原地貌類型，地形平坦，地面標(biāo)高約4.2m（吳淞高程）；場(chǎng)地內(nèi)地層分布均勻、整體穩(wěn)定性較好；淺部地下水屬潛水類型，常年平均地下水位0.5m；場(chǎng)地內(nèi)除有厚層雜填土外，未發(fā)現(xiàn)暗浜等不良地質(zhì)現(xiàn)象，在抗震設(shè)防烈度7度條件下為無(wú)地震液化土層；場(chǎng)地的主要土層組成及參數(shù)見(jiàn)表1。

該建筑的地下室南、西兩側(cè)與已建地下(人防)車庫(kù)僅間距3~5m，北、東兩側(cè)與城市道路最小間距僅5m，且地下管線分布較多，周邊鄰近范圍內(nèi)辦公樓居多；因此，樁型選用鉆孔灌注樁，以避免施工期間擠土、噪聲對(duì)周邊環(huán)境的影響；樁直徑Φ600mm、樁長(zhǎng)31m、樁端持力層為⑦2層褐黃～草黃色粉砂，單樁豎向抗壓承載力設(shè)計(jì)值為1750kN、抗拔承載力設(shè)計(jì)值為880kN，砼強(qiáng)度等級(jí)C30。

基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立承臺(tái)樁基+梁板式底板、承臺(tái)高度1300mm、板厚500mm，主要梁斷面400x1100mm；地下室外墻厚350mm；地下室的防水等級(jí)為二級(jí)，抗?jié)B等級(jí)S6，砼強(qiáng)度等級(jí)C30（防水），地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，安全等級(jí)二級(jí)。

地下室底板內(nèi)力和變形（裂縫）計(jì)算考慮地下水高水位狀況，即1.2高水位浮力-1.0恒（底板）；承壓樁數(shù)按下列工況的最不利者確定：①施工階段主體結(jié)構(gòu)已完成但短期內(nèi)可能基坑尚未回填、地下水位仍在坑底下時(shí)，即1.0恒+1.0活；②正常使用階段時(shí)，即1.2恒+1.4活-0.9低水位浮力；抗拔樁數(shù)確定按工況：1.2高水位浮力-0.9恒，部分柱下樁會(huì)交替出現(xiàn)承壓和抗拔兩種工況，則樁按抗拔樁全長(zhǎng)配筋。

地下室外側(cè)墻內(nèi)力和變形（裂縫）按地下水高水位時(shí)計(jì)算，并按水土側(cè)壓力分算，分項(xiàng)系數(shù)均取1.20；考慮地下室長(zhǎng)度81m，屬超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)，為控制砼收縮及溫度影響產(chǎn)生裂縫，水平分布鋼筋的間距≤150mm、配筋率≥0.5%（雙面計(jì)入），在有框架柱處兩側(cè)另增設(shè)Φ8@150短鋼筋，有效的控制了裂縫的產(chǎn)生。

地下室底板底標(biāo)高為-5.000m，基礎(chǔ)埋深較大，基底土的自重應(yīng)力與水壓力之和基本上能補(bǔ)償4-12軸（上部三層）區(qū)域建筑物的基底壓力、1-4軸（上部五層）區(qū)域的基底壓力較大，稍欠補(bǔ)償；從理論上講，基底附加應(yīng)力p0為零時(shí)，地基不會(huì)發(fā)生沉降變形，但實(shí)際上基底土由于開(kāi)挖后產(chǎn)生隆起回彈，加載又會(huì)產(chǎn)生再壓縮，即回彈再壓縮變形；根據(jù)理論計(jì)算，本項(xiàng)目回彈再壓縮沉降量約30mm，此值與竣工兩年來(lái)實(shí)際監(jiān)測(cè)值大致相符。

3上部結(jié)構(gòu)選型

該建筑平面長(zhǎng)度為81.9m、寬度57.4m，總高度19.5m；地下室層高4.5m，1~4軸為五層（行政區(qū)域）、各層高3.8m，4~12軸為三層（辦事區(qū)域）、一層高5.6m、二、三層高5.4m；4軸兩側(cè)形成錯(cuò)層平面；基本柱網(wǎng)1~4軸為8.1mx8.4m、其余均8.4mx8.4m。各層結(jié)構(gòu)平面見(jiàn)圖2、圖3、圖4。

主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架及梁板式樓屋面結(jié)構(gòu)體系，柱斷面為800x800~700x

700mm，框架梁一般為400x700 mm、局部400x1000mm，樓面次梁采用交叉井字梁，斷面為250x650 mm，樓屋面板厚度除首層為140mm、其余均為120mm，采用雙層雙向通長(zhǎng)配筋；內(nèi)庭屋面25.2mx33.6m透明屋頂采用不銹鋼管張弦梁結(jié)構(gòu)體系。

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年、安全等級(jí)為二級(jí)、建筑的耐火等級(jí)為一級(jí)、防水等級(jí)為一級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度7度、設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g、設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類別為上海地區(qū)Ⅳ類、設(shè)計(jì)特征周期為0.9s，建筑抗震設(shè)防類別為丙類、砼框架的抗震等級(jí)為三級(jí)、局部錯(cuò)層柱和連層柱抗震等級(jí)提高為二級(jí)；建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05。

上部結(jié)構(gòu)的砼強(qiáng)度等級(jí)均為C30，框架柱、梁采用HRB400鋼筋，樓屋面板采用HRB335鋼筋，構(gòu)件的箍筋和分布筋采用HRB235或HRB335鋼筋，框架組合梁、柱的型鋼用Q235B鋼?？蚣艿耐鈬o(hù)墻和內(nèi)隔墻均采用自重輕保溫隔熱性能良好的輕質(zhì)砂加氣混凝土砂塊，強(qiáng)度等級(jí)為Mu5.0和專用粘結(jié)劑砌筑。

4結(jié)構(gòu)體系的抗震不利因素和設(shè)計(jì)難點(diǎn)

該建筑從外表形體來(lái)看方正簡(jiǎn)潔，由于使用功能復(fù)雜，使內(nèi)部空間組合形態(tài)多變；入口大廳、中部?jī)?nèi)庭挑空、兩區(qū)域間錯(cuò)層等形成較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，按上海市《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》（DGJ08-9-2003）有關(guān)規(guī)則性準(zhǔn)則判別屬平面特別不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)，其不利因素和設(shè)計(jì)難點(diǎn)為：

4.1 建筑平面中4~7軸范圍設(shè)置了L形內(nèi)庭從首層挑空至屋面，并逐層放大、柱逐層抽除，形成二層至屋面結(jié)構(gòu)平面開(kāi)大洞，Y向有效樓板寬度小于典型樓板寬度的40%，屬樓板局部不連續(xù)。

4.2首層的入口大廳挑空兩層，造成二層結(jié)構(gòu)平面7-11軸/D-H軸的L形大洞口，Y向有效樓板寬度小于典型樓板寬度的50%，屬樓板局部不連續(xù)。

4.3建筑平面1~4軸五層辦公區(qū)域、屋面高度19.5m，4~12軸三層辦事區(qū)域、屋面高度17.0m，在4軸左右兩側(cè)形成錯(cuò)層（見(jiàn)圖5）結(jié)構(gòu)平面，使4軸框架柱形成短柱；因錯(cuò)層造成各層結(jié)構(gòu)平面均屬樓板局部不連續(xù)。

4.4 因結(jié)構(gòu)錯(cuò)層，造成4軸兩側(cè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布不均勻，根據(jù)SATWE軟件分析計(jì)算結(jié)果，第一振型中扭轉(zhuǎn)系數(shù)達(dá)0.22，第二振型為扭轉(zhuǎn)振型，表明結(jié)構(gòu)存在較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

4.5二層平面7~11軸因入口大廳挑空抽柱，在其上部的三層和屋面層形成16.8m~25.2m大跨度樓屋面區(qū)域，且二層挑空后在11軸和H軸的邊柱形成兩層連層柱，高度為11m。

4.6 建筑平面長(zhǎng)度和寬度為81.9m和57.4m，因建筑使用功能和立面美觀上要求不設(shè)置永久變形縫，兩方向均形成超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)。

5設(shè)計(jì)對(duì)策和加強(qiáng)措施

針對(duì)上述平面特別不規(guī)則狀況和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，按照抗震概念設(shè)計(jì)的原側(cè)，在設(shè)計(jì)中采取了下列相應(yīng)對(duì)策和加強(qiáng)措施，以確保結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

5.1按復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析，即采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的計(jì)算軟件（SATWE和PMSAP）作抗震分析，并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，以確保計(jì)算分析的可靠性。

5.2計(jì)算中采用彈性膜假定來(lái)模擬因開(kāi)大洞、錯(cuò)層等樓板平面內(nèi)不連續(xù)狀況，即采用符合樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度變化的計(jì)算模型，且考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。

5.3錯(cuò)層結(jié)構(gòu)造成本建筑中“層”的概念較模糊，而SATWE和PMSAP兩個(gè)軟件均是建立在“層”概念基礎(chǔ)上的力學(xué)模型，如：層剛度、層位移等均是以計(jì)算模型假定的層高計(jì)算的。因此，在抗震分析中，建立了兩種計(jì)算模型：①錯(cuò)開(kāi)的樓層均各自建入一層參與整體分析，即不歸并錯(cuò)層；自下而上共建了八層，其中最小層高僅1.2m。②考慮1~4軸五層區(qū)域的樓面面積僅為樓層總面積的20%；因此，歸并1~4軸的錯(cuò)層，以4~11軸三層區(qū)域?yàn)橹鹘?，歸并后計(jì)算模型成為五層，歸并掉的錯(cuò)層樓面荷載輸入相應(yīng)的上一層。對(duì)兩種計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并按兩者的最不利者進(jìn)行控制和抗震設(shè)計(jì)。

5.4對(duì)錯(cuò)層形成的4軸短柱，為防止地震作用下產(chǎn)生剪切脆性破壞，其抗震等級(jí)提高一級(jí)，以增大內(nèi)力調(diào)整系數(shù)提高主筋配筋率；并且沿柱全高采用井字復(fù)合箍筋、箍筋采用HRB335鋼筋，直徑12mm、間距≤100mm、箍筋肢距≤200mm，以提高柱的體積配箍率，確保柱的抗震延性。

5.5對(duì)洞口周邊的連層柱，按實(shí)際狀況復(fù)核其計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)、內(nèi)力及穩(wěn)定性，并將其抗震等級(jí)提高一級(jí)，加強(qiáng)配筋，以確保連層柱的承載力和提高其抗震性能。

5.6入口大廳上部的三層和屋面層7-11軸大跨度區(qū)域，在9軸和F軸處設(shè)置兩根相互垂直、跨度16.8m型鋼砼組合梁，作為該區(qū)域的承載主梁，梁斷面為600x1200mm，梁內(nèi)型鋼采用焊接H型鋼、規(guī)格為H900x400x10x18；同時(shí)與該兩根梁相連接的三根框架柱內(nèi)也設(shè)置構(gòu)造型鋼，即由兩根規(guī)格H400x500x12x10十字相焊組成，形成型鋼砼組合柱，以加強(qiáng)柱的剛度和承載力，保證其“強(qiáng)柱弱梁”的狀態(tài)；同時(shí)也解決了型鋼砼組合梁與柱的剛性連接可靠性，見(jiàn)圖6。

5.7為了提高結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度，減小地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，采取適當(dāng)加大周邊框架梁的斷面尺寸，梁的配筋率提高10%以上等措施。

5.8針對(duì)砼結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)，為了減少和控制因砼收縮和溫度應(yīng)力使梁板產(chǎn)生有害裂縫，設(shè)計(jì)中采取了如下措施：①結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力組合，把溫度應(yīng)力考慮到水平構(gòu)件配筋中；②樓板采取雙層雙向通長(zhǎng)配筋，全斷面配筋率雙向均≥0.5%、且≥Φ8@150，并采用變形鋼筋；③在商品砼中使用HEA微膨脹劑，并設(shè)置三條（一縱二橫）HEA微膨脹加強(qiáng)帶，以減小砼凝結(jié)硬化過(guò)程中的收縮裂縫；④對(duì)施工提出砼配合比和用料要求、以及砼養(yǎng)護(hù)的加強(qiáng)措施等。

6整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

采用SATWE和PMSAP兩種空間有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體抗震分析，主要計(jì)算參數(shù)選取如下：樓層剛度算法采用層間剪力比層間位移算法，計(jì)算振型數(shù)取15，周期折減系數(shù)0.7，考慮活荷不利布置，中梁剛度增大系數(shù)1.50，梁端彎矩調(diào)幅系數(shù)0.85，梁設(shè)計(jì)彎矩增大系數(shù)1.0，梁扭矩折減系數(shù)0.40等。

計(jì)算中分別考慮兩個(gè)主軸方向單向水平地震作用下平扭耦連的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和雙向水平地震作用的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。地下室北面外側(cè)設(shè)置下沉廣場(chǎng)而敞口，地下室頂板不符合上部結(jié)構(gòu)的嵌固端條件；因此，計(jì)算模型的嵌固端設(shè)在基礎(chǔ)底板頂面。結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

地震作用最大方向?yàn)?40度，按該方向補(bǔ)充抗震分析，層間位移角和最大層間位移與平均位移比略有增大，部分構(gòu)件內(nèi)力和配筋也略有增加。由表2、表3可知，兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果大致接近，最大層間位移角均不大于1/550，扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.50，剪重比均大于1.6%，有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，符合國(guó)家和上海市抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（程）的控制要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)選型基本合適，其抗震性能符合規(guī)定。但SATWE中由周期所反映的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性來(lái)看，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)以平扭振混合型為主，如：第一振型中扭轉(zhuǎn)成分達(dá)22%、且X、Y兩個(gè)方向振動(dòng)成分相當(dāng)，第二振型（扭轉(zhuǎn)系數(shù)73%）為扭轉(zhuǎn)振型，第一至第三振型中周期0.8772~0.8316s，僅相差5%~2%。表明結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性較差、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大，基本反映了該建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布不均勻、平面特別不規(guī)則、結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜的特征；因此，按照結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的原側(cè)，采取針對(duì)性的抗震加強(qiáng)措施是十分必要的。

7結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公共建筑使用功能綜合性越來(lái)越強(qiáng)，業(yè)主和建筑師對(duì)建筑立面的藝術(shù)造型以及內(nèi)部空間組合的要求也越來(lái)越高，造成建筑結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜化；因此，在充分研究結(jié)構(gòu)平面和立面的不規(guī)則性和結(jié)構(gòu)的薄弱部位等抗震不利因素后，運(yùn)用分析軟件建立合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，加強(qiáng)抗震分析；并按照抗震概念設(shè)計(jì)的原側(cè)，采取合理有效的設(shè)計(jì)對(duì)策、加強(qiáng)薄弱部位的抗震措施，是可以確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性和抗震性能。

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