2010年上海世博會中國館國家館結構體系

許名鑫 陳福熙 謝曙 周漢香

(華南理工大學建筑設計研究院，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)館由華南理工大學建筑設計研究院、清華大學建筑學院北京清華安地建筑設計顧問有限公司和上海建筑設計研究院有限公司組成的聯(lián)合設計團隊設計，其中結構專業(yè)設計由華南理工大學建筑設計研究院完成.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、豎向構件、基礎時取9 kN/m2.展廳位于建筑上部，結構具有出挑長、荷載重、跨度大的特點.

文中介紹了國家館結構體系的設計過程和特點，包括剪力墻、斜柱、樓蓋的結構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、內力較大處梁的做法、結構抗震設計、針對臨近地鐵這一情況的基礎設計等.

1 剪力墻

利用落地的樓電梯間設置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構構件.相鄰的兩筒體內側的距離為32.7m，筒體內共分成26層，層高多為2.7 m，作休息平臺和設備房用.為提高結構的抗震性能，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計等級為C50，圖2中陰影部分為剪力墻邊緣構件范圍，外墻連梁LL1截面一般為500 mm×800 mm.將整個Q1墻身作為邊緣構件，縱筋配筋率取為1.5%;在各混凝土筒體的轉角部位所設方鋼管的截面為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，結構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，滿足了展廳內沒有柱子的大空間建筑使用功能要求.結構的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構桁架作骨架來實現，該桁架不作主要的受力構件，但可加強斜柱的側向約束，提高結構的整體性能.

結構的剖面計算簡圖如圖4所示.

圖3 結構模型示意圖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置于混凝土筒體角部的方鋼管.計算結果表明，在豎向荷載設計值作用下，節(jié)點鋼管除局部區(qū)域壓應力(達175N/mm2)較為集中外，其余部位壓應力均在130N/mm2以內.

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，為讓33.3m標高樓蓋自相平衡的受壓來承擔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.計算結果表明，采取上述措施后，豎向荷載設計值作用下，斜柱下方墻肢的剪應力與抗壓強度設計值之比的最大值為0.064.即雖然與常規(guī)結構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.

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，所以抗側剛度較小，地震作用引起的內力較小，斜柱的內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，結構平面布置如圖6所示.圖中符號▲為剛接符號，圖中間扶梯旁的虛線框內鋼梁待施工塔吊拆除后再安裝，施工時主塔吊置于筒體內.

圖6 33.3m標高樓蓋結構平面示意圖(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灌混凝土的型鋼混凝土梁，考慮結構構件承載力、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.為提高結構抗震性能貫穿筒體在連梁內設置的型鋼截面為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，導致施加荷載后樓蓋不平整，這里以大梁的計算變形為依據，人為調整簡支、連續(xù)梁的計算起拱值使它們相對接近，以反映實際結構更強的整體變形協(xié)調的因素.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標高樓蓋結構示意如圖8所示.

圖8 41.4m標高結構示意圖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標高樓蓋結構平面布置如圖9所示，考慮結構構件承載力、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標高結構平面示意圖(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，結構平面布置如圖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，導致內力較大，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標高結構平面示意圖(單位:mm)Fig.11 Framing plan of floor at 60.3m elevation(unit:mm)

當桁架內力較大時，會在作為其支承結構的混凝土剪力墻的上下弦桿間的范圍內引起較大的剪力.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，由于栓釘的滑移效應等原因，這3片剪力墻可共同承擔該弦桿軸力.

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置φs15@500無粘結直線預應力筋.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，結構平面布置如圖12所示.

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

4 抗震設計

由于建筑造型上的需要，由下至上隨著展廳范圍的伸展，質量分布范圍增大，轉動慣量加大，給結構抗震帶來不利影響.為此加強了結構的抗側剛度以控制結構的變形，并采取了在各混凝土筒體的轉角部位設置方鋼管，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力水平，控制筒體剪力墻的軸壓比，展廳層筒體內的連梁里增設型鋼等抗震加強措施.

應用ETABS、PKPM等軟件對結構在地震作用下的彈性反應進行了計算分析，各軟件的計算結果接近.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果接近［1］.采用上海市地方標準(DGJ08-9—2003)《建筑抗震設計規(guī)程》提供的反應譜、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.

振動臺試驗結果表明該結構具有良好的抗震性能［5］.

5 基礎

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亭的用地而將部分活塞風亭移入到國家館地下室的筒體內，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，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］，適當降低了樁的承載力取值，單樁抗壓承載力設計特征值取為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，混凝土強度設計等級為C40.筒體間地下室設置抗拔樁抗浮.

6 結論

(1)國家館底部架空，展區(qū)部分層疊出挑，利用樓、電梯間設置落地的混凝土筒體，依建筑的倒梯形造型設置斜柱，為樓蓋大跨度鋼梁提供豎向支承，滿足了展廳內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更多的斜柱水平分力.計算結果表明，豎向荷載設計值作用下，斜柱下方墻肢的剪應力與抗壓強度設計值比值的最大值約為0.064.

(3)采用鉆孔灌注樁基礎，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)給出了國家館的結構布置、三根斜柱交匯處的節(jié)點做法、組合梁的起拱原則、內力較大處梁的做法等設計過程，可供同類工程設計建造時參考.

［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計可行性報告［R］.廣州:華南理工大學建筑設計研究院，2008.

［2］方小丹，韋宏，江毅，等.廣州西塔結構抗震設計［J］.建筑結構學報，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構設計［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］.華南理工大學學報:自然科學版，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］同濟大學土木工程防災國家重點實驗室.中國2010年上海世博會中國館國家館結構模型模擬地震振動臺試驗研究報告［R］.上海:同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，2008.

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