上海張江科學會堂結構選型及設計

方義慶，包聯(lián)進，陳建興

(華東建筑設計研究總院， 上海 200002)

1 工程概況

上海張江科學會堂[1]位于上海浦東新區(qū)張江中區(qū)41-07地塊，西鄰哥白尼路，南靠?？坡?，北臨川楊河。建筑外立面沿高度螺旋式上升(圖1)，建筑高度50.0m，結構高度46.9m，平面尺寸約為220m×146m，最大跨度68m，地上6層，地下2層，1～6層層高分別為17，5.76，5.76，4.4，7.68，4.94m；地下2層、地下1層層高分別為5.5，6.5m。上海張江科學會堂定位是面向國際的科技論壇、交流、會務、展示的活動場所，體現(xiàn)科學會堂的儀式感，標志性與顯示度。功能以會議為主，兼顧與會議有關的展覽展示、演示、發(fā)布、宴會等功能(圖2)。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑功能區(qū)布置

上海張江科學會堂結構具有以下特點：1)為超長鋼結構，地上平面尺寸約為220m×146m，不設置結構縫；2)平面不規(guī)則，2層以上平面呈“凹”形；3)大跨度、大懸挑，主會場最大跨度為68m；4)局部錯層、夾層；5)使用活荷載大，主會場使用活荷載為15kN/m2，多功能廳使用活荷載為5kN/m2，屋面層存在較大范圍300～600mm厚覆土；6)結構豎向?qū)痈咦兓螅讓訉痈?7.0m，其他層層高為4.9～7.7m；7)建筑形體復雜，外立面沿高度螺旋式上升；8)豎向構件不連續(xù)，大跨度轉(zhuǎn)換桁架托柱轉(zhuǎn)換。本項目抗震設防烈度為7度，地震作用加速度峰值為0.10g，場地特征周期為0.90s，抗震設防類別為乙類。50年一遇風荷載為0.55kN/m2，地面粗糙度類別為C類。結構安全等級為二級，其中大跨度轉(zhuǎn)換桁架及相鄰的轉(zhuǎn)換柱的重要性系數(shù)為1.1，其他構件重要性系數(shù)為1.0。

2 結構選型

考慮到上海張江科學會堂項目建筑形體復雜，且具有多項抗震不規(guī)則項、超長不設置結構縫、質(zhì)心偏置、大跨度結構、局部大懸挑、大跨度轉(zhuǎn)換結構等特點，本工程采用鋼框架-屈曲約束支撐結構體系，并同時采用黏滯阻尼器減震系統(tǒng)。黏滯阻尼器可提供附加阻尼，消耗輸入結構的地震能量，可避免側(cè)向剛度過大，解決溫度作用下超長結構內(nèi)力大的問題。屈曲約束支撐(BRB)的合理布置可以提供一定的側(cè)向剛度，使得結構剛心與質(zhì)心盡可能重合，以減小整體結構的扭轉(zhuǎn)；同時可減小框架結構承擔的地震力，提高結構的抗側(cè)效率；屈曲約束支撐在中震、大震作用下屈服后參與耗能減震，有利于提高整體結構的抗震性能。該結構體系適合于存在多項抗震不規(guī)則項、對抗震性能要求高的復雜建筑結構。

此外鋼框架-屈曲約束支撐結構體系與鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻結構體系相比，可避免大跨度鋼桁架與混凝土剪力墻連接帶來的型鋼與鋼筋相碰等問題，大跨度鋼桁架與鋼柱連接相對簡單，性能可靠[2]。

3 結構體系及布置

3.1 結構體系

主體結構采用鋼框架-屈曲約束支撐結構體系，并同時采用黏滯阻尼器減震系統(tǒng)，主會場、多功能廳等大跨度無柱空間采用鋼桁架結構體系，結構整體模型見圖3。

圖3 結構整體模型

鋼框架和屈曲約束支撐形成了雙重抗側(cè)力體系以抵抗水平荷載(風荷載、地震作用)的作用；同時結構采用了黏滯阻尼器，利用其在地震作用下耗散地震能量，以減小結構構件在地震作用下的受力。

豎向承重結構體系由樓面系統(tǒng)(樓板、樓面鋼梁)、大跨度桁架(轉(zhuǎn)換桁架、懸挑桁架)、框架柱共同組成。傳力路徑為：樓面系統(tǒng)→大跨度桁架→框架柱→基礎。2層結構平面布置見圖4。

圖4 2層結構平面布置圖

3.2 框架

3.2.1 框架柱布置

首層框架柱、轉(zhuǎn)換柱、支撐、黏滯阻尼器的布置見圖5。受首層主會場及入口廣場等大跨度無柱空間的影響，框架柱及支撐僅能在主會場周邊、垂直交通(電梯、樓梯間)等位置布置。

主會場兩側(cè)共計4個轉(zhuǎn)換柱，與其他豎向構件共同支撐主會場上部結構。因主會場上方兩側(cè)分別疊加了多功能廳2和辦公等空間，該空間的柱無法落至首層，需要在主會場頂部轉(zhuǎn)換，結構設計時利用建筑立面布置了跨層的托柱轉(zhuǎn)換桁架1和轉(zhuǎn)換桁架2，兩榀轉(zhuǎn)換桁架兩端與圖5所示的轉(zhuǎn)換柱連接。

圖5 首層豎向構件布置圖

多功能廳2下方為敞開的廣場空間，無法布置結構構件，結構設計時結合垂直交通(電梯、樓梯間)和機電用房、輔助用房等隔墻位置，在筒體4～7位置布置框架柱。

3.2.2 截面形式

框架柱采用箱形截面鋼柱，鋼材等級Q345B，其中與大跨度鋼桁架連接的4根框架柱采用鋼管混凝土柱，混凝土強度等級為C60，鋼材等級Q390C。樓面鋼梁采用H形截面，鋼材等級Q345B。

3.3 支撐及阻尼器布置

主會場的南側(cè)位置為6層會議和辦公空間，該位置的高度和樓層累計質(zhì)量大于其他位置，存在明顯的質(zhì)心偏置，因此在筒體1、筒體2、筒體3位置布置支撐和阻尼器，以提供抗側(cè)剛度。

在多功能廳2位置，考慮到抗側(cè)剛度對稱性，在筒體4～7位置布置支撐和阻尼器。

結合垂直交通(電梯、樓梯間)和機電用房、輔助用房等的隔墻位置，在部分框架柱之間布置屈曲約束支撐(BRB)、普通鋼支撐(BR)、黏滯阻尼器(VCD)，見圖5。

3.4 大跨度桁架

3.4.1 轉(zhuǎn)換桁架

首層主會場上方為2層至屋面的樓層，如圖6所示，粗虛線范圍為首層主會場頂，陰影范圍為2層至屋面的樓層。為避免影響主會場大跨度無柱空間的使用，同時考慮滿足主會場凈高的要求，結合外立面，結構采用巨型桁架轉(zhuǎn)換。主會場上方轉(zhuǎn)換桁架布置示意圖見圖7。

圖6 轉(zhuǎn)換桁架及主會場平面位置示意圖

圖7 主會場上方轉(zhuǎn)換桁架布置示意圖

3.4.2 主會場屋蓋桁架

主會場及多功能廳為大跨度無柱空間，其中主會場跨度為68m，多功能廳1的跨度為48m。

為提高桁架的效率和減輕屋蓋面層的重量，結合屋面的找坡方向和坡度(3%)，主會場大跨度桁架采用變高度的桁架，桁架兩端高3.3m，中間高4.3m。主會場桁架立面布置見圖8。主會場屋蓋大跨度桁架三維示意圖見圖7(b)。

圖8 主會場屋蓋大跨度桁架布置示意圖

3.5 消能減震

項目采用屈曲約束支撐與黏滯阻尼器相結合的混合消能減震技術。屈曲約束支撐屈服承載力為1 600kN，極限承載力為3 000kN；黏滯阻尼器阻尼系數(shù)為200kN/(mm/s)0.3，阻尼指數(shù)為0.3，最大阻尼力為2 000kN。

屈曲約束支撐(BRB)在本工程中的主要作用為：1)調(diào)整結構側(cè)向剛度中心，使得結構剛度中心與質(zhì)心盡量重合，以減小結構扭轉(zhuǎn)效應；2)在中震、大震作用下屈曲約束支撐(BRB)屈服后參與耗能，在強震時有更強和更穩(wěn)定的能量耗散能力，彌補黏滯阻尼器在大震作用下減震效果較差的不足；3)屈曲約束支撐可以消除傳統(tǒng)中心支撐框架中支撐屈曲問題，屈曲約束支撐的受壓性能與受拉性能相同，可顯著降低支撐的截面尺寸和用鋼量；4)避免普通支撐屈曲后對框架梁的不利作用。

黏滯阻尼器在本工程中的主要作用為：1)在小震、中震、大震作用下均參與耗散地震能量，減小結構的地震響應；2)黏滯阻尼器為速度型的消能減震裝置，不提供靜剛度，不會增加結構的抗側(cè)剛度，有助于減小超長結構在溫度作用下的響應。

4 結構整體性能指標

結構計算主要采用ETABS軟件，其中梁、柱、支撐采用桿單元模擬，墻體采用殼單元模擬，樓板采用膜單元模擬，阻尼器單元采用Maxwell模型模擬。

4.1 模態(tài)分析

計算得到的結構前3階周期分別為2.11s(X向平動)、1.80s(Y向平動)、1.38s(扭轉(zhuǎn))，表明結構兩個主軸方向的動力特性相近，扭轉(zhuǎn)振型周期與平動周期之比小于0.90，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[3](簡稱抗規(guī))的要求。

4.2 層間位移角

圖9為在風荷載和地震作用下的樓層最大層間位移角，地震作用下的計算采用考慮黏滯阻尼器非線性的彈性時程分析方法，選擇了《建筑抗震設計規(guī)程》(DBJ 08-9—2013)[4]中的5組人工地震波及2組天然地震波。由圖9可以看出，所有樓層在地震作用和風荷載作用下的最大層間位移角均小于1/250，滿足抗規(guī)及《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ 99—2015)[5]要求。底層最大層間位移角(7組波的平均值)約1/433，地震作用下最大層間位移角大于風荷載作用下的。

圖9 最大層間位移角

4.3 扭轉(zhuǎn)位移比

4.3.1 規(guī)范方法(規(guī)定水平力法)

采用ETABS軟件計算得出，結構在考慮偶然偏心的規(guī)定水平力作用下X向扭轉(zhuǎn)位移比為1.13，Y向扭轉(zhuǎn)位移比為1.39；Y向扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，但不大于1.4，結構存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，但不是特別不規(guī)則。

4.3.2 考慮黏滯阻尼器影響的彈性時程分析法

黏滯阻尼器在地震作用下具有動剛度，為了考慮黏滯阻尼器的影響，采用彈性時程分析方法作為補充方法以評價結構扭轉(zhuǎn)位移比。

圖10為小震彈性時程下2層樓蓋水平位移時程的曲線，其中MAX表示該樓層豎向構件位置的最大位移值時程曲線，最大位移值選取平面圖中最外側(cè)角部豎向構件位置的包絡值；AVG表示該層所有豎向構件位置的平均位移值時程曲線。再根據(jù)抗規(guī)第3.4.2條條文說明，結合圖10，可計算得到該層樓蓋的扭轉(zhuǎn)位移比，見圖11。由圖11可以看出，結構X向扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.17，略大于規(guī)定水平力結果；Y向扭轉(zhuǎn)位移比為1.36，結構存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，略小于規(guī)定水平力結果。

圖10 2層樓蓋水平位移時程曲線

圖11 基于彈性時程分析的扭轉(zhuǎn)位移比

4.4 剪重比

根據(jù)《建筑消能減震技術規(guī)程》(JGJ 297—2013)[6](簡稱消能減震規(guī)程)4.2.3條條文說明，黏滯阻尼器消能減震結構的樓層地震剪力的減小，是由于結構總阻尼比的增加，降低了結構地震反應，不是由結構剛度較小導致。因此，計算消能減震結構的剪重比時，應采用彈性反應譜法對無阻尼器模型進行分析。

采用規(guī)范反應譜法計算得到結構基底剪重比：X向為0.051，Y向為0.033，均滿足抗規(guī)不小于0.016限值的要求。

5 黏滯阻尼器減震效果和混合減震阻尼器等效阻尼比計算

5.1 黏滯阻尼器減震效果

為考察黏滯阻尼器的耗能減震效果，分別對設置黏滯阻尼器和不設置黏滯阻尼器的兩組模型進行了小震、中震、大震作用下的非線性時程分析。選取7組地震波，其中2組為天然波。為避免BRB的干擾，分析時暫不考慮BRB的耗能減震作用。不同地震水準作用下，黏滯阻尼器的減震效果見表1，其中ST1表示設置黏滯阻尼器的結構，ST0表示不設置黏滯阻尼器的結構，n表示減震效果，即設置黏滯阻尼器的結構計算結果相對于不設置黏滯阻尼器的結構計算結果的變化率，負號表示減小。

阻尼器減震效果對比 表1

由表1可以看出：1)設置黏滯阻尼器后，結構在地震作用下的樓層剪力、傾覆力矩、層間位移角均有減小，說明黏滯阻尼器具有良好的耗能減震效果；2)設置黏滯阻尼器后結構在小震、中震和大震作用下的樓層剪力、傾覆力矩、層間位移角的減幅依次減小，說明黏滯阻尼器對于結構在小震作用下的減震效果最好，對于結構在中震和大震作用下的減震效果依次減弱。

5.2 混合減震阻尼器等效阻尼比計算

5.2.1 計算方法

(1)按照規(guī)范公式計算等效阻尼比[7-8]

根據(jù)消能減震規(guī)程第6.3.2條，消能部件為結構的有效阻尼比可按下式計算(此方法簡稱為規(guī)范方法)：

式中：ξd為消能減震結構的附加有效阻尼比；Wcj為第j個消能部件在結構預期層間位移Δuj下往復循環(huán)一周所消耗的能量，kN·m；Ws為消能減震結構在水平地震作用下的總應變能，kN·m。

(2)能量對比法

根據(jù)阻尼器耗能與模態(tài)阻尼耗能的比值可計算阻尼器提供的附加阻尼比[9-10]，該方法此處簡稱為能量對比法。

式中:ξd為附加阻尼比;Ec為固有阻尼耗能，kN·m;Ed為阻尼器耗能，kN·m;ξc為結構阻尼比。

5.2.2 等效阻尼比分析

規(guī)范方法和能量對比法都是以阻尼器耗散能量來確定等效阻尼比。規(guī)范方法以結構往復一周的耗能近似計算，與實際耗能有一定差異；能量對比法中的能量輸入和耗散來自于地震波，其計算的等效阻尼比相對比較合理。

規(guī)范方法、能量對比法計算出的阻尼器等效阻尼比見表2，其中VD表示黏滯阻尼器產(chǎn)生的附加阻尼比，BRB表示屈曲約束支撐產(chǎn)生的附加阻尼比。

等效阻尼比計算結果對比 表2

由表1和表2得到以下結論：1)表2中計算結果與表1中計算結果一致，由于黏滯阻尼器出力與速度間的非線性關系，導致阻尼器在不同地震作用水準下的減震效果不同，小震作用下減震效果最好，中震和大震作用下減震效果依次減弱。2)屈曲約束支撐在小震作用下為結構提供剛度，中震和大震作用下屈服耗能，其提供的等效阻尼比隨著地震作用的增大而增大，彌補了黏滯阻尼器在大震作用下對減震效果降低的不足。3)小震作用下屈曲約束支撐不提供等效附加阻尼比，中震和大震作用下屈曲約束支撐提供的等效阻尼比分別為1.7%和2.6%。小震、中震和大震作用下黏滯阻尼器提供的等效阻尼分別比為2.8%，2.7%和2.0%。小震、中震和大震作用下黏滯阻尼器和屈曲約束支撐提供的等效阻尼比總和可認為是2.8%，4.4%和4.6%。

6 大跨度轉(zhuǎn)換桁架施工模擬分析

6.1 施工模擬

為考察施工模擬對大跨度轉(zhuǎn)換桁架受力的影響，在構件承載力設計時，考慮了施工順序?qū)嫾?nèi)力的影響。施工順序的選擇主要遵循以下原則：1)轉(zhuǎn)換柱和支撐筒體首先施工；2)大跨轉(zhuǎn)換桁架優(yōu)先施工；3)盡量避免轉(zhuǎn)換柱和支撐筒體在施工過程中產(chǎn)生較大的變形；4)屈曲約束支撐在主體結構完成后安裝；5)附加恒載在主體結構施工完成后進行加載，避免施工過程中附加恒載的不均勻布置對主體結構的影響。根據(jù)上述原則，項目施工順序見圖12。

圖12 施工階段示意

6.2 施工模擬對轉(zhuǎn)換桁架的影響

大跨度轉(zhuǎn)換桁架施工模擬分析結果表明：1)考慮施工模擬后，轉(zhuǎn)換桁架內(nèi)力有較大增加，上、下弦桿的軸力比一次加載下增大約20%～40%，腹桿的軸力較一次加載下增加約10%～35%；2)考慮施工模擬后，轉(zhuǎn)換桁架豎向變形增大約40%。

7 結論

(1)上海張江科學會堂主體結構采用了鋼框架-屈曲約束支撐結構體系，并同時采用黏滯阻尼器減震系統(tǒng)，該結構體系適合于建筑形體復雜、存在多項抗震不規(guī)則項、對抗震性能要求高的建筑結構。

(2)針對采用黏滯阻尼器的結構體系，建議在計算結構層間位移角及扭轉(zhuǎn)位移比時，采用非線性彈性時程分析方法，以考慮黏滯阻尼器的影響。

(3)采用速度型阻尼器與位移型阻尼器相結合的混合減震技術，可充分發(fā)揮兩種不同類型的阻尼器的優(yōu)點，并形成互補。

(4)附加阻尼比分析結果表明，黏滯阻尼器在小震作用下減震效果最好，在中震和大震作用下的減震效果依次減弱。屈曲約束支撐在小震作用下為結構提供剛度，在中震和大震作用下屈曲耗能，提供的附加阻尼比隨著地震作用的增大而增加，彌補了黏滯阻尼器在大震作用下減震效果降低的不足。

(5)大跨度轉(zhuǎn)換桁架設計時，應考慮施工模擬的影響。考慮施工模擬后，轉(zhuǎn)換桁架內(nèi)力有較大增加，最大處約增加40%。