吳江交通樞紐主樓懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孔啟明，戴 丹

(奧雅納工程咨詢(上海)有限公司， 上海 200031)

1 工程概況

吳江交通樞紐項(xiàng)目位于上海市吳江新區(qū)，樞紐中心面向主干道松陵大道、東太湖大道，地塊現(xiàn)狀地形平坦。東太湖大道下有軌道交通4號(hào)線，松陵大道下有一條規(guī)劃軌道交通。圖1及圖2分別為場(chǎng)地總平面及建筑效果圖。

圖1 場(chǎng)地總平面

樞紐主樓地上主要用途為公交候車及城鄉(xiāng)客運(yùn)空港巴士、旅游集散和商業(yè)功能，主屋面結(jié)構(gòu)高度約為17.5m，為多層結(jié)構(gòu)。塔樓東西向和南北向結(jié)構(gòu)寬度均約為50m，平面呈L形。主體混凝土地上結(jié)構(gòu)3層，1～3層層高分別為5.9，5.8，5.8m，屋頂層為設(shè)備層(上方鏤空)，混凝土柱延伸上去用于支承上部裝飾幕墻構(gòu)件。

地下室部分用于商業(yè)、超市、公交上客區(qū)、大巴蓄車場(chǎng)、住宅停車、機(jī)電設(shè)備、后勤、卸貨區(qū)及非機(jī)動(dòng)車停車庫(kù)、人防等功能。地下3層～地下1層層高分別為3.75，5.8，6.55m。由于樞紐客車停車和車道需求，典型柱網(wǎng)為12.6m×12.6m，地下3層考慮增加柱位后柱網(wǎng)約為7.5m×10m。由于地下1層為樞紐客車車道，上部樞紐結(jié)構(gòu)部分柱位無(wú)法落地，因此首層存在轉(zhuǎn)換梁。

樞紐主樓于2018年12月通過(guò)抗震審查[1]。主樓為重點(diǎn)設(shè)防類別，地上3層結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)?？蚣芸拐鸬燃?jí)如下：地下1層及以上為二級(jí)，地下2層、地下3層逐層遞減。屋頂層設(shè)置懸挑桁架?？蚣苤捎娩摻罨炷翀A柱，其典型直徑為800，1 000mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60～C50；桁架支撐柱采用自密實(shí)圓鋼管混凝土柱，柱典型直徑為800，1 000，1 100mm，鋼管采用Q345鋼，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，典型柱網(wǎng)尺寸為12.6m×12.6m；次梁高度約為850mm，主梁高度為900mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35；樓板典型厚度為130，150mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。

為了減少L形平面對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利影響，設(shè)置一條防震縫(圖3)，將樞紐主樓地上范圍分為分塔1及分塔2，東西向典型剖面如圖4所示。

圖3 防震縫位置示意

圖4 典型剖面(東西向)

從圖4可以看出，建筑造型新穎獨(dú)特，在L形建筑東南拐角處城市核心區(qū)域(簡(jiǎn)稱UC區(qū)域)，營(yíng)造出自2層往上層層凸出以及屋面下無(wú)柱的空間效果：即2層輪廓線比首層外凸約10m，3層輪廓線比2層外凸約10m，屋面下無(wú)柱空間跨度約40m，懸挑長(zhǎng)度最大約22m。以上建筑設(shè)計(jì)要求給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)大跨懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已有諸多工程案例[2-3]，本文結(jié)合本項(xiàng)目建筑特點(diǎn)，將著重介紹該UC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 UC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)選型

為了實(shí)現(xiàn)建筑效果，提出屋頂桁架+吊柱方案(方案一)和斜柱+懸挑方案(方案二)。經(jīng)過(guò)和業(yè)主、建筑師進(jìn)行多輪方案探討，最終確定采用方案一：通過(guò)屋頂設(shè)備層設(shè)置懸挑以及大跨空間桁架，用于支承屋頂設(shè)備層樓面，此外在懸挑桁架下弦設(shè)置吊柱承托2,3層凸出樓面。UC區(qū)域大懸挑區(qū)域轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖5所示。整個(gè)區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要兼顧：1)結(jié)構(gòu)傳力效率；2)協(xié)調(diào)相關(guān)專業(yè)，減少此屋頂大跨區(qū)域附加荷載；3)采用可行的施工順序、合理的連接構(gòu)造等措施，減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)附加內(nèi)力；4)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)界面合理處理，方便施工。

圖5 UC區(qū)域大懸挑區(qū)域轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 懸挑桁架設(shè)計(jì)

為滿足建筑外形要求，屋頂設(shè)備層樓面采用空間懸挑(懸挑長(zhǎng)度約22m)的桁架結(jié)構(gòu)。桁架模型和平面布置如圖6及圖7所示。

圖6 桁架模型圖

圖7 桁架平面布置圖

懸挑桁架設(shè)計(jì)時(shí)采用如下設(shè)計(jì)要點(diǎn)及抗震措施：1)整體模型中桁架同時(shí)考慮水平+豎向地震[4]，抗震等級(jí)提高至二級(jí)；2)對(duì)桁架進(jìn)行小震彈性、中震彈性性能化分析；3)桁架桿件應(yīng)力比(桿件控制應(yīng)力比0.7)及變形滿足鋼規(guī)[5]要求；4)桁架計(jì)算時(shí)不考慮屋面樓板有利作用；5)計(jì)算模型考慮按照實(shí)際施工順序加載；6)由于屋頂桁架部分在室外，部分在室內(nèi)，考慮溫度作用下桁架內(nèi)力；7)對(duì)桁架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)力分析，在恒載+活載設(shè)計(jì)工況下，節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)力為250MPa, 角部集中應(yīng)力最大為275MPa，低于允許應(yīng)力325MPa(圖8)；8)對(duì)桁架進(jìn)行防倒塌分析，拆除桁架一斜腹桿后，相鄰構(gòu)件應(yīng)力比(圖9)均滿足高規(guī)[6]要求。

圖8 桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖(恒載+活載)/MPa

圖9 桁架一拆除桁架斜桿位置示意圖及應(yīng)力比

2.3 樓板開(kāi)裂以及解決措施

UC桁架區(qū)域存在吊掛結(jié)構(gòu)，且跨度較大，在豎向荷載[7]下結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力較大，導(dǎo)致樓板容易開(kāi)裂(計(jì)算結(jié)果表明，特別是屋頂樓板在一次性加載工況下已經(jīng)嚴(yán)重開(kāi)裂)，需要考慮施工順序?qū)︿摌?gòu)件設(shè)計(jì)的影響。利用必要的施工措施，如設(shè)置施工后澆帶，以減小屋頂混凝土樓板核心層在重力工況下的拉應(yīng)力，滿足樓板核心層不開(kāi)裂要求。軟件分析模型中擬考慮的施工工況和措施如下：1)屋頂鋼桁架及鋼構(gòu)件安裝；2)3層和2層吊柱施工；3)安裝3層鋼框架梁及次梁；4)安裝2層鋼框架梁及次梁；5)2層鋼筋桁架樓板/組合樓板澆筑施工；6)3層鋼筋桁架樓板/組合樓板澆筑施工；7)屋頂鋼筋桁架樓板/組合樓板澆筑施工；8)澆筑各層施工后澆帶。

以屋頂層為例，考慮施工順序，即鋼桁架施工完成后再澆筑組合樓板(吊掛相關(guān)區(qū)域樓板)等有利因素后，采用YJK軟件分析了自重工況下以及標(biāo)準(zhǔn)組合工況(附加恒載+活載)作用下屋頂層樓板主拉應(yīng)力，樓板主拉應(yīng)力云圖如圖10及圖11所示。從圖10,11可以看出，屋頂層吊掛相關(guān)區(qū)域樓板主拉應(yīng)力范圍為1.2～1.9MPa，滿足樓板核心層不開(kāi)裂要求。

圖10 自重工況下屋頂層樓板主拉應(yīng)力云圖/MPa

圖11 標(biāo)準(zhǔn)組合工況下屋頂層樓板主拉應(yīng)力云圖/MPa

采用YJK軟件分析了小震、中震下屋頂層樓板主拉應(yīng)力,樓板主拉應(yīng)力云圖見(jiàn)圖12,13。從圖12，13中可以看出，小震下屋頂層大部分樓板X向主拉應(yīng)力為0.1～0.3MPa，Y向主拉應(yīng)力為0.1～0.3MPa，均小于樓板C35混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk(ftk=2.20MPa)，即樓板滿足小震核心層不開(kāi)裂要求；中震下屋頂層樓板X向和Y向主拉應(yīng)力普遍在1MPa以下，小于C35混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk，即樓板中震下核心層仍未開(kāi)裂。

圖12 小震下屋頂層樓板主拉應(yīng)力云圖/MPa

圖13 中震下屋頂層樓板主拉應(yīng)力云圖/MPa

采用YJK軟件分析了溫降、溫升工況下屋頂層樓板主拉應(yīng)力，樓板主拉應(yīng)力云圖見(jiàn)圖14,15。從圖14及圖15中可以看出，溫度作用下屋頂層樓板主拉應(yīng)力普遍小于0.2MPa；可見(jiàn)，溫度作用下樓板應(yīng)力遠(yuǎn)小于C35混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk，滿足核心層不開(kāi)裂要求。

圖14 溫降工況下屋頂層樓板主拉應(yīng)力云圖/MPa

圖15 溫升工況下屋頂層樓板主拉應(yīng)力云圖/MPa

綜上所述，采取后澆等措施后自重工況、標(biāo)準(zhǔn)組合工況(附加恒載+活載)、小震、中震、溫度作用下，樓板均滿足核心層不開(kāi)裂要求。同時(shí)考慮到地震及溫度等共同作用，局部樓板配筋仍作適當(dāng)加強(qiáng)(采用鋼筋桁架，面內(nèi)設(shè)置面內(nèi)支撐等加強(qiáng)措施，如圖16，17所示)，同時(shí)各層擬設(shè)置后澆帶。

圖16 角部區(qū)域樓板設(shè)置后澆帶加強(qiáng)措施

圖17 桁架區(qū)域鋼筋桁架樓板設(shè)置后澆帶加強(qiáng)措施

2.4 桁架與周邊結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)

由于懸挑桁架端有吊柱，支撐下部樓層荷載。因此，桁架整體存在傾覆趨勢(shì)。針對(duì)桁架支撐框架柱進(jìn)行研究，分別分析：1)恒載+活載+風(fēng)荷載+溫度作用受力情況。2)地震工況下滿足性能化即中震彈性，大震不屈服工況下受力情況，并采用針對(duì)性抗震措施：抗震等級(jí)提高到二級(jí)。對(duì)桁架支撐框架柱進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，恒載+活載工況下桁架支撐框架柱拉力約為2 000kN。經(jīng)過(guò)復(fù)核，在該豎向荷載工況下，框架柱承載力能夠滿足規(guī)范要求。為防桁架整體傾覆，桁架后跨支座與周邊混凝土部分采用剛接連接方案，即桁架后跨采用鋼管混凝土柱升至桁架上弦。在桁架下弦標(biāo)高處采用鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)與鋼結(jié)構(gòu)部分梁板和周邊混凝土連接方便，內(nèi)力傳遞直接，桁架下弦與周邊混凝土連接節(jié)點(diǎn)(桁架后跨支座)如圖18所示。桁架中間支座鋼管混凝土柱在重力荷載作用下不存在拉力，桁架中間支座以抗壓為主，桁架下弦支撐鉸接節(jié)點(diǎn)(桁架中間支座)如圖19所示。鋼管混凝土柱吊掛在屋面桁架下弦，采用鉸接支座，吊柱銷軸鉸接連接節(jié)點(diǎn)如圖20所示。

圖18 桁架下弦與周邊混凝土連接節(jié)點(diǎn)(桁架后跨支座)

圖19 桁架下弦支撐鉸接節(jié)點(diǎn)(桁架中間支座)

圖20 吊柱銷軸鉸接連接節(jié)點(diǎn)

2.5 2層及3層懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及振動(dòng)問(wèn)題分析

在懸挑桁架下弦設(shè)置吊柱承托2層、3層層凸出的樓面。因此，吊柱作為關(guān)鍵構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。吊柱設(shè)計(jì)時(shí)注意以下要點(diǎn)：1)根據(jù)性能目標(biāo)，驗(yàn)算支座小震彈性和中震彈性(桿件控制應(yīng)力比0.5)；2)吊柱性能目標(biāo)較一般框架柱有所提高，抗震等級(jí)提高至二級(jí)；3)柱頂與桁架下弦按照鉸接考慮；4)對(duì)吊柱進(jìn)行防倒塌分析；5)對(duì)吊柱范圍樓板進(jìn)行舒適度分析。

舒適度是人的主觀感受，過(guò)大的振動(dòng)加速度將使人感覺(jué)不舒適[6,8]，國(guó)內(nèi)外均采用加速度指標(biāo)來(lái)評(píng)估舒適度水平。因此，需要對(duì)吊柱區(qū)域加速度進(jìn)行專門研究。舒適度驗(yàn)算采用GSA footfall模塊進(jìn)行分析，參數(shù)設(shè)置如下：1)假設(shè)結(jié)構(gòu)質(zhì)量包括1.0恒載(結(jié)構(gòu)自重+附加恒載)+10%活載；2)單個(gè)行人質(zhì)量為76kg，踏步頻率范圍取1.0 ～ 2.0Hz；3)計(jì)算中考慮130mm厚樓板作用；4)結(jié)構(gòu)阻尼比取2%；5)GSA計(jì)算的最大頻率不小于15Hz；6)考慮到動(dòng)力影響，殼單元的彈性模量增大至38GPa；7)模型激勵(lì)范圍為懸挑區(qū)域。

根據(jù)高規(guī)[6]第3.7.7條，樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度峰值滿足豎向振動(dòng)加速度限值。主要分析結(jié)果如下：1)第1階豎向振動(dòng)頻率為5.3Hz，大于4Hz；2)如圖21所示，計(jì)算所得豎向加速度最大為0.125m/s2，滿足高規(guī)[6]表3.7.7中限值0.15m/s2的要求。如果實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在振動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)中考慮后期加裝TMD減振裝置[9-10]以減小振動(dòng)響應(yīng)的可能。本項(xiàng)目業(yè)主會(huì)對(duì)吊柱范圍進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，以供后續(xù)設(shè)計(jì)參考。

圖21 峰值豎向加速度云圖/(m/s2)

3 結(jié)語(yǔ)

吳江交通樞紐主樓項(xiàng)目建筑造型新穎獨(dú)特，中庭區(qū)域(UC結(jié)構(gòu))是本項(xiàng)目亮點(diǎn)，但也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成了極大挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)上通過(guò)屋頂設(shè)備層設(shè)置大跨空間懸挑桁架，用于支撐屋頂設(shè)備層樓面，同時(shí)在懸挑桁架下弦設(shè)置吊柱承托2,3層凸出樓面。重點(diǎn)對(duì)大跨懸挑桁架及吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，包括懸挑桁架整體分析，樓板開(kāi)裂問(wèn)題、桁架周邊各種材料界面處理以及連接、懸挑吊柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及振動(dòng)問(wèn)題，提出了針對(duì)性的解決方案。