云門特大跨度連體結(jié)構(gòu)設(shè)計

云門地下4層地上14層，長度180 m，寬度60 m，高度76 m，13層以下為2棟塔樓，塔樓間距為97 m，13層至屋頂，兩塔樓形成連體結(jié)構(gòu)，連體部分與兩側(cè)主樓剛性連接。對該連體結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)計算，分析結(jié)果的合理性，同時按規(guī)范要求對關(guān)鍵構(gòu)件進行了抗震性能化設(shè)計。計算結(jié)果和規(guī)范限值的對比表明，該連體結(jié)構(gòu)布置合理，能滿足設(shè)定的性能目標要求，結(jié)構(gòu)體系具有有效的耗能機制和良好的抗震性能。

連體結(jié)構(gòu)； 桁架結(jié)構(gòu)； 抗震性能設(shè)計； 鋼框架支撐體系

TU352.11A

［定稿日期］2023-04-12

［作者簡介］嚴健剛（1988—），男，本科，工程師，主要從事土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

1 工程概況

本工程位于杭州西站國鐵站房南側(cè)，距離站房距離約為20 m， 是站房南立面的重要組成部分，也是杭州西站綜合交通樞紐的門戶（圖1、圖2）。

云門地上14層，長度180 m，寬度60 m，高度76 m，地下室深度23.6 m ，云門地下室B1層層高9.2 m，其中局部夾層層高4.6 m，B2設(shè)備層層高6 m，B3、B4層高4.2 m。13層以下為2棟塔樓，塔樓間距約97 m，13層至屋頂，兩塔樓形成連體結(jié)構(gòu)，連體部分與兩側(cè)主樓剛性連接。

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級一級，抗震設(shè)防烈度為6度（0.05g），建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，場地的特征周期?。篢g=0.35 s（小震、中震），Tg=0.40 s（大震）。水平地震影響系數(shù)0.04（多遇地震），0.12（設(shè)防地震），0.28（罕遇地震）?；撅L壓取0.45 kN/m2（重現(xiàn)期50年），位移計算按50 年一遇基本風壓，承載力計算按50 年一遇基本風壓的1.1倍，風振舒適度計算按10年一遇的基本風壓計算。

2 結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置

本工程兩側(cè)塔樓采用鋼框架-支撐體系，其中框架柱選用鋼管混凝土柱，13層至屋頂層通過連體鋼桁架連成整體，連體鋼桁架與兩側(cè)塔樓剛性連接。底層鋼管混凝土柱最大直徑為1800 mm×1800 mm，向上逐步減小至800 mm×800 mm。9～11層考慮B、E軸因連體桁架根部斜撐軸力大，B軸柱截面由1300 mm×1300 mm過渡調(diào)整為1800 mm×1500 mm；E軸柱截面由1300 mm×1300 mm過渡調(diào)整為1500 mm×1500 mm?？蚣芰褐饕叽鐬镠1200×500、H1000×300、H600×300。為了有效傳遞連體桁架豎向及水平力，在兩側(cè)塔樓內(nèi)與連體桁架相連的兩跨內(nèi)，從一層至屋面設(shè)置鋼支撐。

1層至L8 層鋼框架（除鋼管混凝土柱外）、鋼支撐抗震等級為三級，鋼管混凝土柱抗震等級為二級。根據(jù)JGJ 3-2010《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》10.5.6條，連接體及與連接體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連接體高度范圍及其上、下層，抗震等級應(yīng)提高一級采用，故L9層至屋面層相應(yīng)構(gòu)件均較下部提高一級考慮。主要結(jié)構(gòu)布置詳見圖3～圖8。

3 分析要點

本工程不規(guī)則項有：①樓板不連續(xù)，連體層大開洞，樓板有效寬度小于50%;②剛度突變;③構(gòu)件間斷，為連體結(jié)構(gòu);④局部不規(guī)則，個別樓層位移比超1.2;⑤特大跨度連體結(jié)構(gòu)。綜合判定，本工程為超限高層建筑。

2棟塔樓在13屋至屋面層采用鋼結(jié)構(gòu)桁架連接，形成連體結(jié)構(gòu)，同時兼做兩棟塔樓的水平交通樞紐。鋼結(jié)構(gòu)桁架作為關(guān)鍵部位，需要傳遞兩塔樓之間的水平剪力，且其上有較密集人員通過，此部位需要進行詳細分析，同時采取加強措施，以確保其安全性。

4 針對超限采取的措施

4.1 針對大跨度連體超限

（1）結(jié)構(gòu)抗震計算分析采用 YJK、Etabs 2個符合結(jié)構(gòu)實際受力情況的力學模型且經(jīng)建設(shè)主管部門鑒定的計算程序。

（2）大跨度連體部分按 7 度計算豎向地震，復(fù)核其承載力。

（3）考慮樓板常出現(xiàn)裂縫，連體桁架、中心支撐、偏心支撐相關(guān)區(qū)域樓板按彈性膜及零板厚2種工況進行計算，對連體桁架構(gòu)件及支撐構(gòu)件進行包絡(luò)設(shè)計，確保重要構(gòu)件結(jié)構(gòu)安全。

（4）對鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點有限元分析，保證節(jié)點安全。

（5）進行彈性時程分析法的補充計算。

（6）對整體結(jié)構(gòu)進行中震、大震下的性能化分析。

（7）連體桁架部分進行舒適度分析設(shè)計。

4.2 屋面連體大開洞、超長措施

根據(jù)連體層有效樓板寬度小于 50%、超長等情況對該區(qū)域樓板進行中震下樓板應(yīng)力分析、溫度應(yīng)力計算，并根據(jù)樓板應(yīng)力計算樓板抗剪件。

4.3 對L10、L12、L13 層側(cè)向剛度不滿足措施

抗震等提高一級，這3層鋼管混凝土柱及鋼支撐定義為關(guān)鍵構(gòu)件，進行性能設(shè)計。

4.4 內(nèi)力調(diào)整系數(shù)的應(yīng)用

由于本項目為連體且為重點設(shè)防建筑，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取 1.1，整體抗震等級不小于三級；其中負1層框架及剪力墻抗震等級為二級；1層至8層屋面鋼管混凝土柱抗震等級為二級，9層至屋面鋼管混凝土柱抗震等級為一級；9層至屋面鋼框架（除鋼管混凝土柱外）、鋼支撐抗震等級為二級。

4.5 減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

本項目水平地震作用采用振型分解反應(yīng)譜法進行計算，設(shè)計內(nèi)力選用偶然偏心作用和雙向地震作用的包絡(luò)值。

5 基于性能的抗震設(shè)計結(jié)果

本項目的抗震設(shè)計在滿足國家、地方規(guī)范外，將根據(jù)性能化抗震設(shè)計的概念進行設(shè)計。結(jié)構(gòu)抗震性能目標為 C 級，即多遇地震下性能目標為1；設(shè)防烈度地震下性能目標為3；預(yù)估罕遇地震下性能目標為4。

關(guān)鍵構(gòu)件包括1～2層和13層至屋面層鋼框柱、中心支撐、偏心支撐及頂部3層連體桁架。連體鋼桁架在多遇地震、設(shè)防烈度地震及罕遇地震作用下的振型分解反應(yīng)譜法（CQC法） 分析中均已考慮了豎向地震作用的影響。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標如表1所示。

經(jīng)過分析和驗算，表1中所有構(gòu)件的驗算結(jié)果都滿足相應(yīng)的性能目標的控制要求。

6 鋼結(jié)構(gòu)桁架受力分析

鋼結(jié)構(gòu)桁架跨度97 m，桁架間距12.9 m和8.9 m，桁架框架梁抗剪不屈服抗剪不屈服滿足要求與主樓采用剛接，桁架上澆筑鋼筋桁架樓層板?？紤]連體桁架將2棟塔樓連為整體，平面尺寸達到180 m×60 m，應(yīng)考慮溫度作用的影響。本工程位于浙江省杭州市，參考GB 5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，杭州市規(guī)定的年最高氣溫為 38 ℃，最低氣溫為-4 ℃。與施工單位溝通確認云門連體桁架混凝土澆筑時間為1～2月期間，查得杭州在此期間的月平均溫度為 7 ℃，故可設(shè)定樓蓋后澆帶合攏溫度為 7 ℃，因此樓板經(jīng)受的可能最大降溫工況（TD）溫差為-4 ℃-7 ℃=-11 ℃，最大升溫工況（TU）溫差為 38 ℃-7 ℃=31 ℃。主體鋼結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力按降溫-15 ℃，升溫 35 ℃在施工圖設(shè)計階段復(fù)核計算。

（1）桁架的計算模型詳見圖9。

（2）典型桁架立面見圖10。

（3）桁架在各工況作用下應(yīng)力比情況詳見圖11，由計算結(jié)果可知重力荷載為主要作用工況，組合工況下應(yīng)力比小于 1.0。連體桁架均能滿足設(shè)定的性能目標。

7 鋼結(jié)構(gòu)桁架性能分析

（1）性能3-中震不屈服。

連體桁架層結(jié)構(gòu)體系設(shè)計結(jié)果，見圖12?？梢姡姓鸩磺O(shè)計時（不考慮樓板有利作用），應(yīng)力比均小于1.0。連體桁架均能滿足設(shè)定的性能目標。

（2）性能4-大震不屈服。

連體桁架層結(jié)構(gòu)體系設(shè)計結(jié)果，見圖13?？梢?，大震不屈服設(shè)計時（不考慮樓板有利作用），應(yīng)力比均小于1.0。連體桁架均能滿足設(shè)定的性能目標。

8 鋼結(jié)構(gòu)桁架舒適度分析

8.1 模態(tài)分析

根據(jù)JGJ/T 441-2019《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標準》對鋼結(jié)構(gòu)桁架樓層處（即13層、14層、大屋面層）進行舒適度驗算（圖14～圖16）。通過模態(tài)分析，得到前 4 階振型及相應(yīng)的自振頻率（限于篇幅，僅示意第一階陣型）。

從上述結(jié)果可以看出，最小自振頻率為3.48 Hz，中庭懸挑邊緣，自振頻率大于3.0 Hz，滿足規(guī)范要求。

8.2 加速度分析

按JGJ/T 441-2019《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標準》5.1.1 及條文“餐廳、展廳等同時行走的人數(shù)多但步頻很低，可采用單人行走激勵計算樓蓋峰值加速度”。計算時采用較為保守工況，對13層、14層、屋面層大跨度計算加速度峰值按每層、每跨雙人連續(xù)行走激勵。各樓加速度峰值結(jié)果如圖17～圖19所示。

從以上結(jié)果可以看出13、14層、屋面層節(jié)點峰值加速度均小于0.15 m/s2 ，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，鋼桁架舒適度設(shè)計滿足規(guī)范要求。

9 結(jié)束語

本工程為特大跨度連體結(jié)構(gòu)超限項目，結(jié)構(gòu)體系采用鋼框架一支撐體系。針對工程超限情況， 結(jié)構(gòu)設(shè)計通過豎向及平面結(jié)構(gòu)的合理化布局及全面、細致的計算分析，確保對重力荷載、地震作用、風荷載作用的合理評估，對關(guān)鍵構(gòu)件采取更為嚴格的抗震構(gòu)造措施，關(guān)鍵抗側(cè)構(gòu)件及節(jié)點部位采用鋼/鋼管混凝土等高延性構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)安全標準及耗能水平，確保整體延性的發(fā)揮同時在整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件設(shè)計中全面融入抗震性能化設(shè)計的思想。綜上所述，本工程除能滿足豎向荷載和風荷載作用下的有關(guān)指標外，抗震性能目標滿足既定要求，設(shè)計合理有效，并且安全可行。

參考文獻

［1］ 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準： GB 50017—2017［S］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2018.

［2］ 高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程： JGJ 99-2015［S］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2016.

［3］ 建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標準： JGJ/T 441—2019北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2020.