前海法治大廈上部結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述

前海法治大廈位于深圳市前海深港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)合作區(qū)第09開發(fā)單元03街坊06地塊，建成后將成為前海地區(qū)標志性公共建筑。建筑型態(tài)來源于天平的概念，象征法律的公平公正，體現(xiàn)現(xiàn)代國際法治理念，表達開放、創(chuàng)新的前海精神。

用地面積8141m2，總建筑面積3.4萬m2。建筑地上10層，高度約54.7m，裙房3層，高度16.5m，地下2層，埋深約10m，為地下車庫。建筑效果圖見圖1。一層為法制展覽廳，二、三層為300座的通高大法庭，中間不設(shè)柱，形成34.8x21.1m大空間。四層以上為中小法庭及服務(wù)用房，東西二側(cè)端部懸挑17.4m。利用樓電梯間形成的二個落地筒體及部分落地框架柱共同支承上部6層結(jié)構(gòu)，從而達到建筑效果。

圖1 建筑效果圖

工程設(shè)計使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防類別丙類，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計地震分組第一組，場地類別C類。基本風(fēng)壓0.75KN/m2(50年一遇)，地面粗糙度類別B類。

2 結(jié)構(gòu)體系選型

在方案設(shè)計階段，比較了鋼桁架、混凝土框架-鋼拉桿、鋼框架-鋼拉桿方案等方案，考慮如下：

(1) 鋼拉桿材料設(shè)計強度高，承載力相同的前提下,鋼桁架所需的截面遠大于拉桿。

(2) 混凝土框架自重大，拉桿的負擔(dān)大，尤其上部混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形能力差，裂縫較難控制。

(3) 鋼框架的樓蓋系統(tǒng)采用鋼梁組合樓蓋，能適應(yīng)張拉需要，可節(jié)約施工臨時支撐。

綜合經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)安全度及建筑需求, 最終選用鋼框架-鋼拉桿-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系。上部結(jié)構(gòu)重力荷載由鋼拉桿和各層結(jié)構(gòu)樓蓋傳遞到豎向落地構(gòu)件;水平荷載通過各層樓屋蓋傳遞到落地豎向構(gòu)件。鋼拉桿與筒體連接處的核心筒墻體內(nèi)均埋入型鋼，前期承受鋼拉桿張拉應(yīng)力，后期與混凝土形成組合結(jié)構(gòu)參與工作，加強主體結(jié)構(gòu)。

懸挑端D~H軸沿豎向設(shè)上中下三道鋼拉桿，分別位于4~6層、6~8層、8~10層。二個核心筒中間由于建筑二層大開間需要在E軸設(shè)置二組對稱拉桿，結(jié)構(gòu)平面、剖面如圖2、3所示。結(jié)構(gòu)主框梁H700x300x20x25、H600x200x10x25，次梁H600x200x10x17，鋼柱□600x600x25、□500x500x25，核心筒墻厚600mm、400 mm、300 mm。拉桿直徑220mm、150mm，屈服強度650N/mm2。

圖2 上部結(jié)構(gòu)典型平面圖

圖3 結(jié)構(gòu)主要剖面圖

3 設(shè)計策略

3.1 結(jié)構(gòu)自平衡控制

東西二側(cè)懸挑跨度一致，通過調(diào)整建筑平面，使二個核心筒墻體基本對稱;調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，使核心筒間的梁板基本對稱。重力荷載作用下，斜拉桿受力巨大，為保證不使豎向構(gòu)件墻柱產(chǎn)生過大側(cè)移變形，通過上部樓屋蓋水平剛度及承載力，使二端斜拉桿拉力的水平分力相互平衡，是項目得以實現(xiàn)的關(guān)鍵理念。

3.2 加強筒體墻，減少抗扭效應(yīng)

上部結(jié)構(gòu)東西方向三層以上長87m，三層以下長52.2m，南北方向?qū)?7.8m，三層以上長寬比3.12，三層以下1.87，東西向形體上大下小，質(zhì)量分布上重下輕，因此控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是本項目的另一關(guān)鍵點。采用雙核心筒，保證筒體的完整性，并將Y向墻體加厚至三層以下600mm，三層以上400mm，增強了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，從而減少了水平力作用下結(jié)構(gòu)的抗扭效應(yīng)。

3.3 拉桿應(yīng)力控制

控制拉桿初始張拉應(yīng)力。通過調(diào)整上中下三組拉桿初始張拉力，保持最終狀態(tài)下三組拉桿受力均勻，保證了梁板受力均勻。通過調(diào)整不同軸線上同層拉桿初始張拉應(yīng)力，使柱豎向位移基本相同，重力荷載下柱兩側(cè)梁彎曲產(chǎn)生的彎矩自平衡，柱端彎矩小，改善了梁柱的受力狀態(tài)。

控制拉桿應(yīng)力水平,小震作用下拉桿應(yīng)力比最大值小于0.7，中震作用下拉桿應(yīng)力比最大值小于0.78。

3.4 結(jié)構(gòu)位移控制

對拉桿施加初始張拉力, 在拉桿張緊同時, 控制第四層鋼梁懸臂端上拱變形，避免鋼梁應(yīng)力過大。隨著上部結(jié)構(gòu)施工, 重力荷載不斷增加使整體結(jié)構(gòu)逐漸向下彎曲變形。裝修、幕墻等全部恒載施加后，控制第四層鋼梁懸臂端下?lián)献冃?lt;50mm。裝修、幕墻等全部恒載施加后，控制筒體的頂部水平位移<5mm。落地柱頂水平位移<10mm。

4 荷載作用

4.1 重力荷載

梁、柱和剪力墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重在計算中由計算程序根據(jù)構(gòu)件截面和材料容重直接計算。附加靜荷載:法庭2.5kN/m2，幕墻及遮陽1.5kN/m2?；钶d: 大法庭3.5kN/m2，中小法庭2.5kN/m2，走廊2.5kN/m2，公共區(qū)3.5kN/m2，屋頂花園3.0kN/m2。

4.2 地震作用

水平地震作用方向取平行(垂直)結(jié)構(gòu)主要分支方向，同時考慮豎向地震作用和單向偶然偏心地震作用。豎向地震影響系數(shù)最大值取水平地震影響系數(shù)的0.65。結(jié)構(gòu)位移和構(gòu)件承載力計算考慮三向地震作用，三向取值為Sx ：Sy ：Sz = 1.0：0.85：0.65( 0.85：1.0：0.65)。阻尼比取0.035。

4.3 風(fēng)荷載

基本風(fēng)壓按深圳地區(qū)50年一遇0.75kN/m2，地面粗糙度B類，體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)按高規(guī)取值。

5 結(jié)構(gòu)彈性計算結(jié)果

工程計算分析主要采用的軟件為：ETABS(整體結(jié)構(gòu)分析)，ABAQUS(節(jié)點分析、動力彈塑性分析)，SAFE(底板分析)。以一層樓面作為結(jié)構(gòu)嵌固端。計算模型采用彈性樓蓋假定，剪力墻、連梁、樓板采用殼元，梁、柱采用梁單元?？紤]樓板殼元接口，梁進一步細分，二者變形協(xié)調(diào)。樓面梁板均按偏壓或偏拉構(gòu)件復(fù)核配筋。計算模型見圖4，計算結(jié)果見表1, 2。

表1

表2

圖4 三維模型圖

圖5豎向地震作用下樓層Z向反力圖

豎向地震作用下基底Z向支座反力見圖5。反應(yīng)譜計算最大反力8533kN,大于時程分析結(jié)果。反應(yīng)譜作用下基底Z向反力為等效重力荷載(恒載+0.5*活載)作用下的2.2%，整體豎向地震作用效應(yīng)較小。選取結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件(大跨和懸挑部分的鋼拉桿)，構(gòu)件編號如圖6所示。分析其在豎向地震作用下的內(nèi)力,見表3。

圖6 南側(cè)內(nèi)榀E軸構(gòu)件編號圖

由上述內(nèi)力對比結(jié)果可知，豎向地震引起的內(nèi)力約為等效重力荷載作用下內(nèi)力的10%，設(shè)計時不應(yīng)忽略。

6 彈塑性分析

采用ABAQUS軟件，選用兩組天然波和一組人工波進行三向輸入的大震動力彈塑性分析。模型中梁、柱采用纖維梁單元，剪力墻、連梁、樓板采用四邊形或三角形縮減積分殼單元模擬;剪力墻、樓板的鋼筋通過殼單元內(nèi)設(shè)置鋼筋層來模擬;剪力墻內(nèi)置型鋼采用梁單元模擬，與剪力墻共節(jié)點模擬;邊緣構(gòu)件、連梁縱向鋼筋采用桿單元模擬，與剪力墻、連梁共節(jié)點模擬。實際地震作用是在施工模擬的基礎(chǔ)上施加的，施工模擬最終狀態(tài)為1.0恒載+ 0.5活載，并以此狀態(tài)作為動力彈塑性分析的初始狀態(tài)。

分析表明：在考慮重力二階效應(yīng)及大變形時，X向最大層間位移角為1/558，Y向最大層間位移角為1/364，均小于規(guī)范限值。彈塑性分析基底剪力約相當(dāng)于反應(yīng)譜小震的3.0～4.6倍。圖7為剪力墻受壓損傷云圖，圖中可看出大部分連梁出現(xiàn)明顯損傷，說明在罕遇地震作用下，連梁形成了鉸機制，符合屈服耗能的抗震工程學(xué)概念;X向剪力墻在底層與拉桿連的偶數(shù)層、頂層有一定損傷;Y向剪力墻基本完好。

圖7 X向地震作用下剪力墻受壓損傷云圖

圖8給出三條地震波作用下內(nèi)力最大的鋼拉桿應(yīng)力時程曲線。圖中看出，鋼拉桿最大拉應(yīng)力為570Mpa，小于鋼拉桿標準屈服強度650Mpa。

圖8 X為主方向輸入時鋼拉桿應(yīng)力時程曲線

7 專項分析

7.1重力作用下單榀結(jié)構(gòu)分析

基于大懸挑及大跨等主要結(jié)構(gòu)特點，分析結(jié)構(gòu)在重力作用下的傳力機制、構(gòu)件的內(nèi)力及變形十分重要。以E軸結(jié)構(gòu)為例，圖9為重力荷載(1.35恒載+0.98活載)作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移。

圖9重力荷載作用下構(gòu)件內(nèi)力、變形圖

從圖中可知，斜拉桿與核心筒相連位置根部連梁及兩個核心筒之間的框架梁內(nèi)存在較大的軸拉力，最大值為5043KN;懸挑端框架梁存在較大軸壓力，壓力最大值為-2100KN，針對以上兩個主要的構(gòu)件受力特點，通過在混凝土連梁內(nèi)布置型鋼，驗算鋼梁承載力時梁按壓彎構(gòu)件考慮等措施來確保結(jié)構(gòu)滿足承載力要求，保證結(jié)構(gòu)安全。

7.2樓板受力分析及配筋

鋼拉桿拉力通過樓蓋拉壓力平衡，所以與鋼拉桿連接的鋼梁及混凝土樓板存在較大軸力，設(shè)計時不能忽略。采用ETABS軟件進行樓板受力分析，樓板以殼單元模擬。圖10、11分別為重力荷載(恒載+0.5倍活載)和X向地震作用下8層樓板軸力圖。

圖10 重力荷載作用下8層樓板F11軸力圖(KN/m)

圖11 X向地震作用下8層樓板F11軸力圖(kN/m)

從圖中可知，樓板與懸臂主梁相交處X向(F11)存在最大值約為300KN/m的軸壓力。核心筒中間連梁位置軸拉力最大值約為300kN/m。X向地震作用下軸力為60kN/m。按壓彎構(gòu)件進行承載力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)驗算,控制裂縫寬度<0.2mm，實配板底12@100+附加12@100(As=2261mm2),板面12@150+附加12@150(As=1504mm2)。

7.3節(jié)點設(shè)計

拉桿節(jié)點的承載力和安全度決定整個結(jié)構(gòu)的承載力和安全度，是整個工程的又一關(guān)鍵。拉桿節(jié)點分為拉桿上、中、下節(jié)點，應(yīng)進行專門設(shè)計。F、G軸拉桿直徑220mm，連接板60mm厚Q390(GJC)，與銷釘連接處采用200mm厚以與鋼拉桿端頭匹配,考慮后期梁柱節(jié)點的加工，節(jié)點范圍內(nèi)方管柱壁厚由15mm加至25mm。采用ABAQUS有限元程序中C3D8R線性減縮積分單元對各類拉桿節(jié)點進行了實體模型彈性、彈塑性計算分析。

圖12 節(jié)點詳圖

由圖12所示計算結(jié)果可知，節(jié)點區(qū)受力復(fù)雜，陰角區(qū)有明顯的應(yīng)力集中。下節(jié)點與中節(jié)點由于鋼拉桿內(nèi)力較大，耳板與銷軸連接處邊緣應(yīng)力水平較高，接近Q390局部承壓強度。

7.4舒適度分析

ATC(Applied Technology Council)給出了不同環(huán)境、不同振動頻率下豎向峰值加速度限值。本項目平時人員行走、起立及單人跳躍豎向振動舒適度評價標準采用ATC辦公樓標準，偏保守取豎向峰值加速度限值0.16m/s2。采用MADIS/GEN軟件對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，求得其豎向頻率。考慮通高隔墻作用，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的第4~7階振型均為豎向振動。圖13為第4階振型圖，振動頻率為2.42HZ，圖中顯示主要振動部位位于懸挑端部。

圖13 第4階振型圖

對8、9層懸臂區(qū)域施加單人跳躍、行走激勵時程。行走激勵時程采用調(diào)整過的IBASE連續(xù)步行荷載模型，假定10人同層同步行走，頻率2.42Hz，人體重0.75KN。人跳躍荷載采用BRE半正弦荷載模型。圖14為單人跳躍加速度響應(yīng)，圖15加速度響應(yīng)頻譜。計算表明：最大激勵效應(yīng)發(fā)生在結(jié)構(gòu)豎向主頻率區(qū)，加速度峰值0.15m/s2，對應(yīng)頻率為2.34HZ，舒適度滿足要求。

圖14加速度響應(yīng)時程

圖15加速度響應(yīng)頻譜

7.5施工順序選擇及模擬

懸挑跨度大、層數(shù)多，如果整個施工過程使用臨時支撐承受上部結(jié)構(gòu)的施工荷載，則所需臨時支撐用量大、軸力大、時間長，施工風(fēng)險增大，并引起造價增加。

經(jīng)過不同施工順序方案對比，采用核心筒首先施工二層，其次施工鋼框架及安裝鋼拉桿，后施工樓板，利用鋼框架及鋼拉桿拉力支承施工過程中的梁板自重，是合理的方案。第5層至屋頂層施工過程中自重及施工荷載由鋼框架及鋼拉桿承擔(dān)，充分發(fā)揮鋼框架及鋼拉桿作用。施工過程中的關(guān)鍵在于鋼拉桿預(yù)緊力的施加，預(yù)緊力對結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力分配起到了決定性的作用。預(yù)緊力的大小應(yīng)根據(jù)施工模擬的計算結(jié)果，圖16為張拉施工詳圖。在整個施工過程中，需要監(jiān)測鋼拉桿的應(yīng)力、各層結(jié)構(gòu)控制點的豎向變形，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可以調(diào)整鋼拉桿施工時的預(yù)緊力。

圖16 張拉施工詳圖

施工模擬計算步驟如下：

1)添加1~3層筒體、框架及樓板，此時結(jié)構(gòu)自重生成。

2)添加臨時支撐，采用縫單元模擬支撐。

3)添加第4層筒體、框架及樓板;

4)添加5~6層筒體及框架;

5)添加第一道下層鋼拉桿，鋼拉桿施加預(yù)緊力(D、H軸施加600kN，E、G軸施加1000kN)，使懸挑端豎向變形向上約10mm;

6)拆取臨時支撐;

7)添加7~8層筒體及框架;

8)添加第二道中層鋼拉桿，鋼拉桿施加預(yù)緊力(D、H軸施加300kN，E、G軸施加500kN);

9)添加9~10層筒體及框架;

10)添加上層鋼拉桿，鋼拉桿施加預(yù)緊力(D、H軸施加300kN，E、G軸施加500kN);

11)添加屋頂層筒體及框架;

12)逐層添加5~屋頂層樓板;

13)添加建筑做法、幕墻等附加恒載;

14)添加使用活荷載。圖17為施工模擬下E軸鋼拉桿的軸力圖，圖18為E軸四層懸挑端端點及中點位移圖，圖19為E軸四層懸挑部位框架梁支座彎矩圖。

圖17鋼拉桿軸力圖(單位：kN)

圖18懸挑端端點及中點位移圖(單位：mm)

圖19框架梁支座彎矩圖(單位：kN·m)

前海法治大廈采用了帶斜拉桿的框架筒體結(jié)構(gòu)體系，利用拉桿與上部鋼結(jié)構(gòu)樓蓋屋蓋水平剛度和承載力將上部4~10層框架結(jié)構(gòu)重力荷載傳遞至落地筒體、框架柱，新穎獨特，有如下結(jié)論:

(1) 結(jié)構(gòu)體系的特殊性決定了主體結(jié)構(gòu)自平衡的施工順序。它不僅能夠保證結(jié)構(gòu)安全, 而且能夠節(jié)約造價和縮短工期。

(2) 特殊的建筑體型對抗震不利，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置、增強核心筒完整性等措施較好地減少了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

(3) 斜拉桿拉力大，樓蓋內(nèi)存在較大的拉壓力，設(shè)計不能忽略。

(4) 成品鋼拉桿強度高、承載力大，節(jié)點設(shè)計應(yīng)重點分析，以確保結(jié)構(gòu)安全與使用。