阿里巴巴上海總部類巨型框架超限結構設計

劉桂然, 張西辰, 湯衛華

(上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概況

本工程位于上海市徐匯濱江核心商務區中部,主體建筑為阿里巴巴上海總部(圖1),功能為商業辦公綜合體。項目總用地面積約為11 907m2,總建筑面積約6.45萬m2,地上建筑面積約3.88萬m2,地下建筑面積2.57萬m2。塔樓地上11層,1～2層為辦公大堂和配套商業,層高5.5m;3～11層為辦公標準層,層高4.5m;總建筑高度約56m。地下室共3層,地下1層層高6.5m,為配套商業及卸貨區域;地下2層、地下3層層高3.7m,為普通停車及設備用房[1]。

圖1 建筑效果圖

該項目安全等級為一級,設計使用年限為50年,抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度0.10g,Ⅳ類場地,設計地震分組為第二組,特征周期0.90s,抗震設防類別為丙類。

2 結構體系設計

2.1 建筑特點及結構體系

本項目建筑造型采用了獨特的形式,即使用遺傳算法[2]計算出最佳舒適度的建筑體量。建筑地上外輪廓為矩形,長87m、寬69.6m,所有柱距雙向均為8.7m。但各層平面中樓板缺失較大,造成建筑平面布置有較多不規則。如圖2所示,各層平面中,僅四個角部豎向交通核的豎向構件連續并可落地,其他位置的豎向構件大多數不能落地。7層以下四個豎向交通核之間沒有可靠的平面連接;7～9層四個豎向交通核之間布置了大跨連廊,且這三個樓層建筑平面布置較為完整。

圖2 結構各層平面示意圖

由于大量框架柱存在轉換或懸空的情況(圖3),而四個角部核心筒的框架柱上下連續且完整,因此,主體結構選擇利用四個角部的核心筒作為主要抗側力構件。而連接四個核心筒的水平構件,僅在7～8層間相對完整,但該高度范圍內由于跨度較大采用了大跨桁架。根據相關研究[3-9],本工程可利用7～8層間連接核心筒的大跨鋼桁架作為強連接體,使主體結構形成了四個核心筒+四個大跨空間鋼桁架的類巨型框架結構體系,如圖4所示。

圖3 結構立面示意圖

圖4 巨型框架結構組成

由于大跨空間桁架需采用鋼結構,而核心筒平面尺寸較小,為了保證核心筒的抗震性能和連接鋼桁架的便利性,核心筒采用鋼框架支撐結構,其余結構構件均為巨型框架結構的次要結構(圖5)。樓板采用鋼筋桁架混凝土組合樓板。其中,框架柱采用矩形鋼管柱,矩形桁架的上下弦桿均采用箱形梁,其余框架梁和次梁采用熱軋H型鋼。

圖5 結構三維模型圖

2.2 結構體系受力特點

根據2.1節的介紹可知,該結構體系具有以下特點:

(1)結構抗側力體系由四個鋼支撐核心筒+四個大跨空間鋼桁架組成,結構樓面缺失嚴重,整體性差。四個鋼支撐核心筒主要承擔豎向荷載和地震作用,應對其分別進行重點分析和加強。

(2)連接核心筒之間的大跨桁架,不僅具有平面作用,還需要有較強的空間協調能力,因此對大跨桁架的空間整體性有較高要求。

(3)結構體系不同于常規樓層的框架支撐結構,結構位移角等指標不能按照常規的統計方法計算。

(4)大跨桁架為非常規桁架,同一桁架在不同位置高度變化較大,且采用了空腹、斜腹等組合形式,受力比較復雜。

2.3 結構超限判斷和抗震設防性能目標

經分析,塔樓結構存在以下一般不規則:Y向考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2;偏心率大于0.15;樓板有效寬度小于典型寬度的50%;局部樓層的層剛度小于相鄰上層的70%,且局部收進尺寸大于相鄰下層的25%;上下框架柱不連續;局部樓層的層受剪承載力小于相鄰上層的80%。且塔樓結構還存在以下特別不規則項:連續三層(含三層)樓板有效寬度小于典型寬度的40%;局部樓層的層側向剛度小于相鄰上層的50%;采用類巨型框架復雜結構體系。根據相關要求,需對其進行超限高層建筑抗震設防專項審查。

本工程結構整體抗震性能目標確定為C級,各構件的抗震性能目標如表1所示。

表1 構件抗震性能目標

3 結構抗震計算與分析

3.1 多遇地震分析結果

針對結構抗震性能目標,在多遇地震作用下采用YJK和MIDAS Gen有限元軟件對結構進行分析和對比,結果見表2。根據表2可知,兩種軟件計算結果差異小于5%,數值相近,結果可靠。結構整體模型前三階振型分別為X向平動、Y向平動和整體扭轉。YJK和MIDAS Gen計算的第一扭轉周期與第一平動周期之比均約為0.81,小于規范限值0.85。

表2 兩種軟件計算結果對比

由于四個核心筒相對比較分散獨立,為判斷結構整體性情況,分別考察了整體結構和四個核心筒各個樓層的響應。

地震作用下整體結構X向和Y向最大層間位移角分別為1/649和1/593(圖6),四個核心筒的層間位移角比整體結構統計結果略小,原因是整體結構中的豎向構件除了核心筒內,還包括了其他豎向框架柱。四個核心筒中,東北筒和東南筒的變形基本一致、西北筒和西南筒的變形基本一致,且均滿足《高鋼規》[10]不大于1/250的要求。

圖6 樓層層間位移角

由于本項目為類巨型框架結構體系,相關樓層概念與普通結構有所不同,因此提出了整體按巨型樓層概念統計,即地下室頂板至桁架層頂(9層樓面)為巨型樓層(層高為H,圖7),其最大層間位移角可按ΔUmax/H計算,其扭轉位移比可以按2ΔUmax/(ΔUmax+ΔUmin)計算,ΔUmax和ΔUmin分別為桁架層豎向構件最大和最小水平位移,H為38m。

圖7 巨型樓層計算簡圖

按照巨型樓層概念計算,多遇地震工況下,結構X、Y向最大層間位移角分別為1/986、1/877;考慮偶然偏心的最大層間位移比,X、Y向分別為為1.35、1.36。可見,按巨型樓層概念統計的層間位移角遠小于普通樓層結果,原因是桁架層對結構的整體性加強起到了關鍵作用。

地上結構5～7層X向樓層間剛度比分別為0.52、0.54、0.41,地上結構4～6層Y向樓層間剛度比分別為0.81、0.72、0.72,均不滿足設計要求。地上結構6層的樓層抗剪承載力之比最小(圖8),為0.65,滿足規范0.65限值要求。設計時,將以上樓層間剛度比和樓層抗剪承載力比不滿足規范的樓層指定為薄弱層,并對其地震作用標準值的剪力放大1.25倍進行加強。

圖8 核心筒樓層抗剪承載力比分布曲線

3.2 設防地震分析結果

設防地震作用下,按結構構件處于彈性狀態,分析得到了結構關鍵構件的承載力狀態和結構變形情況。

設防地震下,整體結構X向和Y向最大層間位移角分別為1/240和1/220,約為多遇地震作用下最大層間位移角的2.7倍,說明主體結構基本處于彈性狀態。根據主體結構構件應力比計算結果,主體結構構件的應力比基本上均小于1.0,因此,設防地震作用下主體結構基本可以實現不屈服的抗震性能目標。

3.3 罕遇地震分析結果

罕遇地震作用下采用SAUSAGE軟件進行分析,選取了上海市《建筑抗震設計規程》(DGJ 08-9—2013)[11]中的三條波SHW8、SHW12和SHW14(一條人工波,兩條天然波),峰值加速度取為200cm/s2。根據初步分析結果,所選時程波的時程曲線平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線相比,在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%,所選時程波符合要求[12]。

根據結構能量耗散計算結果,結構在整個地震中的能量耗散以阻尼消耗為主,占90%～95%;應變能比例為5%～10%,塑性耗能占比較小,說明結構總體損傷程度較低。

結構在X、Y向的最大層間位移角分別1/112、1/127,分別發生在第4層和第5層,滿足多、高層鋼結構層間位移角≤1/50的規范要求。

類巨型框架中,框架柱性能水平均不超過輕微損壞;框架梁性能水平均不超過輕微損壞;支撐處于彈性狀態;上、下弦桿和腹桿均處于彈性狀態。

在巨型框架梁的樓層處,樓板損傷較大,局部區域有重度至嚴重損壞,其余區域由輕微至輕度損壞(圖9)。在其余樓層處,大部分樓板不超過輕度損壞,局部區域有重度損壞。對于巨型框架梁所在樓層的樓板,采取設置后澆帶的措施[13],減少樓板在自重下引起的附加應力,以及局部區域板中附加Φ12@200鋼筋[14-15]后,該層樓板損傷程度基本可以減小為輕度損壞(圖10),滿足既定的設計目標。

圖9 加強前8層樓板性能狀態

圖10 加強后8層樓板性能狀態

4 關鍵結構構件分析與設計

4.1 大跨處樓板豎向舒適度分析

本工程存在多處大跨結構,跨度最大約53m。為考察樓蓋結構的豎向振動舒適度,采用MIDAS Gen軟件進行樓蓋舒適度分析。

由于前三階模態自振頻率小于3Hz,對前三階振動敏感的位置按照人群密度法[16]施加人群激勵荷載,取各振型變形較大位置作為豎向加速度觀察點。其中3、7、8層為豎向加速度最大反應樓層,其峰值加速度分別為0.115、0.023、0.081m/s2,3層和8層超出規范[17]中對于辦公建筑的樓蓋豎向振動加速度限值(0.061m/s2或0.05m/s2)要求。

采用調頻質量阻尼(TMD)降低樓蓋豎向振動[18],在8層樓面處設置10個TMD質量塊(圖11)。設置TMD后加速度曲線如圖12所示。人群激勵時的峰值加速度在3、7、8層分別減小至為0.006、0.013、0.024m/s2。可見設置TMD后減振效果明顯,樓蓋舒適度得到大幅提高。

圖11 8層樓面TMD質量塊布置圖

圖12 設置TMD后樓板豎向加速度曲線圖

4.2 巨型柱與次框架部分剪力占比分析

由于巨型框架結構體系的特點,其筒體與框架之間剪力分配與傳統框剪和框筒結構區別較大。本項目根據各核心筒與周邊框架的完整性,對不同筒體及周邊落地柱承擔剪力進行分區統計。

各層落地的框架柱(通高落地柱,圖13)占比較少,僅北側兩跨落地框架較多,四個巨型柱(核心筒)為豎向荷載傳遞的主要構件。南側兩巨型柱承擔樓層地震剪力占南側區域的81%～99%;北側兩巨型柱承擔樓層地震剪力的占比約為60%～86%。由于南側巨型柱承擔剪力比較高,對其地震剪力進行1.1倍放大。

圖13 巨型柱與落地柱示意圖

根據核心筒受力情況(表3)可知,巨型柱結構承擔剪力較大,是結構的最主要抗側力構件,將其定義為關鍵構件[19],以提高其抗震性能目標。

4.3 復雜大跨桁架分析

本工程塔樓7層正中設有3層通高階梯教室。階梯教室樓面架于兩側空腹轉換桁架,轉換桁架通過懸挑桁架與南北側巨型梁相連(圖14)。

圖14 階梯教室空間關系圖

圖15 南側桁架桿件編號

為分析階梯教室荷載對南側桁架受力影響,對桁架弦桿的內力進行了詳盡分析。考慮桁架軸力引起的截面應力大于彎矩下應力,故弦桿均按箱形截面進行設計。

根據表4給出的不同工況下不同位置桁架上弦桿的軸力(正為受拉,負為受壓)可知,恒載與活載工況下引起的桁架上弦桿軸力明顯大于地震工況,恒、活載工況為桁架內力控制工況;階梯教室荷載引起的上弦桿軸力占總恒、活載下軸力的38%～65%,懸挑桁架的傳力作用明顯。因此,將懸挑桁架按關鍵構件進行設計,并控制恒、活載組合工況下桁架應力比在0.85以下。

表4 南側桁架上弦桿軸力/kN

4.4 施工次序分析

本項目各桿件連接關系較為復雜,存在較多不同形式的轉換,且自重較大,因此不同施工次序對構件的內力分布有較大的影響。結合結構有利性和施工便利性,確定了本工程的施工次序(圖16),并對一次性加載和按指定施工次序兩種方式下構件的內力進行了對比分析,結果見表5。

表5 不同施工工況下構件最大應力比

圖16 施工次序

由以上分析結果可知,相比于一次性加載工況,按照指定施工次序工況得到的構件應力有大幅度減小,尤其是轉換處的大跨桁架。因此,選擇本施工次序有利于結構受力,后續可直接用于指導施工。

4.5 關鍵節點有限元分析

南側桁架由于同時存在水平及豎向支撐,節點桿件匯聚較多,受力復雜,選取南側桁架水平支撐與豎向支撐相交的典型節點,并采用ABAQUS軟件進行建模分析,荷載按照大震不屈服工況,考慮了材料非線性,構件采用殼單元。桿件截面及有限元模型如圖17所示。

圖17 桁架節點有限元模型

如圖18所示,大震工況下所選不利節點區域最大von Mises應力約230MPa,小于材料強度標準值,滿足大震不屈服要求。

圖18 桁架節點von Mises應力分布云圖/MPa

5 結構超限設計主要措施

(1)針對樓板開洞較多,局部樓板有效寬度較窄,對全樓樓板按彈性樓板假定進行計算;地上鋼結構部分均采用鋼筋桁架樓板,并對開大洞及核心筒周邊樓板采用增配鋼筋措施;對大跨桁架弦桿處樓板采取局部后澆、增配鋼筋等措施,確保樓板能滿足小震下不開裂、中震下不屈服[20]的性能目標。

(2)將四個核心筒及連接核心筒的桁架構件組成的巨型框架定義為關鍵構件,抗震等級提高,保證連接構件有較強的承載力及連接剛度。并在連接桁架中設置平面支撐,保證較強的平面剛度,實現水平構件的協調作用和結構整體性。

(3)控制恒活載工況下巨型梁及懸挑桁架的應力水平,保證關鍵構件的延性。

(4)根據彈性時程分析結果和振型分解反應譜分析結果,兩者取包絡進行承載力設計。

(5)對關鍵節點進行有限元分析,確保在節點承載力滿足抗震性能要求。

6 結論

(1)本工程根據平面大量缺失、豎向構件間斷較多等超限情況,選擇了巨型框架結構體系,結構概念清晰,對核心受力構件做出了區分;并通過合理設計及計算分析,實現了結構的抗震性能目標。

(2)根據巨型框架受力情況,按巨型樓層概念統計結構層間位移角,并對承擔巨型柱角色的四個核心筒作為關鍵構件進行地震設計作用放大。

(3)巨型梁所在的樓面,由于受力集中會導致該層樓板應力較大,通過設計加強及合理的施工措施,確保了樓板的受力性能。

(4)大跨樓蓋處,通過設置TMD有效控制了其豎向振動,樓面振動舒適度得到大幅提高。

(5)本工程不同施工次序對構件的內力分布有較大影響,結合結構有利性和施工便利性,確定了最優的施工次序。