云門特大跨度連體結構設計

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，兩塔樓形成連體結構，連體部分與兩側主樓剛性連接。對該連體結構進行結構計算，分析結果的合理性，同時按規范要求對關鍵構件進行了抗震性能化設計。計算結果和規范限值的對比表明，該連體結構布置合理，能滿足設定的性能目標要求，結構體系具有有效的耗能機制和良好的抗震性能。

連體結構； 桁架結構； 抗震性能設計； 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構設計工作。

1 工程概況

本工程位于杭州西站國鐵站房南側，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，兩塔樓形成連體結構，連體部分與兩側主樓剛性連接。

結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級一級，抗震設防烈度為6度（0.05g），建筑場地類別為Ⅱ類，設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0.04（多遇地震），0.12（設防地震），0.28（罕遇地震）?；撅L壓取0.45 kN/m2（重現期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 結構體系及結構布置

本工程兩側塔樓采用鋼框架-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過渡調整為1800 mm×1500 mm；E軸柱截面由1300 mm×1300 mm過渡調整為1500 mm×1500 mm。框架梁主要尺寸為H1200×500、H1000×300、H600×300。為了有效傳遞連體桁架豎向及水平力，在兩側塔樓內與連體桁架相連的兩跨內，從一層至屋面設置鋼支撐。

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JGJ 3-2010《高層建筑混凝土技術規程》10.5.6條，連接體及與連接體相連的結構構件在連接體高度范圍及其上、下層，抗震等級應提高一級采用，故L9層至屋面層相應構件均較下部提高一級考慮。主要結構布置詳見圖3～圖8。

3 分析要點

本工程不規則項有：①樓板不連續，連體層大開洞，樓板有效寬度小于50%;②剛度突變;③構件間斷，為連體結構;④局部不規則，個別樓層位移比超1.2;⑤特大跨度連體結構。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構桁架連接，形成連體結構，同時兼做兩棟塔樓的水平交通樞紐。鋼結構桁架作為關鍵部位，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）結構抗震計算分析采用 YJK、Etabs 2個符合結構實際受力情況的力學模型且經建設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，復核其承載力。

（3）考慮樓板常出現裂縫，連體桁架、中心支撐、偏心支撐相關區域樓板按彈性膜及零板厚2種工況進行計算，對連體桁架構件及支撐構件進行包絡設計，確保重要構件結構安全。

（4）對鋼結構關鍵節點有限元分析，保證節點安全。

（5）進行彈性時程分析法的補充計算。

（6）對整體結構進行中震、大震下的性能化分析。

（7）連體桁架部分進行舒適度分析設計。

4.2 屋面連體大開洞、超長措施

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

4.3 對L10、L12、L13 層側向剛度不滿足措施

抗震等提高一級，這3層鋼管混凝土柱及鋼支撐定義為關鍵構件，進行性能設計。

4.4 內力調整系數的應用

由于本項目為連體且為重點設防建筑，結構安全系數取 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 減少扭轉效應

本項目水平地震作用采用振型分解反應譜法進行計算，設計內力選用偶然偏心作用和雙向地震作用的包絡值。

5 基于性能的抗震設計結果

本項目的抗震設計在滿足國家、地方規范外，將根據性能化抗震設計的概念進行設計。結構抗震性能目標為 C 級，即多遇地震下性能目標為1；設防烈度地震下性能目標為3；預估罕遇地震下性能目標為4。

關鍵構件包括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、設防烈度地震及罕遇地震作用下的振型分解反應譜法（CQC法） 分析中均已考慮了豎向地震作用的影響。主要結構構件的性能目標如表1所示。

經過分析和驗算，表1中所有構件的驗算結果都滿足相應的性能目標的控制要求。

6 鋼結構桁架受力分析

鋼結構桁架跨度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。考慮連體桁架將2棟塔樓連為整體，平面尺寸達到180 m×60 m，應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《建筑結構荷載規范》，杭州市規定的年最高氣溫為 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 ℃，故可設定樓蓋后澆帶合攏溫度為 7 ℃，因此樓板經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 ℃。主體鋼結構溫度應力按降溫-15 ℃，升溫 35 ℃在施工圖設計階段復核計算。

（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力比情況詳見圖11，由計算結果可知重力荷載為主要作用工況，組合工況下應力比小于 1.0。連體桁架均能滿足設定的性能目標。

7 鋼結構桁架性能分析

（1）性能3-中震不屈服。

連體桁架層結構體系設計結果，見圖12?？梢?，中震不屈服設計時（不考慮樓板有利作用），應力比均小于1.0。連體桁架均能滿足設定的性能目標。

（2）性能4-大震不屈服。

連體桁架層結構體系設計結果，見圖13?？梢?，大震不屈服設計時（不考慮樓板有利作用），應力比均小于1.0。連體桁架均能滿足設定的性能目標。

8 鋼結構桁架舒適度分析

8.1 模態分析

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

從上述結果可以看出，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，滿足規范要求。

8.2 加速度分析

按JGJ/T 441-2019《建筑樓蓋結構振動舒適度技術標準》5.1.1 及條文“餐廳、展廳等同時行走的人數多但步頻很低，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、每跨雙人連續行走激勵。各樓加速度峰值結果如圖17～圖19所示。

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

綜上所述，鋼桁架舒適度設計滿足規范要求。

9 結束語

本工程為特大跨度連體結構超限項目，結構體系采用鋼框架一支撐體系。針對工程超限情況， 結構設計通過豎向及平面結構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，對關鍵構件采取更為嚴格的抗震構造措施，關鍵抗側構件及節點部位采用鋼/鋼管混凝土等高延性構件，提高結構安全標準及耗能水平，確保整體延性的發揮同時在整體結構及構件設計中全面融入抗震性能化設計的思想。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指標外，抗震性能目標滿足既定要求，設計合理有效，并且安全可行。

參考文獻

［1］ 鋼結構設計標準： GB 50017—2017［S］. 北京： 中國建筑工業出版社，2018.

［2］ 高層民用建筑鋼結構設計規程： JGJ 99-2015［S］. 北京： 中國建筑工業出版社，2016.

［3］ 建筑樓蓋結構振動舒適度技術標準： JGJ/T 441—2019北京： 中國建筑工業出版社，2020.