虹桥搜候商务广场复杂连体结构设计

 李亚明，  张良兰，  石  硕，  潘其健

 （上海建筑设计研究院有限公司，上海200041）

[摘要]  以虹桥搜候商务广场复杂连体结构为背景，阐述其连接体的主要设计理念和设计内容。该项目连接体数量多、造型复杂、体量大，其中3个位于低位、3个位于高位，受力复杂。设计中在天桥两端设置铅芯橡胶支座，通过支座隔震使主楼达到各自受力的目的，既简化了连接体传力路径，又减轻了其对主体结构的不利影响。为提高连接体在大震下的安全储备，在支座两端设置防跌落装置。常规荷载及小震作用下，取独立模型进行计算，并考虑支

座的弹性刚度；大震作用下，取整体模型进行弹塑性时程分析，以评估支座的隔震效果及变形情况，为支座构造的设计提供数值依据。通过对连接体进行竖向和水平荷载作用下的变形分析、受力分析及舒适度分析，验证了结构各项性能指标均能满足规范的要求，隔震支座的隔震效果明显，支座构造能够满足结构变形的要求，表明该结构设计合理有效。

[关键词]  虹桥搜候；连体结构；铅芯橡胶支座；舒适度分析

中图分类号：TU973 文章编号：1002-848X( 2016)07-0001-05

1  工程概况

 虹桥搜候商务广场位于上海市长宁区临空经济园区15号地块，地上部分4栋弯曲建筑单体穿过基地，并设有4个下沉广场，各建筑单体均为11层，高度为40m，主要为商业、办公综合性建筑。其中，1层建筑功能为商业和餐饮，2~ 11层建筑功能为办公；整个场地内设有2层地下室，主要功能为车库、设备用房、影院和配套用房。项目总建筑面积为

346 869m2，其中地上建筑面积215 410m2，地下建筑面积131 459m2。地面4个塔楼长度在155~302m之间，宽度均为25m。4个塔楼通过设在3，4层的1—3号天桥（连体）和10，11层的4~6号天桥（连体）连为一体，整体建筑造型如图1所示。

 根据建筑设计理念要求，连体形态与主体结构的流线型需保持一致，连体局部效果放大图如图2所示，底部用金属板包覆，两侧为玻璃幕墙，达到了呈现通透室内效果的要求。

 本工程主体结构（地面塔楼）采用现浇钢筋混凝土框架一抗震墙结构体系，6个连体采用钢结构空腹桁架结构体系。整个结构形态复杂，连体与主体结构之间的连接方式及构造是本项目设计的一大难点。

 根据建筑平面布置，连体内部空间均为办公空间，顶部为屋顶绿化。由于层高的限制，结构厚度也受到相应的限制。

2  连体概念设计

 本文所研究的连体建筑为非对称多塔连体结构，共4座塔楼、6个连体，编号如图3所示，连体和主体结构造型均为曲线。其中3个连体位于3，4两层（顶顶标高11. 5m），另外3个连体位于建筑顶部两层（标高40m），连体厚度7m，最大跨度达53m，连体宽度最窄处（跨中）约10m、最宽处（两端与主体塔楼连接处，简称“喇叭口”）达30m。选择其中跨度最大、最典型的连体结构（即5号天桥）进行详细分析。

 由于所研究连体结构形态非常复杂，如果将连体与主楼之间采用刚性连接使他们成为一体，则结构将集复杂连体、高位转换、超长(平面尺寸约360m×200m)、扭转不规则于一身，受力非常复杂，属于《建筑抗震设计规范》( GB  50011-2010)…（简称抗规）中的严重不规则建筑，是抗震概念设计理念强烈建议不应采用的结构。因此，为了满足建筑师和业主的要求，同时保证结构安全，主楼与连体之间采用弱连接最为合理。通过弱连接构造，把4座塔

楼分成4个独立的结构单元来承受荷载，从概念设计上使结构合理化，大大地减小结构地震效应，同时节约工程造价。

根据目前的结构隔震减震技术，已容易实现弱连接构造，且现行抗规专门增加了隔震消能减震设计方面的内容，为本项目采用弱连接提供了理论依据。隔震和消能减震是减轻建筑结构地震灾害的有效技术，隔震体系通过延长结构的自振周期，能够减小结构所受到的水平地震作用，这已经被国外强震记录所证实，国内外大量试验和工程经验表明：隔震一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右，从而能消除或有效地减轻结构和非结构的地震损坏，提高建筑物及其内部设施和人员的安全性，增加震后建筑物修复后继续使用的可能。同时，采用消能减震方案，通过消能器增加结构阻尼不仅可以减小结构在风荷载作用下的位移，而且对减小结构水平和竖向地震反应也是有效的。

 主楼与天桥之间的弱连接构造采用抗规中的铅芯橡胶支座来实现，从而大大弱化主楼之间的共同作用，使主楼基本上达到各自受力的目的，从而使得结构由特别不规则演变成4栋相对规则的框架一剪力墙结构。

 结构计算时，采用独立模型对常规荷载和小震作用下的内力和变形进行计算，同时评估大震作用下独立模型中桁架杆件的应力。同时，为了考察隔震支座的隔震效果、考虑连体对主体结构的影响，采用动力时程分析法对结构整体模型进行大震作用下

的动力性能分析。

3  连体结构设计

根据建筑形态和功能要求，在靠近连体的两侧面分别设置一榀双层混合空腹桁架（跨中无斜腹杆、靠近支座两端设置斜拉杆），在“喇叭口”处另外设置二级空腹桁架。楼面标高处主桁架之间通过楼面次梁和楼板连接。根据建筑幕墙分隔间距要求，主桁架竖腹杆间距约为4 200mm。根据建筑净高和效果要求，主桁架弦杆和竖腹杆均采用截面尺寸为500×500的方钢管。将楼面梁截面高度控制在390mm，由于结构厚度限制，楼面梁底部与桁架弦杆底部平齐，组合楼板顶部与桁架弦杆顶部平齐。结构构件布置如图4所示。连体结构断面图如图5所示。

连体隔震支座设置在空腹桁架中间层弦杆的两端及桁架靠近塔楼的一端，上下层弦杆两端均释放所有自由度，连体两端与主楼结构之间设置300mm宽的防震缝，如图6所示。

4  连体与主体结构连接构造

 连体与主体结构之间采用隔震支座连接，隔震支座位于主体结构外伸牛腿之上，为了防止大震下连体结构位移过大而跌落，在连体与牛腿之间设置防跌落装置。连体支座构造详图如图7所示。

 隔震支座（铅芯橡胶支座）力学参数通过计算确定，支座内胶采用G6天然橡胶，外胶采用600（邵氏）氯丁橡胶。

5  连体性能分析

5.1变形性能

 连体结构竖向位移如表1所示。由表1可知，连体结构跨中最不利挠跨比为1/545，满足规范L/400（L为结构跨度）的限值要求，悬挑端最不利挠跨比为1/3 55，满足规范L/200的限值要求。连体结构水平位移如表2所示。

5.2受力性能

 连体结构杆件应力比分布图如图8所示，从图中可以看出大部分杆件应力比在0.6以下，最大不超过0. 85，结构受力满足规范要求。

5.3抗震性能分析

5.3.1小震性能分析

 小震计算时采用独立模型进行分析，连体结构前10阶自振特性如表3所示。由表3可知，第1阶振型为y向平动，第2阶振型为X向平动，第3阶振型为扭转，第9阶振型为较明显的竖向振动。结构典型振型如图9所示。

 由于连体两端都设置了铅芯橡胶隔震支座，连体结构设计需要考虑的问题主要有两个：一是设置合理的防跌落措施，二是考虑竖向地震的影响。防跌落措施的总抗拉承载力按照重力荷载代表值的0.3倍取值，而竖向地震作用参考抗规第12.2.1条取值，本工程将按照8度(0.2g)取值，即取竖向地震作用标准值为结构重力荷载代表值的20%。在连体的主桁架两端隔震支座处设置防跌落装置，每个连体共设置4个，每个防跌落装置的抗拉承载力设计值取上述总抗拉承载力（0.3倍重力荷载代表值）的1/4。

5.3.2大震性能分析

 为考察隔震支座的隔震效果及罕遇地震下结构缝宽能否满足支座变形要求，采用MIDAS/Gen软件建立带天桥的多塔连体整体模型，连接天桥和主体结构的支座采用铅芯橡胶隔震支座单元，计算方法采用动力时程分析。该整体模型能考虑地震波作用下各塔由于自振特性不同造成的相互不同相位振动对连体结构的影响。

 考虑到3，4层的3个连体位置较低且下部有桥墩支撑，连体的水平位移较小，对结构的水平作用较小，结构缝宽能够满足其变形要求，故本次整体模型中仅针对10，11层的连体的支座变形和受力进行分析，整体模型如图10所示。

 动力计算时，根据主体结构在大震下的相对变形来确定支座的设计变形，再根据此变形数值查询产品参数表，最后通过整体结构计算进行验证并调整确定支座参数。本文最终确定的支座参数为：水平向第一刚度k=3 850kN/m，屈服力F y=195kN，屈服后刚度与弹性刚度比r =0.1。

 经过分析可知，隔震支座最大水平位移发生在4号天桥3号支座，其值为282. 74mm，设计的防震缝宽度为300mm，满足罕遇地震下的支座变形。所有铅芯橡胶隔震支座始终受压，支座最大轴向压力和最大水平剪力均在隔震支座承载力范围内。

 在主楼牛腿端部产生加速度峰值的大小及数量远多于连体弦杆端点，隔震支座对地面加速度的隔离效果明显。

 从对整体模型进行罕遇时程分析的结果中可知，隔震支座设计参数选择合理，罕遇地震作用下隔震支座的效果明显，支座各向承载力能够满足要求，防震缝宽度适合。

5.4舒适度分析

 根据以上自振分析可知，连体结构竖向振动频率为1. 82Hz，小于3Hz，但考虑到连体的功能为办公，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规）第3.7.7条条文说明，应验算竖向振动加速度，根据高规附录A进行如下计算：

其中，L为连体跨度；B为楼盖阻抗有效质量的分布宽度，m；C为垂直于连体跨度方向的楼盖受弯连续性影响系数；ϖ为楼盖单位面积有效重量；a p为楼盖振动峰值加速度；F p为接近楼盖结构自振频率时人行走产生的作用力；p0为人们行走产生的作用力；f n为楼盖结构竖向自振频率；β为楼盖结构阻尼比；g为重力加速度。根据计算结果可知a p满足高规的要求。

6  结论

 (1)连体结构应综合考虑建筑造型和功能要求，采用合适的结构形式。

 (2)连体与主体结构的连接构造应该考虑塔楼的受力和变形性能。

 (3)本文所研究的连体结构体系能够较好地满足建筑造型和功能的要求。

 (4)通过采取合理的连接构造（铅芯橡胶支座），本文所研究连体结构的各项性能均能满足规范的相关要求。

 (5)本文对连体结构所采取的相关设计技术能够为类似项目提供一定的参考。