南京青奥中心会议中心结构设计与分析(建筑)

                     南京青奥中心会议中心结构设计与分析(建筑)

                   张雄迪¹，  张付奎¹，  杨  鸿²，  任庆英¹

（1中国建筑设计院有限公司，北京100044；2深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司，深圳510045）

[摘要]  南京青奥中心会议中心地下2层，地上6层，由于其功能多样性，建筑空间布置、流线设计十分复杂，经比选最终采用钢框架-中心支撑束筒结构体系。着重介绍了该工程结构体系的选择过程、结构体系的受力特点、基于性能的抗震计算原则及方法、整体计算结果、弹塑性时程分析结果。在大量分析计算的基础上，提出了相应的超限设计措施，使得结构能够更好地实现预定的性能目标。

[关键词]  南京青奥中心；超限复杂高层；基于性能的抗震设计；钢框架-中心支撑束筒

中图分类号：TU391 文章编号：1002-848X(2016)11-0015-06

1  工程概况

    南京青奥中心工程概况，其中会议中心地上6层，建筑高度45m，建筑面积约为12

万m²，高星级酒店和商业办公建筑地上建筑面积约为26万m²，包括两栋高度分别为240m和300m的超高层建筑，会议中心实景图见图1。

 

    工程设计基准期为50年，结构耐久性年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0. 1g，地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为乙类，结构安全等级为一级，抗震措施按8度考虑。

    南京市的基本风压50年和100年一遇分别为0. 40kN/m²和0. 45kN/m²。风压高度变化系数根据B类地面粗糙度采用。由于本项目外形复杂特殊，最终风荷载按风洞试验和规范取包络值。

    拟建场地位于南京市建邺区，原为农田，场地较平缓。根据勘探揭露岩土层分布，结合南京市区地貌图及南京地区工程地质图，拟建场区位于长江漫滩地貌单元。岩土层分布较复杂。本工程安全等级为一级，场地复杂程度为中等，地基复杂程度等级为中等，确定岩土工程勘察等级为乙级。拟建建筑地基基础设计等级为甲级，建筑抗震设防类别为乙类，基坑工程侧壁安全等级为一级。通过场地剪切波速试验，判定该场区为Ⅲ类建筑场地，特征周期为

0. 45s。

2  结构体系选择

    南京青奥中心的建筑方案是由英国Zaha HadidArchitects设计，会议中心由于其功能的多样性，建筑空间布置、流线设计十分复杂。会议中心由四块功能分区组成。首层至15m标高为四个单体建筑，15m标高以上四个单体建筑连接成一个整体，其相应建筑功能见表1。21~27m标高为建筑物的机房和内部用房层，27m标高以上建筑功能以小空间的会议室为主。整个建筑物的空间体量为170m×170m×45m。建筑空间布置如图2所示。

 

    根据建筑功能布置，整体建筑由四个相对独立的建筑空间组成，初步结构设计方案拟采用混凝土筒体加钢结构混合结构体系，采用防震缝将建筑分成四个单体，如图3所示。采用此方案的优点是可以适当地节约造价。但是随之带来以下问题：1）防震缝将影响外立面建筑效果，上部楼层单体间连接区域较难处理；2）单体间抗侧刚度差异大，变形协调较困难，难以确定防震缝宽度；3）四个单体均存在平面不规则、高位转换情况，均为超限建筑。

 

    综合上述三个问题，改变结构方案，采用了钢框架-中心支撑束筒的结构体系。根据建筑的空间布置，将四个单体在15m标高以上通过结构连接为一个整体。采用该结构方案，有以下三个优点：1）能够较好地实现建筑外立面效果，四个单体间的复杂空间关系较容易实现；2）单体通过上部三层结构层相互连接，共同承担地震作用，增加结构整体抗侧刚度；3）结构整体性较好，较容易实现建筑大空间上部的分隔及功能。

    基于上述认识，通过与建筑专业配合，优化分析，形成了钢框架-中心支撑束筒的结构体系，15m标高以下由四个独立的单体组成，每个独立单元由若干个钢结构中心支撑电梯筒作为主要竖向受力构件，和周边钢柱共同抵抗水平和竖向荷载作用，协同楼面系统一起给结构的侧向稳定性提供保障。从15m标高开始连成一体，形成平面尺寸约160m×190m的独立建筑物，内有会议厅、多功能厅和音乐厅组成的无柱大空间，由于各独立单元相互连接时跨度较大，最大达50m，局部采用桁架作为连接构件。结合建筑功能及平面布置，在多个大空间顶部设置矢高为4.5~ 6m的整体交叉桁架加强层，将底部四个相对独立的结构单元连为一体，同时实现27m标高以上夹层及异形屋顶不规则柱网的转换；建筑周边及四个单体的入口处的框架柱为实现建筑形态采用了多折点斜柱形式。会议中心结构布置如图4所示。

 

    中心支撑束筒的钢柱和斜撑采用H形截面，局部杆件采用箱形截面。外围斜柱和桁架上转换柱采用圆柱。桁架、框架梁和楼面梁采用H形截面。钢材强度等级采用Q390B和Q345B。

3  结构分析

    由于结构布置复杂，导致本工程结构具有较大的不规则性，主要表现在以下几个方面：1）结构上、下柱支撑不连续，存在柱转换；2）平面凹凸尺寸大于相应边长的36%；3）相邻层质心相差大于15%；4)楼板开洞面积大于30%；5）考虑偶然偏心的扭转位移比大于1. 4;6）存在穿层柱、斜柱。综上所述，本工程存在构件间断、凹凸不规则、偏心布置、楼板不连续、扭转不规则等不规则情况，属于体型复杂的建筑结构。

    针对该结构的受力特点以及不规则情况，主要采取了以下加强措施：1）加强15m标高、21m标高、27m标高3层结构的平面整体性，适当加厚楼板，根据楼板有限元分析的结果适当加强楼板配筋；2）严格控制束筒和转换构件的应力比，对于重点部分的构件和厚度大于35mm的钢材采用高建钢；3）加强节点处刚度，保证“强节点弱构件”的设计要求,4)根据抗震概念设计及大震弹塑性分析的结果对关键部位采取适当构造，对于束筒、转换桁架的性能目标定为“中震弹性”、“大震不屈服”，对于一般桁架、框架柱的性能目标定为“中震不屈服”。

    本工程的主要计算程序采用了MIDAS/Gen( V795)，PMSAP( 2011. 03)软件，计算时假定弹性楼板，考虑楼板平面内实际刚度。结构在多遇地震作用下阻尼比取值为0. 02，罕遇地震作用下阻尼比取值为0. 05。由于会议中心的结构体型巨大，且没有任何伸缩缝，在计算中考虑了温度变化导致的附加应力对已建成结构的影响，根据南京气象资料取施工合拢温差为±25℃。

3.1结构分析的主要结果

    表2为结构分析的主要结果。通过对比分析可知MIDAS/Gen及PMSAP两种软件分析的各项指标一致且有相同规律。各种计算结果表明，地震作用是结构的控制因素，风荷载不起控制作用。从线弹性分析结果来看，结构具有合适的刚度，满足各种工况下的计算要求。对比两种计算软件分析结果发现，反应谱及时程分析结果具有一致性和规律性，符合工程经验及力学概念所做的判断。结构是合理及满足要求的。

 

3.2结构扭转位移比偏大的分析

    会议中心在3层以下，结构为四个独立的单体，因此在3层中，程序提取的最大水平位移与平均位移比是失真的。当3层以上结构连接为一个整体以  后，结构的最大水平位移与平均位移比都小于1.4．见图5(a)，能够满足规范的限值要求。最大层间位移与平均层间位移比值，见图5(b)，其超限的主要原因是由于本工程周边都是斜柱而且斜度都比较大，程序提取的扭转位移比往往位于楼板边角部（斜柱处），从而导致了每层的比值都比较大。通过提取查看束筒的结构扭转位移比，可以发现其都是能够满足规范要求的。

 

  3.3楼板应力分析

    由于本工程存在大量楼板不连续，并且在15m标高、21m标高、27m标高这3层既是四个单体的连接层，又是转换层，因此需对该3层进行小震和中震下的楼板应力进行分析，考察楼板在地震作用下的受力情况。

    由图6可以看出，在小震和中震作用下，除楼板在其与电梯筒交点处由于刚度较大而产生应力集中现象造成应力值异常外，各楼层楼板的最大应力基本未超过混凝土的抗拉强度，楼板保持弹性状态，两核心筒间的楼板也没有出现明显的应力异常，可以满足既定的“中震弹性”的设防目标要求。在满足“中震弹性”的情况下，通过适当的构造加强，增加楼板在大震作用下的抗裂性能。

 

4  非线性地震反应分析与抗震性能评价

    为进行结构的非线性地震反应分析，利用MIDAS/Gen建立了南京青奥中心会议中心的三维非线性结构整体分析模型。对梁、柱、斜撑等构件采用集中铰模型；梁单元两端设置MM塑性铰；柱斜撑单元设置PMM铰。钢材采用Kinematic hardening（随动强化型）滞回模型。

    将从构件塑性变形与塑性变形限值的大小关系、关键部位的关键构件塑性变形情况对结构性能进行评估，以保证结构构件在地震作用过程中有能力承受竖向地震作用和重力荷载，以及保证地震作用结束后结构仍有能力承受作用在结构上的重力荷载，从而保证结构不因局部构件的破坏而产生严重的破坏或倒塌。

    分别输入沿X向为主的地震波后，人工波、天然波1、天然波2作用下结构最大层间位移角分别为1/340，1/349，1/257，平均值为1/309，均远小于1/50的规范限值。分别输入沿1，向为主的地震波后，人工波、天然波1、天然波2作用下结构最大层间位移角分别为1/236，1/247，1/292，平均值为1/256，也均远小于1/50的规范限值。结构两个方向的基底剪力见表3。

 

    本文选取天然波2作用下的分析结果进行说明，各构件的塑性铰分布如图7所示。结构的大部分塑性铰处于第一级别( Level l)，四周斜柱和框架柱只有局部几个构件出现了强度退化，大部分的塑性铰出现在中心支撑束筒，但强度退化不大。水平构件中，框架梁基本上未出现塑性铰，15m和27m标高处的桁架局部杆件出现了塑性铰，但是强度退化程度都不大。

    同时，假定楼板在大震作用下发生损伤不能提供完全刚度，考察这种情况下整体结构的损伤情况，塑性铰分布及连接桁架、转换桁架的受力变形。为模拟楼板损伤，将楼板刚度减小10倍进行计算。

    分别输入沿X向为主的地震波后，人工波、天然波1、天然波2作用下结构最大位移分别为0. 160，0.117，0.156m，最大层间位移角分别为1/170，1/252，1/188，平均值为1/198，均小于1/50的规范限值。分别输入沿Y向为主的地震波后，人工波、天然波1、天然波2作用下结构最大位移分别为0. 149，0.102，0.133m，最大层间位移角分别为1/184，1/291，1/224，平均值为1/225，远小于1/50的规范限值。

 

    竖向支撑体系、钢桁架和钢梁的塑性铰分布如图8所示。从分析结果可知，电梯筒及钢桁架的损伤与楼板刚度不折减情况相比有所增加，但绝大多数塑性铰处于第一级别( Level 1)，即构件只受到轻微破坏，地震过后不需修复即可继续使用，小部分塑性铰处于第二级别( Level 2)，即构件受到一定破坏，地震过后进行一定修复即可继续使用。在大震作用下构件没有出现损伤程度更高的塑性铰，可以满足设定的性能目标的要求。

 

    通过对弹性楼板及弱化的弹性楼板整体结构的大震动力弹塑性时程分析可知，目前采用的结构体系与方案以及构件尺寸能够满足大震作用下结构的抗震性能目标。虽然大震作用下的结构非线性地震反应分析结果显示，部分构件进入弹塑性工作状态，出现强度退化，但退化不大。部分构件进入塑性出现强度退化后，整体结构具有足够的能力进行内力重新分布来维持其整体稳定性，承受地震作用与重力荷载。

5  结语

    南京青奥中心会议中心由于其建筑功能的多样性，建筑空间布置、流线设计十分复杂，给结构设计带来了很大的挑战，如何在保证结构安全的前提下，使得结构与建筑完美统一，是本次工程结构设计的主要目标。本工程结构设计中，经过方案比选，结构设计最终采用了钢框架-中心支撑束筒的结构体系。采用了基于性能的抗震设计方法，根据构件的重要程度，分别制定相应的抗震设计方法，根据构件的重要程度，分别制定相应的性能目标，并采取适宜的分析手段进行验证，是一种行之有效的设计思路。