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海世博会中国馆国家馆结构设计与研究
RSS 打印 复制链接 发布时间:2012-05-17 23:42:46

方小丹:各位前辈、各位领导、同仁,以下我代表上海世博会中国馆国家馆的设计团队来给大家汇报一下上海世博会中国馆国家馆结构设计的情况。

世博会中国馆在世博会园区浦东区域主入口的位置,由国家馆、地区馆和港澳台三部分组成。其中,国家馆被称为“东方之冠”,底部架空,展区部分层叠出挑,平面尺寸由底部的69.9米X69.9米,到了路面是134.4×134.4,整个中国馆现在已经超过了16万平方米。大致情况是这样的,这是地区馆部分,A区的是国家馆的部分。

分布是这样的,分成了国家馆是独立的。这是它的模型,从模型可以看到它的情况,地下是一层,顶上是两层,是四个大柱子,由筒体这里展出一些斜撑,这个斜撑是用来支撑整个层层出挑的木杆,整个斜撑总共有20根。结构是这样的,整个体系是钢筋混凝土筒体加上整个楼盖的结构体系。4个筒体18.6×18.6,四个落地筒除承担竖向荷载外,还承载了地震荷载。20根斜柱是800×1500,厚度是35个mm。

楼盖。楼盖采用密肋梁,钢筋桁架的模板,密肋梁和混凝土、楼板做成一个主的楼盖,楼板的厚度是130厚。到了这个楼盖,这个楼盖是60.3,板厚是1.4,贴面这一层往外的推力还是比较大的,所以我们做了一个预应力,昨天我在上面再检查一下楼盖的情况,整个楼盖是130多米见方的楼盖,到目前为止还没有发现什么裂缝,它的整个筒体非常大。

荷载。这个展区的荷载比较大。这是展厅的平面,在这个图上可以看到。中间是四个筒体,然后是20根斜撑,这是它的一个剖面情况。这个楼梯间里面还有很多隔板在核心筒中间,因为我们要算一些层间位移的东西,所以最后划分成7个楼层,实际上里面还有很多隔板。

基础。基础设计。它的基础是采用罐注桩基础,桩48,我们用了一个420吨的承载力,后来加的时候加到11级,到我们这个国家馆这里由于地铁方面的要求,非常靠近周家嘴站,这里用了一个350吨。所有这些桩的竖向承载力抗压实验都可以满足,都达到了设计的要求。

这个工程,我们在抗震方面还是作为比较重要的问题来考虑。设计基准期是50年,结构耐久性是1百年。建筑结构安全等级为一级。我们目标是这样的。结构处于弹性阶段,中震斜柱处于弹性。我们一般做设计的时候都是这么控制的,一般控制在0.2个SCK里面,如果是这样控制的话,你做弹性分析,或者是动力分析的时候绝对不会出现问题。

这是一些参数,大家从3个曲线中可以看到,上海规程地震作用是最大的,我们结构周期1.4秒左右,1.41,1.41秒左右,安评报告是最小的,然后国家规范,安评报告,按照国家规范安评报告是最小的,为什么小呢,在短周期的时候最大标准还是大的,但是衰减期比较快,做出来的衰减是比较大的,我们觉得或是做得不错的,实事求是把这个数字做出来,因为软骨这么厚,衰减肯定是大的。最后是考虑到它是一个比较重要的结构,最后我们还是用一个上海规程来做设计,而不是用安评的结果,做出来的结果会偏于安全一些,底部的剪力也会比较大一些。

整个结构的基本数据是这样的,低振型是一个扭转振型。用好几个程序算出来都扭转振型,1.41、1.46,这个零点的位移角度是比较小的,集体的剪力,因为我们上海用的场地是室外场地,这个是0.9秒,如果是安评是0.7,我们用了0.9秒,这个结构还是比较单的。大家看到最大层间位移要跟我们做的振动台实验还是比较接近的。

底下是对扭角振型是低振型来做一个讨论。算下来的结果是这样的,结构的抗剪承载力是由剪力墙提供的,都承载于核心筒上,相对18.6见方的结构上面是非常小的,所以主要是剪力墙来提供,四个筒体剪力墙沿竖向连续,没有突变,结构刚性比为19.1,非常稳当,满足不小于1.41的要求。这是19.1,加强部位本来就控制在0.4以下,现在安评是0.3左右,最不利地震作用方向为负17度,其计算结果与X、Y、45°方向的计算结果接近。在考虑偶然微型地震的偏向地震作用下最大的水平位移,楼盖竖向构件的最大水平位移为屋面两端竖向构件弹性水平位移平均值的1.18倍,小于1.2,所以看到这个结构虽然扭转振型是低振型,但是转位移小于1.2,如果是按照规定评定标准来讲还是属于扭转固定不规整的结构,但是扭转振型是低振型。

接下来对扭转振型是低振型做一些讨论。为什么扭转振型是低振型呢,大家可以看到这个样子,层层出挑导致质量和分布范围越来越大,转量大了以后尽管扭转难度是非常大的,所以扭转周期就变成了低周期。以下通过位移看一下是否可以满足规范的要求,实际上是可以满足规范要求的,只是这个结构是好,还是不好的问题。我们把这个核心筒一个方向的剪力墙削弱了,我们做一个研究,把削好的墙做成这样,中间的剪力墙去掉,这样我们削弱它的刚度,第一个周期就平动周期变成了1.7,扭转变成了1.26,这样是可以满足要求的,周期里面是0.87,但是频刚度减少80%,增大了一倍,而且原本为基本对称布置的抗侧力构件认为变成不对称的布置,对结构抗震也是不利的。

我们觉得整个结构整体变形是各个结构上面变形协调的结果。这个工程是4个平面尺寸,18.6M×18.6M,结构平面规则对称,总这个计算中可以看到单个混凝土为平均水平的1.1倍,可见筒体的扭转效应是不明显的。所以可以看到抵抗扭转不是筒体本身的扭转,而是一个平动,也就是说像太阳公转一样的,而由公转来抵抗扭角,而不是由自转来抵抗扭转。

另外,这次可以看到一个数据,虽然扭转振型是低振型,但是第一扭转振型引起的扭矩仅为第一平均振性考虑偶然偏向引起震振型的百分之十一。虽然扭矩周期是低周期,但是扭转反应必然会严重,对结构的判断影响不大,最后也证明了这一点。当时我们在讨论这个问题的时候在想要不要限制周期的问题,我们对这个问题有一些讨论,但是我们感觉不应该。

这个扭转振型是靠本身动力特性的问题,它不见得是扭转刚度的问题,扭转引起什么样的后果呢,如果你扭转刚度做得非常大,那一样引起的扭矩也会大,你小的话扭矩也会小,因为扭转刚度大的话一定会变形,所以扭矩就会大,这是很显然的现象。所以我们觉得关键还是要考虑你这个结构能不能吸引它这个变形,我觉得这才是一个关键的问题。包括位移点的控制,1.2、1.4、1.5、1.6、,拿一个极端的例子来讲,如果你平动刚度的话,只有连着两个扭转,那扭转位位移就是无穷大,1.4、1.5、1.6,无穷大,所以这方面还是要做多一点的研究。

我们这个结构加强的时候是这样的, 1)通过加强结构的抗侧刚度,从而控制结构的扭转变形,从对比分析可以看出结构抗侧刚度增大后,扭转角约减少了49%,结构的扭转位移比小于1.2,满足了规范关于扭转规则性指标的要求。2)在各混凝土筒体的转角部位设置方钢管,除方便与钢管混凝土斜柱的连接,缓解局部的应力集中外,更主要的是可提高混凝土筒体的极限变形能力,提高结构的抗震性能。3)剪力墙的抗震等级提高至特一级,适当提高底部加强区剪力墙的配筋率至0.6%,控制筒体剪力墙在大震弹性作用下的剪应力水平不大于0.1fck,控制筒体剪力墙的轴压比不大于0.4,连梁内增设型钢。4)加强建筑外围的桁架与斜柱的连接。
想到的措施我们都考虑了,所以这个结构非常地稳当的。

再有一个问题就是层间的刚度。如果是按照国家规范来讲,楼层的侧向刚度比值是0.33,但其根本原因在于层高差别较大,实际上四个筒体的截面尺寸由下至上保持不变,连梁位置也是基本不变,这么一个悬盖梁,层高是隔板的间距,也就是说层高给除掉了,但是不管怎么说,因为要应付一下施工图审查这些,因为时间非常的紧张,我们还是放大了1.6倍,就算放大1.15倍,也不会增加这个钢,因为我们剪力水平本身就比较低,所以增加1.6倍也不会增加什么钢筋,也不会增加什么容量。

我们考虑到这个工程比较重要,斜柱这也是一些专家关注的地方。实际上这个斜柱我们觉得它是最安全的,为什么呢,因为这个斜柱的轴力恒载、活载加起来小震1千多kN,大的2千多kN,小震引起的轴力非常小,到中震也非常小,加起来不超过它的20%,小震引起的弹性轴力发生的竖向荷载,不超过它的20%,到中震的话不超过25%。

连梁。中震下,剪力墙连梁的最大剪压比不超过0.1,中震的时候也不会有什么破坏。罕遇地震的时候会破坏,但是到罕遇地震要不破坏也是可以做得到的。这个工程我们还做了一个弹塑性的静力分析,对于大震作用下结构的弹塑性静力分析,分别采用的倒三角形和矩形分布模式侧推荷载,求得的需求层间位移角为1/319和1/354,均远小于1/100的要求。从分析看到由于连梁塑性铰的不断出现,各墙肢受力趋于均匀,在过了大震下的需求点后,又继续给结构施加一个较大的位移,剪力墙仍未破坏。

我要在这里简单地说一下,现在有一些疑问,就是这个剪力墙行不行啊,有什么问题啊,实际上动力墙很大的问题是什么呢,就是最基本的理论要搞清楚,但是很多东西没有搞清楚,经常是这样的,这个动力墙还有一个缺点,大家统计下来不是那么太稳定,静力弹塑性还不是很稳定,所以在目前的情况下我觉得还是可以有这么一个替代的一种方法,就是用动力弹塑性,它有一个比较好的稳定性,是偏安全的,你要是弹塑性做出来不行,那静力弹塑性肯定就不行了,如果是做出来是行的话,那静力弹塑性也行。

因为时间的关系,就讲一下模拟地震振动台的实验。考虑到还是比较接近的,包括扭转力还是比较接近的,其他一些稳定啊,还有楼盖舒适度方面我想可以看一下文章,因为时间不够了。

还剩下2、3分钟,讲一下楼盖的舒适度,现在楼盖舒适度没有什么规范的规定,现在大家可以参考文献来做一些分析。我们有什么感觉呢,就是对这个跨度比较大,荷载比较大的结构来控制它的频率不要小于3个赫兹,就是人行天桥的规定,这是比较困难的。实际上我们觉得控制它的竖向加速度还是比较合适的,那怎么做呢,我们有很多种方法,我们的做法是做一个白噪声看一下楼盖的反应,做下来是0.03,远小于一般的0.15,所以这个效果还不错,至于这个周期还是比较接近的,我们是3.0,那是什么样的问题呢,你在楼面上跳啊,什么的都没有什么反应,主要是因为它的主抗非常大,这样控制它的加速度更好。

因为时间不太够了,我就不耽误大家的时间了,所以给大家介绍到这里。
 

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