微信公号星标设置提示及多筒体支承大跨空间结构文献引用

微信公号星标设置提示

由于微信公众号的推送规则已经进行了更新，为了确保您能持续获取我们的文章，请您将“建筑结构”公众号添加为星标，并且记得在文章末尾点击“在看”以及“赞”按钮。

在公众号的主页界面，您需要先点击屏幕右上方的三个点符号，接着选择“设为星标”选项。完成这一步骤后，公众号名称旁边便会显现出一个黄色的五角星标记。无论是Android还是iOS用户，操作步骤都是一致的。

李建伟、赵勇、杨斌斌等人共同发表的论文，题目为《多筒体支承的大跨空间结构设计与研究》，该文发表于《建筑结构》杂志2021年第51卷第1期，页码为19至25。

简上体育综合体建筑高达54米，集成了多种体育活动场馆，其设计巧妙地通过东侧和南侧的层层退让，塑造出独特的块体交错建筑形态。为了满足这一特殊建筑形态和功能需求，结构设计采用了由多个筒体支撑的大跨度空间桁架结构，并通过筒体间的桁架将3至5层的重力荷载有效传递至地面上的筒体。六个钢筋混凝土筒体借助多根大型桁架的连接，形成一个完整的结构体系，依靠楼盖的协同作用，共同抵御水平方向的力。文中着重阐述了结构体系及设计理念、多筒体间的协同作用分析、连续倒塌抵抗力的合理设定与模拟。同时，提出了大型体育馆的舒适性设计规范及加强措施；并对节点设计进行了深入研究，旨在揭示结构在各种作用力下的工作性能。

采用多筒体支承结构，发挥多筒体间的协同作用，有效提升抗连续倒塌能力；同时，注重舒适度设计，优化节点布局。

[id_1061803048]

工程概况

深圳市龙华区民治街道的简上路与新区大道交叉口附近坐落着简上体育综合体项目，该项目的总建筑面积约为65,153平方米，建筑最高点达到54米，包含地上五层和地下两层。其中，地下第一层和地上第一层是多功能馆和游泳馆，两层之间设有连通空间；第二层是体育配套功能用房；第三层则是跆拳道馆、击剑馆、体育舞蹈馆以及乒乓球馆；而第四层和第五层则分别用于羽毛球馆和网球馆。项目建筑效果如图1所示。

图1 项目建筑效果图

该建筑的结构安全等级评定为二级，其结构设计的使用寿命设定为半个世纪，即50年。在抗震方面，该建筑的设计抗震设防烈度为7度（0.10g），属于第一地震设计分组，抗震设防类别属于标准设防，而场地类别则被划分为Ⅱ类。

该工程的基础部分选用了φ500的预应力管桩，其壁厚为125毫米，桩身长度介于10至20米之间。桩端的持力层为强风化花岗岩，每根桩的抗压承载力特征值达到了2,300千牛。在地下室的部分区域，由于自重不足以抵御水浮力，因此采用了管桩进行抗拔，其抗拔承载力特征值为450千牛，桩身长度为13米。

02

轻结构体系

该结构体系选用了多筒体支撑的大跨度空间桁架结构[1]。其核心筒间的最大净跨度达到了46.8米，而在5层及屋面层的西侧和北侧，最大悬挑长度则为19.5米。该建筑2层及以下部分采用钢筋混凝土结构设计，柱网间距为11.7米乘以7.8米。3层以上楼层则采用6个竖向钢筋混凝土核心筒，这些核心筒的尺寸分别为7.8米乘以7.8米和7.8米乘以15.6米。核心筒的外墙厚度为600毫米，使用的混凝土强度等级为C50。为了保障核心筒的完整性和稳定性，内部还设置了厚度为250毫米的隔墙。楼顶结构选用了双向正交的桁架设计，其中3至5层的桁架高度分别为2.9米、2.9米和3.3米，而屋面桁架的高度则是2米。在4层和5层核心筒间，有部分夹层存在，这些夹层区域的桁架高度达到了9.3米。在大悬挑区域，则采用了整层高度的桁架，其高度为15.3米。桁架杆件选用了不同规格的箱形截面，包括350×500×35、350×350×14以及250×250×12等尺寸，使用的钢材牌号为Q420GJC和Q345B。楼板部分则采用了钢筋桁架楼承板，其厚度为120毫米。

筒体四周的四个角落以及支撑桁架的墙体内部安装了型钢，桁架的杆件与核心筒内的型钢实现了刚性连接，这样做既保证了力的传递直接性，又提升了结构的延展性。图2展示了三层结构的平面布局，图3则是核心筒之间典型主桁架的剖面图。

图2 3层结构平面图

图3 结构典型剖面图

本工程的1、2层部分区域存在较大的开口；5层整体结构有所收缩，其核心筒从6个减少至4个；地下1层的篮球馆和游泳馆区域层高较大，该位置的框架柱上下贯通两层；5层及屋顶的主要结构部分存在超过15米的悬挑。依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（编号建质〔2015〕67号），该项目包含扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变以及局部穿层柱等四项常规超限因素，以及一项大跨空间结构超限因素，被归类为A级高度的超限高层建筑。

03

荷载作用

3.1 重力荷载

梁、柱以及剪力墙等建筑构件的自身重量，在计算过程中，由计算软件直接依据构件的横截面尺寸和材料的密度进行确定。附加的恒定荷载包括：各类体育场馆的荷载为每平方米2.0至2.5千牛，幕墙和遮阳设施为每平方米1.5千牛；而活荷载则涉及体育场馆每平方米4.0千牛，室外露台每平方米3.0千牛，走廊、门厅等公共区域每平方米3.5千牛，以及上人屋面每平方米2.0千牛。

3.2 地震作用

水平地震作用的施加方向与主要结构分支方向保持一致，即平行或垂直，并且在进行结构分析时，一并考虑了竖直方向的地震影响以及单侧非对称的偶然偏心效应。在此过程中，竖直地震作用系数的最大值设定为水平地震作用系数的65%。在计算结构位移及构件的承载能力时，需全面考虑三个方向的地震作用，其中SX、SY、SZ的比值分别为1.0、0.85、0.65，阻尼系数则设定为0.03。

3.3 风荷载

深圳地区在计算基本风压时，依据50年一遇的标准，取值为0.75kN/m2；同时，地面粗糙度被划分为C类；此外，体型系数和风振系数的选取则参照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[3](简称高规)的相关规定。

3.4 温度作用

在进行温度计算时，我们参照了深圳市的气温统计数据。这些数据显示，深圳地区的月均最低气温为14.1摄氏度，而月均最高气温则达到了28.2摄氏度。考虑到施工进度安排，钢结构楼盖的施工从2018年11月启动，因此我们选取了11月的平均气温19.7摄氏度作为结构合拢时的温度参考；同时，整体温差则是通过月最高（或最低）气温与合拢温度之间的差值来计算的。在结构负温差分析阶段，选取了气温最高的7月份作为起始温度；而在结构升温分析阶段，则以气温最低的1月份作为起始温度。

04

结构计算结果

弹性计算分析主要依托SAP2000和MIDAS Gen两款软件进行，其中，软件所构建的计算模型均以地下室底板作为结构的固定端，楼板则基于弹性楼盖的假设，而剪力墙、连梁和楼板则采用了壳单元进行模拟，桁架部分则使用了梁单元进行建模。

两种软件得出的数值相差不大，在周期、质量、位移等关键指标上，差异都控制在5%以下。表1展示了使用SAP2000软件进行结构弹性分析的具体数据。观察表格可以发现，结构的第1、2阶振动模式分别是沿X轴和Y轴的平动，而第3阶则是主要的扭转振动模式。此外，第一扭转周期与第一平动周期的比值是0.618除以0.925，等于0.67，而Y向的最大扭转位移比达到了1.56。

结构弹性计算结果 表1

UX、UY、RZ分别代表X方向、Y方向以及绕Z轴方向的振动形态的参与系数。

竖向地震作用分析采用了CQC法进行计算[5]，其中地震影响系数的最大值设定为0.08乘以0.65，计算结果为0.052。此外，场地的特征周期Tg被确定为0.35秒。在承受1.0倍恒荷载和0.5倍活荷载的竖向荷载作用下，基础底部结构所受的总反力达到了887,532千牛；而在单独竖向地震工况的影响下，基础底部结构的反力为25,658千牛，这相当于竖向荷载作用的2.89%，表明整体竖向地震作用对结构的影响并不显著。

选取两组地震天然波和一组人工波，运用MIDAS Building软件对大地震作用下的结构进行了动力弹塑性分析。在计算过程中，同时考虑了竖向地震作用以及P-Δ效应的影响。分析结果表明，X方向的最大层间位移角为1/736，Y方向的最大层间位移角为1/672，两者均未超过相关规范规定的限值。底层剪力墙所承受的最大混凝土压应力为24.2MPa，而剪力墙钢筋所承受的最大拉应力则达到了385MPa，这一数据表明，无论是混凝土的承压还是钢筋的受拉，均未出现屈服现象。此外，剪力墙在剪切方面的屈服基本没有发生，显示出其优秀的抗剪性能。针对大跨度以及大悬挑桁架结构，我们对其进行了大震等效弹性的复核，截面承载力则是基于材料强度的标准值进行计算，而构件的内力则是依据地震作用的标准值来确定。在经历大震等效弹性作用后，桁架端部构件、伸展式桁架以及腰部桁架均能保持材料不发生屈服，故而本工程能够实现抵御强烈地震的性能标准。

05

关键技术研究

5.1 筒体协同效应分析

筒体协同作用主要表现在两个维度：一是在水平载荷的作用下，筒体不仅独立承受倾覆力矩，而且筒体与筒体之间通过桁架构建的巨型框架协同作业，共同抵御倾覆力矩；二是通过楼盖的协调作用，调整各筒体之间的水平位移。

通过对比模型1与模型2，对筒体协同效应进行深入分析。其中，模型1属于结构计算模型，其核心筒与主桁架的上下弦杆实现刚性连接，而桁架的腹杆则与弦杆采用铰接方式。在模型2中，基于模型1的架构，去除了与核心筒相连的主桁架根部下弦杆，从而构成了一个上弦支承的桁架结构，具体可参考图4。

图4 模型1，2构成示意

在模型1与模型2的同一楼层对应位置施加了等量的模拟地震水平力，未考虑楼板在平面内的刚度影响，对两个模型中各筒体底部的内部力量以及筒体节点的位移进行了比较，相关计算结果展示于图5和表2中。

图5 水平力作用下模型1和模型2的筒体节点位移曲线

筒体内力计算结果 表2

观察图5数据，我们发现，在X向水平力的作用下，模型1的最大顶点位移达到了20.7毫米，而模型2的最大顶点位移则为26.0毫米，模型2的顶点位移相较于模型1增加了25.6%。同样，在Y向水平力的作用下，模型1的最大顶点位移为15.0毫米，而模型2的最大顶点位移为26.8毫米，模型2的顶点位移比模型1多出了78.7%。两个模型下各筒体的基底内力结果见表2，筒体编号详见图2。

表2显示，模型1和模型2的筒体在X轴和Y轴方向上的水平剪力变动幅度不大；同时，模型2的筒体轴力相较于模型1有显著降低。具体来看，除了筒2在X轴方向、筒3在Y轴方向的轴力减少幅度较小之外，整体筒体的轴力大约减少了85%。此外，模型2的底部弯矩相较于模型1有所增加，其中X轴方向的底部弯矩增长最为显著，增幅约为28%，而Y轴方向的底部弯矩增长则更为明显，增幅达到了42%。在水平力的作用下，图6展示了模型1中某一主轴上筒体之间主桁架的轴力分布情况。

图6 模型1中筒体间主桁架杆件轴力示意图

图6显示，核心筒间主桁架的上弦杆件在两侧的轴力方向相反，一端承受拉力，另一端承受压力；与之相对，下弦杆的轴力方向则与上弦杆相反。当上弦杆的轴力表现为拉力时，下弦杆的轴力则变为压力，这一现象与框架结构在水平力作用下的受力特性相吻合。鉴于此，本结构中的核心筒间主桁架在协调核心筒内部力方面发挥着显著的作用。

根据上述计算所得数据，六个核心筒在核心筒间主桁架的协同作用下，展现出优异的整体抗侧能力。在结构设计阶段，为了确保结构的延展性，我们参照了《高规》第6.2.1和6.2.3条款中关于柱内力调整的指导原则，对核心筒的弯矩和剪力分别进行了放大处理，弯矩放大系数为1.2，剪力放大系数为1.3，从而实现了强核心筒弱桁架的设计理念。

5.2 楼板应力分析

楼板在平面方向上的刚度较高，因此能够充当钢桁架上弦杆的侧向支撑结构。与核心筒相连接的桁架上弦杆支座在重力荷载的作用下会产生显著的拉压应力，因此在设计楼板与上弦杆相连的轴力时，必须充分考虑这一点。为了对楼板进行受力分析，我们采用了SAP2000软件，并使用壳单元来模拟楼板的受力情况。

图7展示了在重力荷载影响下，楼板所承受的应力分布情况，其中该荷载由1.2倍恒定荷载和1.4倍活荷载共同构成。观察图表后可以发现，在重力荷载的影响下，核心筒周围的拉应力大约在4.0至6.0N/mm2之间，这一数值已经超过了混凝土设计的抗拉强度。除了核心筒周围，大部分楼板都处于受压状态，而在楼板跨中，最大的压应力大约在8至10N/mm2。为了应对核心筒周围楼板较大的拉应力问题，我们采取了以下强化措施，以确保楼板的承载能力达到设计要求：首先，增强核心筒周边楼板的配筋，配筋率大约为1.4%；其次，在核心筒周围设置后浇带，待结构主体施工完毕后浇筑后浇带混凝土，以此来减轻楼板在自重作用下的应力。

图7 重力荷载作用下楼板应力分布图/MPa

在水平地震作用条件下，楼板所承受的拉伸应力普遍未达到1.0MPa，这一数值远低于混凝土设计时所规定的抗拉强度标准。

5.3 舒适度分析

本工程是一座室内大型体育设施，其3至5层区域拥有宽敞的大跨度空间和超长的悬挑部分，因此需要对人行活动引起的结构振动进行详细的分析研究。应用技术委员会（ATC）[7]针对不同环境和振动频率，提供了竖直方向峰值加速度的限定标准。在本项目中，峰值加速度的限定值通过商场与室内连廊、户外人行天桥以及有规律运动场所的中值估算得出，最终确定值为0.48米每平方秒。

运用加速度响应时程频谱结合分析技术[8]，对人行道舒适度进行了深入研究，识别出结构中的刚度不足之处，并在设计阶段进行了相应的加固和优化，以提高其舒适度水平。在分析过程中，兼顾了多人同步行走、多人随机跳跃以及多人同步跳跃等多种复杂工况，对结构的舒适性进行了全面而合理的评价。

5.3.1 模态分析

运用SAP2000软件对结构进行模态分析时，未将活荷载质量纳入考量，并设定阻尼比为0.01。分析结果显示，结构的第6、7、10、11阶振型均表现为竖向振动，相应的频率分别是1.93Hz、2.04Hz、2.32Hz和2.36Hz。图8展示了该结构第6阶振型的图形。

图8 结构第6阶振型图

5.3.2 多人同步行走工况

在五层大楼的悬挑端部和三层大楼的跨中区域，分别对20人同时行走的情况进行了考虑。行走过程中产生的荷载采用了IBASE连续步行荷载模型，而人的体重则设定为0.75千牛。经过计算，楼盖的峰值加速度达到了0.37米每平方秒，这一数值低于规定的0.48米每平方秒的限值要求。

5.3.3 多人随机跳跃工况

在相同的位置上，我们考虑了多人的随机跳跃情况。对于跳跃荷载，我们采用了BRE半正弦荷载模型，其频率范围在1.6至4.0Hz之间，且初相位分布均匀。我们分别设置了8个和40个作用点位，针对每个点位，我们分别输入了8组和40组单人跳跃时的荷载时程函数，每组荷载函数的初始相位和频率都有所不同。从图9中可以看出，楼盖的峰值加速度的最大值为0.4689m/s2，这一数值符合了限值要求。

图9 40人随机跳跃激励加速度时程曲线图

5.3.4 多人同步跳跃工况

跳跃荷载依旧使用BRE半正弦荷载模型进行模拟，于三层大跨结构的中央区域布置了20个作用点，每个点均施加了与单人跳跃时程荷载函数相同的荷载。然而，楼盖的峰值加速度达到了1.4138m/s2，这一数值超过了规定的限值，因此必须采取相应的措施进行改进。鉴于仅提升桁架的高度或管径会对室内空间布局及经济效益产生显著影响，故此引入了调质阻尼器（TMD）技术以降低结构的动力反应[9]。该TMD属于电涡流类型，总重达15吨，每个单件重0.75吨，共配置了20个，其自振频率介于1.6至2.1赫兹之间，阻尼率在8%至10%之间。图10展示了三层大跨度楼板在安装TMD前后的节点振动加速度变化情况。

图10 加TMD前后节点加速度响应图

图10显示，在无TMD的情况下，结构节点的最大加速度达到1.414m/s2，而安装TMD之后，这一数值降至0.444m/s2。楼板的峰值加速度因此显著降低，远低于0.48m/s2的限值要求。

5.4 抗连续倒塌

本设计遵循高规所推荐的分析手段，对4至6层之间的悬挑伸出臂、立面腰部的桁架以及大跨度桁架的根部拉压腹杆逐一进行拆除处理，随后运用SAP2000软件对结构剩余部分进行弹性静力分析，以此对剩余结构构件的承载能力进行评估。依据弹性分析数据与既定性能指标，选定的拆除构件包括5至6层楼伸臂结构的交叉腹杆、4层悬挑桁架的根部拉杆以及4层内部大跨度结构的下弦压杆。

图11和图12展示了5至6层伸臂根部交叉腹杆压杆被移除后的剪力墙应力分布以及剩余构件的应力状况。在这些剩余构件中，最大应力值为0.964，这一数值符合相关规范的要求。剪力墙顶部拉应力平均值约为10MPa，为此，我们采用型钢梁穿越剪力墙，并与桁架上弦相连，确保墙顶的拉力承载能力能够有效传递；此外，在剪力墙上设置含有1.7%水平纵向钢筋的混凝土暗梁，以此确保拉应力区域内的剪力墙不会出现裂缝。而在剪力墙底部受压区域，最大压应力未超过13MPa，整体上处于受压弹性状态。

图11 核心筒墙体水平向应力图/MPa

图12 剩余构件应力比图

5.5 节点设计

桁架与剪力墙筒体的连接部位采用刚性连接，这一连接的承载能力和安全性直接影响到整个结构的承载能力和安全性，因而成为工程中的关键环节。桁架的弦杆所承受的轴向力，通过筒体内的型钢柱传递，进而作用到剪力墙的型钢梁和钢筋混凝土暗梁上。在节点处，剪力墙内的型钢柱从十字形截面转变为箱形截面，同时在上下翼缘部位增设了内加劲肋板。

运用ABAQUS软件对结构节点实施非线性有限元计算，其中混凝土部分通过C3D8R线性缩减积分实体单元进行建模，钢结构则用S4R缩减积分壳单元进行模拟，钢筋笼则采用T3D2桁架单元进行模拟。依据“强节点弱构件”的抗震设计理念，确保节点设计应力不超过汇交杆件应力的1.2倍。

图13展示了五层楼顶悬挑的钢梁与剪力墙核心筒顶部连接的细节，其工作状态是承受1.35倍恒定荷载加上0.98倍动态荷载。根据计算所得数据，节点区域承受的力较为复杂，节点上弦杆与型钢柱的连接部位应力值达到最大，几乎触及Q420钢材的屈服极限；混凝土承受的最大拉应力为2.60MPa，低于混凝土的抗拉强度标准；而混凝土承受的最大压应力为6.3MPa，超出了抗压强度的标准值。在后续的设计深化阶段，可以采取以下措施：首先，对节点处的弦杆截面进行加宽处理，扩大与型钢的接触面积，以降低主要受力构件的应力；其次，在上弦杆内部以及腹杆与上弦杆的连接位置增设加劲肋，以有效减轻应力集中现象[10]。

图13 5层典型节点图

06

结论

本工程运用了由多根筒体支撑的双向正交桁架结构体系，其传力路径既简洁又清晰。在整个结构设计及与建筑协调的过程中，我们始终坚持以下几项主要原则，确保了设计成果达到最优。

构建由六个核心筒与筒体间桁架构成的巨型抗震体系，采取“强化筒体、弱化桁架，强化剪切、弱化弯曲”等策略，从而确保该结构体系具备双重抗震防线，显著提升了结构的安全性和冗余度。

在重力荷载的作用下，大悬挑结构的根部以及与核心筒相连接的大跨度桁架楼板，其应力水平较高，因此在设计阶段必须实施相应的策略，以保证楼板能够满足各项使用标准。

核心筒作为抗侧力的关键部分，其完整性至关重要。因此，在内部布置了横隔墙。同时，在核心筒的角部和与桁架相连接的墙体位置，设置了型钢柱和型钢梁，这样做既保证了力的直接传递，又提升了结构的延展性。

结构抗连续倒塌的研究结果显示，通过增强某些杆件，即便关键区域的部分杆件出现故障，也不会引发整个结构的坍塌，整体结构展现出较强的冗余性。

使用TMD技术可以有效抑制结构在竖直方向上的振动加速度，确保结构的使用舒适度得到满足。

参考文献

关于简上综合体项目结构超限的审查与论证报告，由深圳悉地国际设计顾问（深圳）有限公司编制，出版于2018年。

建筑结构荷载相关标准规范，编号为GB 50009—2012，由我国权威机构发布，出版单位为中国建筑工业出版社，出版年份为2012年。

高层建筑混凝土结构的相关技术规范，编号为JGJ 3—2010，以书籍形式出版，由中国建筑工业出版社出版，出版地点为北京，出版年份为2011年。

李建伟、魏建峰、赵勇等人共同撰写的文章，题为《前海法治大厦上部结构设计》，发表于2017年第47卷第16期《建筑结构》杂志，页码为46至52。

赵祥、刘忠华、王社良等人共同撰写的论文，题为《多维地震作用下大跨空间结构的减震控制分析》，发表于《地震工程学报》2018年第40卷第3期，页码为398至405。

傅学怡、高颖、肖从真等人共同撰写了关于深圳大梅沙万科总部上部结构设计的综述文章，该文发表于《建筑结构》杂志2009年第39卷第6期，页码为90至96。

《ATC设计指南Ⅰ：降低楼层振动》[S]，由美国应用技术委员会于1999年在加利福尼亚州雷德伍德城出版。

傅学怡、曲家新、陈贤川等人，运用时程频谱结合的分析技术，对展望桥的人行舒适性进行了深入分析与有效控制，相关研究成果发表于《土木工程学报》2011年第44卷第10期，页码为73至80。

李爱群、陈鑫、张志强等人共同发表的论文，题为《大跨楼盖结构减振设计与分析》，发表于《建筑结构学报》2010年第31卷第6期，页码为160至169。

李建伟、张进军、赵勇等人共同完成了扬州体育公园游泳跳水馆屋盖结构的设计研究，该成果发表在2011年第12期的《钢结构》杂志上，具体页码为33至37。