浦东市民中心结构设计

　　摘 要：浦东市民中心为一幢大型公共建筑，虽然建筑外形简洁方正，但内部使用功能和空间组合复杂，形成结构多处挑空、错层等平面特别不规则现象，使结构体系较为复杂，且属超长混凝土结构。本文针对结构体系的抗震不利因素和设计难点，介绍了相应的设计对策、运用抗震概念设计原则对薄弱部位的加强措施等；同时根据结构特点采用PKPM分析软件建立两种模型，以包络结构受力的不利状况，确保了结构的安全性和抗震性能。该项目2007年竣工并获得了上海市优秀工程设计一等奖。
　　关键词：地基； 基础； 框架； 平面特别不规则； 楼板不连续； 错层； 超长； 计算模型； 地震作用； 扭转
　　
　　1工程概况
　　
　　该项目位于浦东新区行政中心区域内，基地北侧为丁香路、东侧为合欢路、另两侧紧邻公共绿地和大型地下车库，与新区办公中心仅隔百米之遥；总用地面积7583m²，总建筑面积17731 m²。为1幢地下一层、地上三层（局部五层）的公共办公建筑，是政府向市民和提供公开、便捷、优质服务而开发建设的项目；在建筑内容纳了公安、社保、民政、药监、环保、税务等379个办事项目，服务功能涵盖：婚姻登记、援助、劳动仲裁、信访以及有关社团组织的进驻等，体现向服务性政府的转变和阳光政府的建设。
　　浦东市民中心建筑形体方正简洁，但内部使用功能和空间组合比较复杂；入口大厅贯穿一至二层，气势宏大，绿化中庭贯穿了一至三层整个市民中心的公共区域，屋顶为通透的采光天棚，为办事市民提供环境优雅而明亮的休息场所；地下一层包括市民会堂、茶室餐厅和市民长廊、以及设备和辅助用房等，地下一层北侧与丁香路人行道之间的下沉式广场实现内外空间的渗透；该项目2007年竣工并荣获上海市优秀工程设计一等奖，实景照片见图1。
　　
　
　　2地基与基础设计
　　
　　拟建场地为长江三角洲入海口东南前绿滨海平原地貌类型，地形平坦，地面标高约4.2m（吴淞高程）；场地内地层分布均匀、整体稳定性较好；浅部地下水属潜水类型，常年平均地下水位0.5m；场地内除有厚层杂填土外，未发现暗浜等不良地质现象，在抗震设防烈度7度条件下为无地震液化土层；场地的主要土层组成及参数见表1。
　　该建筑的地下室南、西两侧与已建地下(人防)车库仅间距3~5m，北、东两侧与城市道路最小间距仅5m，且地下管线分布较多，周边邻近范围内办公楼居多；因此，桩型选用钻孔灌注桩，以避免施工期间挤土、噪声对周边环境的影响；桩直径Φ600mm、桩长31m、桩端持力层为⑦2层褐黄～草黄色粉砂，单桩竖向抗压承载力设计值为1750kN、抗拔承载力设计值为880kN，砼强度等级C30。 

　　基础采用柱下独立承台桩基+梁板式底板、承台高度1300mm、板厚500mm，主要梁断面400x1100mm；地下室外墙厚350mm；地下室的防水等级为二级，抗渗等级S6，砼强度等级C30（防水），地基基础设计等级为乙级，安全等级二级。
　　地下室底板内力和变形（裂缝）计算考虑地下水高水位状况，即1.2高水位浮力-1.0恒（底板）；承压桩数按下列工况的最不利者确定：①施工阶段主体结构已完成但短期内可能基坑尚未回填、地下水位仍在坑底下时，即1.0恒+1.0活；②正常使用阶段时，即1.2恒+1.4活-0.9低水位浮力；抗拔桩数确定按工况：1.2高水位浮力-0.9恒，部分柱下桩会交替出现承压和抗拔两种工况，则桩按抗拔桩全长配筋。
　　地下室外侧墙内力和变形（裂缝）按地下水高水位时计算，并按水土侧压力分算，分项系数均取1.20；考虑地下室长度81m，属超长砼结构，为控制砼收缩及温度影响产生裂缝，水平分布钢筋的间距≤150mm、配筋率≥0.5%（双面计入），在有框架柱处两侧另增设Φ8@150短钢筋，有效的控制了裂缝的产生。
　　地下室底板底标高为-5.000m，基础埋深较大，基底土的自重应力与水压力之和基本上能补偿4-12轴（上部三层）区域建筑物的基底压力、1-4轴（上部五层）区域的基底压力较大，稍欠补偿；从理论上讲，基底附加应力p0为零时，地基不会发生沉降变形，但实际上基底土由于开挖后产生隆起回弹，加载又会产生再压缩，即回弹再压缩变形；根据理论计算，本项目回弹再压缩沉降量约30mm，此值与竣工两年来实际监测值大致相符。
　　
　　3上部结构选型
　　
　　该建筑平面长度为81.9m、宽度57.4m，总高度19.5m；地下室层高4.5m，1~4轴为五层（行政区域）、各层高3.8m，4~12轴为三层（办事区域）、一层高5.6m、二、三层高5.4m；4轴两侧形成错层平面；基本柱网1~4轴为8.1mx8.4m、其余均8.4mx8.4m。各层结构平面见图2、图3、图4。
　
　　主体结构采用现浇钢筋混凝土框架及梁板式楼屋面结构体系，柱断面为800x800~700x
　　700mm，框架梁一般为400x700 mm、局部400x1000mm，楼面次梁采用交叉井字梁，断面为250x650 mm，楼屋面板厚度除首层为140mm、其余均为120mm，采用双层双向通长配筋；内庭屋面25.2mx33.6m透明屋顶采用不锈钢管张弦梁结构体系。
　　建筑结构的设计使用年限为50年、安全等级为二级、建筑的耐火等级为一级、防水等级为一级。抗震设防烈度7度、设计基本地震加速度值为0.10g、设计地震分组第一组，场地类别为上海地区Ⅳ类、设计特征周期为0.9s，建筑抗震设防类别为丙类、砼框架的抗震等级为三级、局部错层柱和连层柱抗震等级提高为二级；建筑结构的阻尼比取0.05。
　　上部结构的砼强度等级均为C30，框架柱、梁采用HRB400钢筋，楼屋面板采用HRB335钢筋，构件的箍筋和分布筋采用HRB235或HRB335钢筋，框架组合梁、柱的型钢用Q235B钢。框架的外围护墙和内隔墙均采用自重轻保温隔热性能良好的轻质砂加气混凝土砂块，强度等级为Mu5.0和专用粘结剂砌筑。
　　
　　4结构体系的抗震不利因素和设计难点
　　
　　该建筑从外表形体来看方正简洁，由于使用功能复杂，使内部空间组合形态多变；入口大厅、中部内庭挑空、两区域间错层等形成较为复杂的结构体系，按上海市《建筑抗震设计规程》（DGJ08-9-2003）有关规则性准则判别属平面特别不规则建筑结构，其不利因素和设计难点为：
　　4.1 建筑平面中4~7轴范围设置了L形内庭从首层挑空至屋面，并逐层放大、柱逐层抽除，形成二层至屋面结构平面开大洞，Y向有效楼板宽度小于典型楼板宽度的40%，属楼板局部不连续。
　　4.2首层的入口大厅挑空两层，造成二层结构平面7-11轴/D-H轴的L形大洞口，Y向有效楼板宽度小于典型楼板宽度的50%，属楼板局部不连续。
　　4.3建筑平面1~4轴五层办公区域、屋面高度19.5m，4~12轴三层办事区域、屋面高度17.0m，在4轴左右两侧形成错层（见图5）结构平面，使4轴框架柱形成短柱；因错层造成各层结构平面均属楼板局部不连续。
　　4.4 因结构错层，造成4轴两侧结构的侧向刚度分布不均匀，根据SATWE软件分析计算结果，第一振型中扭转系数达0.22，第二振型为扭转振型，表明结构存在较大的扭转效应。 　　4.5二层平面7~11轴因入口大厅挑空抽柱，在其上部的三层和屋面层形成16.8m~25.2m大跨度楼屋面区域，且二层挑空后在11轴和H轴的边柱形成两层连层柱，高度为11m。
　　4.6 建筑平面长度和宽度为81.9m和57.4m，因建筑使用功能和立面美观上要求不设置永久变形缝，两方向均形成超长混凝土结构。
　　
　　5设计对策和加强措施
　　
　　针对上述平面特别不规则状况和设计难点，按照抗震概念设计的原侧，在设计中采取了下列相应对策和加强措施，以确保结构的整体抗震性能。
　　5.1按复杂结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析，即采用两个不同力学模型的软件（SATWE和PMSAP）作抗震分析，并对其计算结果进行分析比较，以确保计算分析的可靠性。
　　5.2计算中采用弹性膜假定来模拟因开大洞、错层等楼板平面内不连续状况，即采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，且考虑双向水平地震作用下的扭转影响。
　　5.3错层结构造成本建筑中“层”的概念较模糊，而SATWE和PMSAP两个软件均是建立在“层”概念基础上的力学模型，如：层刚度、层位移等均是以计算模型假定的层高计算的。因此，在抗震分析中，建立了两种计算模型：①错开的楼层均各自建入一层参与整体分析，即不归并错层；自下而上共建了八层，其中最小层高仅1.2m。②考虑1~4轴五层区域的楼面面积仅为楼层总面积的20%；因此，归并1~4轴的错层，以4~11轴三层区域为主建模，归并后计算模型成为五层，归并掉的错层楼面荷载输入相应的上一层。对两种计算模型的计算结果进行对比分析，并按两者的最不利者进行控制和抗震设计。
　　5.4对错层形成的4轴短柱，为防止地震作用下产生剪切脆性破坏，其抗震等级提高一级，以增大内力调整系数提高主筋配筋率；并且沿柱全高采用井字复合箍筋、箍筋采用HRB335钢筋，直径12mm、间距≤100mm、箍筋肢距≤200mm，以提高柱的体积配箍率，确保柱的抗震延性。
　　5.5对洞口周边的连层柱，按实际状况复核其计算长度系数、内力及稳定性，并将其抗震等级提高一级，加强配筋，以确保连层柱的承载力和提高其抗震性能。
　　5.6入口大厅上部的三层和屋面层7-11轴大跨度区域，在9轴和F轴处设置两根相互垂直、跨度16.8m型钢砼组合梁，作为该区域的承载主梁，梁断面为600x1200mm，梁内型钢采用焊接H型钢、规格为H900x400x10x18；同时与该两根梁相连接的三根框架柱内也设置构造型钢，即由两根规格H400x500x12x10十字相焊组成，形成型钢砼组合柱，以加强柱的刚度和承载力，保证其“强柱弱梁”的状态；同时也解决了型钢砼组合梁与柱的刚性连接可靠性，见图6。
　　5.7为了提高结构的整体抗扭刚度，减小地震作用下的扭转效应，采取适当加大周边框架梁的断面尺寸，梁的配筋率提高10%以上等措施。
　　5.8针对砼结构超长，为了减少和控制因砼收缩和温度应力使梁板产生有害裂缝，设计中采取了如下措施：①结构计算中考虑温差产生的温度应力组合，把温度应力考虑到水平构件配筋中；②楼板采取双层双向通长配筋，全断面配筋率双向均≥0.5%、且≥Φ8@150，并采用变形钢筋；③在商品砼中使用HEA微膨胀剂，并设置三条（一纵二横）HEA微膨胀加强带，以减小砼凝结硬化过程中的收缩裂缝；④对施工提出砼配合比和用料要求、以及砼养护的加强措施等。
　　
　　6整体结构的计算分析
　　
　　采用SATWE和PMSAP两种空间有限元分析软件进行结构的整体抗震分析，主要计算参数选取如下：楼层刚度算法采用层间剪力比层间位移算法，计算振型数取15，周期折减系数0.7，考虑活荷不利布置，中梁刚度增大系数1.50，梁端弯矩调幅系数0.85，梁设计弯矩增大系数1.0，梁扭矩折减系数0.40等。
　　计算中分别考虑两个主轴方向单向水平地震作用下平扭耦连的扭转效应和双向水平地震作用的扭转效应。地下室北面外侧设置下沉广场而敞口，地下室顶板不符合上部结构的嵌固端条件；因此，计算模型的嵌固端设在基础底板顶面。结构主要计算结果见表2、表3。
　　地震作用最大方向为-40度，按该方向补充抗震分析，层间位移角和最大层间位移与平均位移比略有增大，部分构件内力和配筋也略有增加。由表2、表3可知，两个软件的计算结果大致接近，最大层间位移角均不大于1/550，扭转位移比均小于1.50，剪重比均大于1.6%，有效质量系数均大于90%，符合国家和上海市抗震设计规范（程）的控制要求，说明结构选型基本合适，其抗震性能符合规定。但SATWE中由周期所反映的结构振动特性来看，结构的振动形态以平扭振混合型为主，如：第一振型中扭转成分达22%、且X、Y两个方向振动成分相当，第二振型（扭转系数73%）为扭转振型，第一至第三振型中周期0.8772~0.8316s，仅相差5%~2%。表明结构振动特性较差、扭转效应较大，基本反映了该建筑结构的侧向刚度分布不均匀、平面特别不规则、结构体系较为复杂的特征；因此，按照结构抗震概念设计的原侧，采取针对性的抗震加强措施是十分必要的。
　　
　　7结语
　　
　　随着我国的高速，公共建筑使用功能综合性越来越强，业主和建筑师对建筑立面的造型以及内部空间组合的要求也越来越高，造成建筑结构体系复杂化；因此，在充分研究结构平面和立面的不规则性和结构的薄弱部位等抗震不利因素后，运用分析软件建立合理的结构计算模型，加强抗震分析；并按照抗震概念设计的原侧，采取合理有效的设计对策、加强薄弱部位的抗震措施，是可以确保建筑结构的安全性和抗震性能。
　　
　　：
　　[1] 混凝土结构设计规范.GB50010-2002.
　　[2] 建筑地基基础设计规范.GB50007-2002.
　　[3] 地基基础设计规范.DGJ08-11-1999.
　　[4] 建筑抗震设计规范.GB50011-2001.
　　[5] 建筑抗震设计规程.DGJ08-9-2003.
　　[6] SATWE和PMSAP用户手册及技术条件.建筑研究院PKPMCAD工程部.