2010年上海世博会中国馆国家馆结构体系

许名鑫 陈福熙 谢曙 周汉香

(华南理工大学建筑设计研究院，广东广州510641)

2010年上海世博会中国馆由国家馆、地区馆和港澳台馆三部分组成.国家馆以地区馆为基座，4个筒体从中升起，在33.3 m标高及其以上连成整体，为展区部分，该部分层叠出挑，呈四棱台斗冠状，如图1所示.

图1 中国馆效果图Fig.1 Effect picture of China Pavilion

国家馆和地区馆由华南理工大学建筑设计研究院、清华大学建筑学院北京清华安地建筑设计顾问有限公司和上海建筑设计研究院有限公司组成的联合设计团队设计，其中结构专业设计由华南理工大学建筑设计研究院完成.国家馆地下1层，层高8m，大屋面标高为60.3m，局部69.9m，地面以下与地区馆地下室连成整体，地面以上与屋面标高为13.0 m的地区馆用抗震缝分开.国家馆平面尺寸由底部4个筒体包围的69.9 m×69.9 m伸展到大屋面的139.4m×139.4m，地面以上建筑面积约为5.1万m2.展厅活荷载在计算楼板时取12kN/m2，在计算梁、竖向构件、基础时取9 kN/m2.展厅位于建筑上部，结构具有出挑长、荷载重、跨度大的特点.

文中介绍了国家馆结构体系的设计过程和特点，包括剪力墙、斜柱、楼盖的结构布置以及抵抗斜柱引起的水平力的做法、三根斜柱交汇处的节点做法、组合梁的起拱原则、内力较大处梁的做法、结构抗震设计、针对临近地铁这一情况的基础设计等.

1 剪力墙

利用落地的楼电梯间设置4个平面尺寸为18.6m×18.6m的钢筋混凝土筒体，是抵抗竖向力和水平力的主要结构构件.相邻的两筒体内侧的距离为32.7m，筒体内共分成26层，层高多为2.7 m，作休息平台和设备房用.为提高结构的抗震性能，控制筒体剪力墙的轴压比不大于0.4［1］，筒体的剪力墙尺寸如图2所示.

剪力墙混凝土强度设计等级为C50，图2中阴影部分为剪力墙边缘构件范围，外墙连梁LL1截面一般为500 mm×800 mm.将整个Q1墙身作为边缘构件，纵筋配筋率取为1.5%;在各混凝土筒体的转角部位所设方钢管的截面为800mm×800 mm，厚度为25～40 mm，节点处取大值，底部取小值;适当提高底部加强区剪力墙的水平分布筋配筋率至0.6%左右，为18@150(3排).

2 斜柱

该建筑只是外形象斗拱，结构上并没有相互穿插依托的梁、栱、栔等部件，而是针对出挑长、荷载重的特点，依其倒梯形造型，设置了传力直接的20根矩形钢管混凝土斜柱，斜柱支承于混凝土筒体，并与混凝土筒体一起为楼盖大梁提供竖向支承，满足了展厅内没有柱子的大空间建筑使用功能要求.结构的ETABS软件模型如图3所示.建筑外立面层叠出挑的斗拱造型以钢结构桁架作骨架来实现，该桁架不作主要的受力构件，但可加强斜柱的侧向约束，提高结构的整体性能.

结构的剖面计算简图如图4所示.

图3 结构模型示意图Fig.3 Sketch of structure model

图4 剖面计算简图(单位:m)Fig.4 Computation sketch of structure section plane(unit:m)

斜柱起于筒体33.3m标高处、止于60.3m标高的大屋面，钢管截面尺寸为1500mm×800mm×35mm(高×宽×壁厚)，钢管内灌混凝土以防止局部屈曲.33.3m标高3根斜柱交汇处，钢管节点的形状如图5所示，图中竖直的钢管为内置于混凝土筒体角部的方钢管.计算结果表明，在竖向荷载设计值作用下，节点钢管除局部区域压应力(达175N/mm2)较为集中外，其余部位压应力均在130N/mm2以内.

图5 斜柱交汇处钢管节点Fig.5 Steel tube joint connecting slant column

斜柱根部的轴力可分解为竖向力和水平力，竖向力由混凝土筒体受压来承担，为让33.3m标高楼盖自相平衡的受压来承担更多的斜柱水平分力，尽可能减少剪力墙承受的剪力，除采用型钢混凝土梁，并将该层楼板厚度提高至180mm外，还将该标高筒体内连梁的截面尺寸加大至700 mm×3500 mm，以增强其轴向刚度.计算结果表明，采取上述措施后，竖向荷载设计值作用下，斜柱下方墙肢的剪应力与抗压强度设计值之比的最大值为0.064.即虽然与常规结构的剪力墙在竖向荷载作用下无剪力不同、存在着剪力，但是采取上述措施后该剪力与剪力墙的抗剪承载力相比是较小的，该剪力墙可以承担.

由于斜柱是不落地的，且其截面尺度本身也比剪力墙小得多，所以抗侧刚度较小，地震作用引起的内力较小，斜柱的内力主要是由竖向荷载所引起的，斜柱及其底部节点可较易达到中震弹性的更高抗震要求.

3 楼盖体系

本工程在标高 ± 0.0、9.0、33.3、41.4、49.5、60.3和69.9m共7处设置较大面积的连接4个核心筒的楼(屋)盖.除标高±0.0 m处过厅、9.0 m处国家馆露天入口平台采用混凝土楼盖外，一般采用密肋钢梁－钢筋桁架混凝土平板组合楼盖.从整体上说，斜柱引起其上部楼(屋)盖受拉、下部楼盖受压，所以组合楼盖的楼板采用平板式，同时考虑到虽然斜柱下部的33.3m标高楼盖整体上受压，但是斜柱、连梁的形心未与该楼盖形心对齐，楼板偏心受压，33.3 m标高楼板配筋也采用双层双向通长布置.

3.1 33.3m 标高楼盖［2-4］

为避免满堂高支模，且提高33.3m标高楼盖的轴向刚度，该楼盖采用型钢混凝土梁，结构平面布置如图6所示.图中符号▲为刚接符号，图中间扶梯旁的虚线框内钢梁待施工塔吊拆除后再安装，施工时主塔吊置于筒体内.

图6 33.3m标高楼盖结构平面示意图(单位:mm)Fig.6 Framing plan of floor at 33.3m elevation(unit:mm)

图6中具有典型意义的梁为矩形钢管内灌混凝土的型钢混凝土梁，考虑结构构件承载力、挠度、竖向舒适度、建筑层高等因素后，GL1梁钢管的高H×宽B×腹板厚度 tw×翼缘厚度 tf为2 200 mm×400mm×16mm×35 mm，GL2梁跨中截面如图7所示，支座附近截面上翼缘不开槽而代以浇灌孔和泌水孔、下翼缘无另加钢板.为提高结构抗震性能贯穿筒体在连梁内设置的型钢截面为H600mm×200mm×12mm×20mm.

图7 33.3m标高GL2梁跨中截面(单位:mm)Fig.7 Mid span section of beam GL2 at 33.3 m elevation(unit:mm)

若大梁统一按跨度的某一千分率起拱，则有可能由于跨度不同、荷载分布、支承条件不一样，导致施加荷载后楼盖不平整，这里以大梁的计算变形为依据，人为调整简支、连续梁的计算起拱值使它们相对接近，以反映实际结构更强的整体变形协调的因素.起拱值的计算分3个阶段进行:第一阶段刚度取型钢刚度、荷载取梁的自重(含钢梁和钢梁内混凝土);第二阶段取型钢加混凝土矩形梁的刚度，新增荷载取楼板自重;第三阶段刚度取组合梁刚度，新增荷载为装修荷载等永久荷载加少量使用荷载.

3.2 41.4m标高楼盖

41.4 m标高展览平台除通过扶、电梯外也可沿建筑四周的自动坡道连接49.5m标高展览平台，二者间坡道及41.4m标高楼盖结构示意如图8所示.

图8 41.4m标高结构示意图Fig.8 Framing plan of floor at 41.4m elevation

41.4 m标高楼盖典型梁截面与49.5 m标高楼盖典型梁的截面类似.

3.3 49.5m标高楼盖

49.5 m标高楼盖结构平面布置如图9所示，考虑结构构件承载力、挠度、竖向舒适度、建筑层高等因素后，组合梁中各钢梁的截面尺寸见表1，板厚为130mm，主要受力钢构件采用Q345钢，其中钢板厚度≤35 mm时采用Q345B钢，钢板厚度≥36 mm时采用Q345GJC钢.

图9 49.5m标高结构平面示意图(单位:mm)Fig.9 Framing plan of floor at 49.5m elevation(unit:mm)

表1 49.5m标高梁截面Table 1 Beam section at 49.5m level

表1中非工字钢组合梁截面形式如图10所示.

图10 49.5m标高梁截面Fig.10 Beam section at 49.5m elevation

3.4 60.3m标高楼盖

60.3 m标高楼盖需作为其下层部分展厅的吊柱、其上层梁上柱的支承，结构平面布置如图11所示，图中组合梁GL的钢梁截面为工字形，截面与49.5m标高梁相似，由于本层主梁辖荷区较大，导致内力较大，主梁采用了钢桁架的形式，图中标注为HJ，弦杆采用方钢管、腹杆采用H型钢.为解决桁架在墙端支座处内力较大及该部位弦杆局部弯矩较大的问题，除将受力最大的HJ1距墙端支座4.65m范围内的上下弦杆截面加大至400 mm×500 mm×40mm×40mm外，还在上下弦杆间增设35 mm厚钢板，该部位腹杆截面尺寸取为H430 mm×400 mm×40mm×40mm.

图11 60.3m标高结构平面示意图(单位:mm)Fig.11 Framing plan of floor at 60.3m elevation(unit:mm)

当桁架内力较大时，会在作为其支承结构的混凝土剪力墙的上下弦杆间的范围内引起较大的剪力.本工程桁架HJ1的上弦杆贯通筒体的3片剪力墙与另一侧筒体的桁架相连，如图11、图4所示.弦杆与混凝土剪力墙通过栓钉相连，由于栓钉的滑移效应等原因，这3片剪力墙可共同承担该弦杆轴力.

本层楼板厚140 mm，为抵抗斜柱引起的屋面拉力及温度作用，于楼板厚度中心双向设置φs15@500无粘结直线预应力筋.为便于屋盖板支模采用了钢筋桁架模板.

3.5 69.9m标高楼盖

69.9 m标高楼盖板厚为120mm，组合梁中的钢梁截面一般为工字形，结构平面布置如图12所示.

图12 69.9m标高结构平面示意图(单位:mm)Fig.12 Framing plan of floor at 69.9m elevation(unit:mm)

4 抗震设计

由于建筑造型上的需要，由下至上随着展厅范围的伸展，质量分布范围增大，转动惯量加大，给结构抗震带来不利影响.为此加强了结构的抗侧刚度以控制结构的变形，并采取了在各混凝土筒体的转角部位设置方钢管，提高剪力墙的抗震等级，控制筒体剪力墙在按弹性计算的大震作用下的剪应力水平，控制筒体剪力墙的轴压比，展厅层筒体内的连梁里增设型钢等抗震加强措施.

应用ETABS、PKPM等软件对结构在地震作用下的弹性反应进行了计算分析，各软件的计算结果接近.基底弯矩约为4.51 GN·m，基底剪力约为76.0GN，剪重比约为5.27%，水平向、竖直向和45°方向地震作用下的计算结果接近［1］.采用上海市地方标准(DGJ08-9—2003)《建筑抗震设计规程》提供的反应谱、地震波SHW2、SHW3、SHW4计算得到的楼层水平位移曲线、层间位移角曲线如图13所示.最大层间位移角为1/1640，水平变形较小.

振动台试验结果表明该结构具有良好的抗震性能［5］.

5 基础

图13 地震作用下楼层的水平位移和层间位移角曲线Fig.13 Curves of lateral story displacement and story drift angle under seismic effect

中国馆临近地铁M8线，并因占了部分活塞风亭的用地而将部分活塞风亭移入到国家馆地下室的筒体内，国家馆的出挑部分更是覆盖了部分地铁隧道.为减少对地铁的扰动，采用钻孔灌注桩基础，桩底后注浆，并将桩径加大至850 mm，桩长加长至65m，以第层土粉细砂层为桩端持力层［6］，适当降低了桩的承载力取值，单桩抗压承载力设计特征值取为3500kN.目前未观测到国家馆对M8线有使用上的影响.

筒体下桩基承台厚度为2m，混凝土强度设计等级为C40.筒体间地下室设置抗拔桩抗浮.

6 结论

(1)国家馆底部架空，展区部分层叠出挑，利用楼、电梯间设置落地的混凝土筒体，依建筑的倒梯形造型设置斜柱，为楼盖大跨度钢梁提供竖向支承，满足了展厅内没有柱子的大空间建筑使用功能要求.

(2)33.3m标高楼盖采用型钢混凝土梁并将楼板厚度提高至180mm，还将该标高筒体内连梁的尺寸加大至700 mm×3500 mm增强其轴向刚度，楼盖自相平衡的受压而不是剪力墙受剪来承担更多的斜柱水平分力.计算结果表明，竖向荷载设计值作用下，斜柱下方墙肢的剪应力与抗压强度设计值比值的最大值约为0.064.

(3)采用钻孔灌注桩基础，桩底后注浆，并将桩径加大至850 mm，桩长加长至65 m，以第层粉细砂层为桩端持力层，适当降低了桩的承载力取值，减少了国家馆对临近地铁的扰动.目前未观测到国家馆对临近地铁有使用上的影响.

(4)给出了国家馆的结构布置、三根斜柱交汇处的节点做法、组合梁的起拱原则、内力较大处梁的做法等设计过程，可供同类工程设计建造时参考.

［1］方小丹，韦宏，陈福熙，等.中国2010年上海世博会中国馆国家馆超限高层建筑抗震设计可行性报告［R］.广州:华南理工大学建筑设计研究院，2008.

［2］方小丹，韦宏，江毅，等.广州西塔结构抗震设计［J］.建筑结构学报，2010，31(1):47-55.Fang Xiao-dan，Wei Hong，Jiang Yi，et al.Seismic design of the Guangzhou West Tower［J］.Journal of Building Structures，2010，31(1):47-55.

［3］本格尼.S.塔拉纳特.高层建筑钢混凝土组合结构设计［M］.罗福午，方鄂华，王娴明，等，译.第二版.北京:中国建筑工业出版社，1999.

［4］龙跃凌，蔡健.核心高强钢管混凝土组合柱轴压承载力计算新方法［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2010，38(10):26-31.Long Yue-ling，Cai Jian.A new method to calculate axial bearing capacity of composite columns with core of highstrength concrete-filled steel tube［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2010，38(10):26-31.

［5］同济大学土木工程防灾国家重点实验室.中国2010年上海世博会中国馆国家馆结构模型模拟地震振动台试验研究报告［R］.上海:同济大学土木工程防灾国家重点实验室，2008.

［6］DGJ08-11—1999.(上海市)地基基础设计规范［S］.