吴江交通枢纽主楼悬挑结构设计

孔启明，戴 丹

(奥雅纳工程咨询(上海)有限公司， 上海 200031)

1 工程概况

吴江交通枢纽项目位于上海市吴江新区，枢纽中心面向主干道松陵大道、东太湖大道，地块现状地形平坦。东太湖大道下有轨道交通4号线，松陵大道下有一条规划轨道交通。图1及图2分别为场地总平面及建筑效果图。

图1 场地总平面

枢纽主楼地上主要用途为公交候车及城乡客运空港巴士、旅游集散和商业功能，主屋面结构高度约为17.5m，为多层结构。塔楼东西向和南北向结构宽度均约为50m，平面呈L形。主体混凝土地上结构3层，1～3层层高分别为5.9，5.8，5.8m，屋顶层为设备层(上方镂空)，混凝土柱延伸上去用于支承上部装饰幕墙构件。

地下室部分用于商业、超市、公交上客区、大巴蓄车场、住宅停车、机电设备、后勤、卸货区及非机动车停车库、人防等功能。地下3层～地下1层层高分别为3.75，5.8，6.55m。由于枢纽客车停车和车道需求，典型柱网为12.6m×12.6m，地下3层考虑增加柱位后柱网约为7.5m×10m。由于地下1层为枢纽客车车道，上部枢纽结构部分柱位无法落地，因此首层存在转换梁。

枢纽主楼于2018年12月通过抗震审查[1]。主楼为重点设防类别，地上3层结构采用框架结构。框架抗震等级如下：地下1层及以上为二级，地下2层、地下3层逐层递减。屋顶层设置悬挑桁架。框架柱采用钢筋混凝土圆柱，其典型直径为800，1 000mm，混凝土强度等级为C60～C50；桁架支撑柱采用自密实圆钢管混凝土柱，柱典型直径为800，1 000，1 100mm，钢管采用Q345钢，混凝土强度等级为C60，典型柱网尺寸为12.6m×12.6m；次梁高度约为850mm，主梁高度为900mm，混凝土强度等级为C35；楼板典型厚度为130，150mm，混凝土强度等级为C35。

为了减少L形平面对结构抗震不利影响，设置一条防震缝(图3)，将枢纽主楼地上范围分为分塔1及分塔2，东西向典型剖面如图4所示。

图3 防震缝位置示意

图4 典型剖面(东西向)

从图4可以看出，建筑造型新颖独特，在L形建筑东南拐角处城市核心区域(简称UC区域)，营造出自2层往上层层凸出以及屋面下无柱的空间效果：即2层轮廓线比首层外凸约10m，3层轮廓线比2层外凸约10m，屋面下无柱空间跨度约40m，悬挑长度最大约22m。以上建筑设计要求给结构设计提出了挑战。

国内大跨悬挑结构设计已有诸多工程案例[2-3]，本文结合本项目建筑特点，将着重介绍该UC结构设计。

2 UC结构设计

2.1 结构选型

为了实现建筑效果，提出屋顶桁架+吊柱方案(方案一)和斜柱+悬挑方案(方案二)。经过和业主、建筑师进行多轮方案探讨，最终确定采用方案一：通过屋顶设备层设置悬挑以及大跨空间桁架，用于支承屋顶设备层楼面，此外在悬挑桁架下弦设置吊柱承托2,3层凸出楼面。UC区域大悬挑区域转换结构如图5所示。整个区域钢结构设计需要兼顾：1)结构传力效率；2)协调相关专业，减少此屋顶大跨区域附加荷载；3)采用可行的施工顺序、合理的连接构造等措施，减少结构构件出现附加内力；4)钢结构和混凝土结构界面合理处理，方便施工。

图5 UC区域大悬挑区域转换结构示意图

2.2 悬挑桁架设计

为满足建筑外形要求，屋顶设备层楼面采用空间悬挑(悬挑长度约22m)的桁架结构。桁架模型和平面布置如图6及图7所示。

图6 桁架模型图

图7 桁架平面布置图

悬挑桁架设计时采用如下设计要点及抗震措施：1)整体模型中桁架同时考虑水平+竖向地震[4]，抗震等级提高至二级；2)对桁架进行小震弹性、中震弹性性能化分析；3)桁架杆件应力比(杆件控制应力比0.7)及变形满足钢规[5]要求；4)桁架计算时不考虑屋面楼板有利作用；5)计算模型考虑按照实际施工顺序加载；6)由于屋顶桁架部分在室外，部分在室内，考虑温度作用下桁架内力；7)对桁架复杂节点进行内力分析，在恒载+活载设计工况下，节点处的最大应力为250MPa, 角部集中应力最大为275MPa，低于允许应力325MPa(图8)；8)对桁架进行防倒塌分析，拆除桁架一斜腹杆后，相邻构件应力比(图9)均满足高规[6]要求。

图8 桁架节点应力图(恒载+活载)/MPa

图9 桁架一拆除桁架斜杆位置示意图及应力比

2.3 楼板开裂以及解决措施

UC桁架区域存在吊挂结构，且跨度较大，在竖向荷载[7]下结构变形、应力较大，导致楼板容易开裂(计算结果表明，特别是屋顶楼板在一次性加载工况下已经严重开裂)，需要考虑施工顺序对钢构件设计的影响。利用必要的施工措施，如设置施工后浇带，以减小屋顶混凝土楼板核心层在重力工况下的拉应力，满足楼板核心层不开裂要求。软件分析模型中拟考虑的施工工况和措施如下：1)屋顶钢桁架及钢构件安装；2)3层和2层吊柱施工；3)安装3层钢框架梁及次梁；4)安装2层钢框架梁及次梁；5)2层钢筋桁架楼板/组合楼板浇筑施工；6)3层钢筋桁架楼板/组合楼板浇筑施工；7)屋顶钢筋桁架楼板/组合楼板浇筑施工；8)浇筑各层施工后浇带。

以屋顶层为例，考虑施工顺序，即钢桁架施工完成后再浇筑组合楼板(吊挂相关区域楼板)等有利因素后，采用YJK软件分析了自重工况下以及标准组合工况(附加恒载+活载)作用下屋顶层楼板主拉应力，楼板主拉应力云图如图10及图11所示。从图10,11可以看出，屋顶层吊挂相关区域楼板主拉应力范围为1.2～1.9MPa，满足楼板核心层不开裂要求。

图10 自重工况下屋顶层楼板主拉应力云图/MPa

图11 标准组合工况下屋顶层楼板主拉应力云图/MPa

采用YJK软件分析了小震、中震下屋顶层楼板主拉应力,楼板主拉应力云图见图12,13。从图12，13中可以看出，小震下屋顶层大部分楼板X向主拉应力为0.1～0.3MPa，Y向主拉应力为0.1～0.3MPa，均小于楼板C35混凝土抗拉强度标准值ftk(ftk=2.20MPa)，即楼板满足小震核心层不开裂要求；中震下屋顶层楼板X向和Y向主拉应力普遍在1MPa以下，小于C35混凝土抗拉强度标准值ftk，即楼板中震下核心层仍未开裂。

图12 小震下屋顶层楼板主拉应力云图/MPa

图13 中震下屋顶层楼板主拉应力云图/MPa

采用YJK软件分析了温降、温升工况下屋顶层楼板主拉应力，楼板主拉应力云图见图14,15。从图14及图15中可以看出，温度作用下屋顶层楼板主拉应力普遍小于0.2MPa；可见，温度作用下楼板应力远小于C35混凝土抗拉强度标准值ftk，满足核心层不开裂要求。

图14 温降工况下屋顶层楼板主拉应力云图/MPa

图15 温升工况下屋顶层楼板主拉应力云图/MPa

综上所述，采取后浇等措施后自重工况、标准组合工况(附加恒载+活载)、小震、中震、温度作用下，楼板均满足核心层不开裂要求。同时考虑到地震及温度等共同作用，局部楼板配筋仍作适当加强(采用钢筋桁架，面内设置面内支撑等加强措施，如图16，17所示)，同时各层拟设置后浇带。

图16 角部区域楼板设置后浇带加强措施

图17 桁架区域钢筋桁架楼板设置后浇带加强措施

2.4 桁架与周边结构连接设计

由于悬挑桁架端有吊柱，支撑下部楼层荷载。因此，桁架整体存在倾覆趋势。针对桁架支撑框架柱进行研究，分别分析：1)恒载+活载+风荷载+温度作用受力情况。2)地震工况下满足性能化即中震弹性，大震不屈服工况下受力情况，并采用针对性抗震措施：抗震等级提高到二级。对桁架支撑框架柱进行抗倾覆验算，恒载+活载工况下桁架支撑框架柱拉力约为2 000kN。经过复核，在该竖向荷载工况下，框架柱承载力能够满足规范要求。为防桁架整体倾覆，桁架后跨支座与周边混凝土部分采用刚接连接方案，即桁架后跨采用钢管混凝土柱升至桁架上弦。在桁架下弦标高处采用钢管混凝土柱节点，此节点与钢结构部分梁板和周边混凝土连接方便，内力传递直接，桁架下弦与周边混凝土连接节点(桁架后跨支座)如图18所示。桁架中间支座钢管混凝土柱在重力荷载作用下不存在拉力，桁架中间支座以抗压为主，桁架下弦支撑铰接节点(桁架中间支座)如图19所示。钢管混凝土柱吊挂在屋面桁架下弦，采用铰接支座，吊柱销轴铰接连接节点如图20所示。

图18 桁架下弦与周边混凝土连接节点(桁架后跨支座)

图19 桁架下弦支撑铰接节点(桁架中间支座)

图20 吊柱销轴铰接连接节点

2.5 2层及3层悬挑结构设计以及振动问题分析

在悬挑桁架下弦设置吊柱承托2层、3层层凸出的楼面。因此，吊柱作为关键构件，对其进行性能化设计。吊柱设计时注意以下要点：1)根据性能目标，验算支座小震弹性和中震弹性(杆件控制应力比0.5)；2)吊柱性能目标较一般框架柱有所提高，抗震等级提高至二级；3)柱顶与桁架下弦按照铰接考虑；4)对吊柱进行防倒塌分析；5)对吊柱范围楼板进行舒适度分析。

舒适度是人的主观感受，过大的振动加速度将使人感觉不舒适[6,8]，国内外均采用加速度指标来评估舒适度水平。因此，需要对吊柱区域加速度进行专门研究。舒适度验算采用GSA footfall模块进行分析，参数设置如下：1)假设结构质量包括1.0恒载(结构自重+附加恒载)+10%活载；2)单个行人质量为76kg，踏步频率范围取1.0 ～ 2.0Hz；3)计算中考虑130mm厚楼板作用；4)结构阻尼比取2%；5)GSA计算的最大频率不小于15Hz；6)考虑到动力影响，壳单元的弹性模量增大至38GPa；7)模型激励范围为悬挑区域。

根据高规[6]第3.7.7条，楼盖结构竖向振动加速度峰值满足竖向振动加速度限值。主要分析结果如下：1)第1阶竖向振动频率为5.3Hz，大于4Hz；2)如图21所示，计算所得竖向加速度最大为0.125m/s2，满足高规[6]表3.7.7中限值0.15m/s2的要求。如果实际应用时存在振动问题，设计中考虑后期加装TMD减振装置[9-10]以减小振动响应的可能。本项目业主会对吊柱范围进行了振动监测，并与计算值进行对比，以供后续设计参考。

图21 峰值竖向加速度云图/(m/s2)

3 结语

吴江交通枢纽主楼项目建筑造型新颖独特，中庭区域(UC结构)是本项目亮点，但也给结构设计造成了极大挑战。结构上通过屋顶设备层设置大跨空间悬挑桁架，用于支撑屋顶设备层楼面，同时在悬挑桁架下弦设置吊柱承托2,3层凸出楼面。重点对大跨悬挑桁架及吊挂结构设计中出现的重点、难点问题，包括悬挑桁架整体分析，楼板开裂问题、桁架周边各种材料界面处理以及连接、悬挑吊柱结构设计及振动问题，提出了针对性的解决方案。