苏州现代传媒广场钢结构设计与研究

张谨

中衡设计集团股份有限公司

总工程师、总经理

1  工程概况及设计理念

 

       项目由株式会社日建设计完成方案和初步设计，中衡设计集团完成相关体系课题研究、扩初设计、抗震超限报告、动力弹塑性分析和施工图设计等工作，课题研究参与方还包括东南大学和中亿丰建设。

       项目地处苏州工业园区，总建筑面积约35万m2，办公楼地上42层，建筑高度215m，采用“钢框架—钢筋混凝土核心筒”的混合结构体系；裙房由双向多层钢桁架实现40m大跨和21m的外悬挑。演播楼地上7层，建筑总高度51m，与办公楼间设有抗震缝；采用“预制装配钢框架+支撑+大型空间桁架”的结构体系，实现跨度近50m大空间，以及北立面近16m的悬挑。酒店楼地上38层,建筑总高度165m，为“SRC框架柱+RC框架梁+RC核心筒”结构。商业楼建筑总高度32.5m，采用“钢筋混凝土+钢骨混凝土”的混合框架结构体系。M形采光顶覆盖在中央广场，采用铅芯橡胶支座隔震与预应力拉杆组合设计。

2  新型“开洞钢板墙—钢桁架结构”体系

       研究了“适用于大跨重载的开洞钢板墙—钢桁架结构体系的设计与建造技术”，办公楼与裙楼的连廊跨越近40m宽的交通通道，同时承受上部多个楼层的荷载作用，设计中创新采用了“开洞钢板墙—钢桁架结构体系”，并申请完成江苏省科学技术研究课题，研究成果“达到国内领先水平”。建设中，首次研发“跨沉降缝钢桁架附加应力消除安装法”，成功解决了巨型桁架结构两端不均匀沉降引起的附加变形施工难题，达到国际领先水平。

2.1  体系概念及结构特点

       常规的桁架结构，斜杆的设置影响走道净宽，该项目设计中对传统桁架体系进行了改良，提出了新型“开洞钢板墙-钢桁架结构" 体系,在立面需要开设洞口的位置采用开洞钢板墙来替代斜撑，在结构刚度合理配置的前提下，最大程度满足建筑使用要求。

       在桁架中设置开洞钢板墙，结构体系同时涉及一维构件和二维构件，两者的力学计算方式有较大差异，需要理论创新和试验研究，保证设计方法的合理性和设计构造的安全性。

2.2  理论研究概述

      1.受力特点

       与传统单纯的钢板墙结构及桁架结构不同，新型“开洞钢板墙—钢桁架结构”体系将钢桁架结构与钢板墙结构相结合，涉及到两种截然不同的结构类型协同工作的问题。

       新型“开洞钢板墙—钢桁架结构”体系中，剪力墙不仅为结构提供水平刚度，更主要是为结构提供竖向刚度。

      2.加劲肋设计

       针对桁架-钢板剪力墙结构体系中剪力墙双向受力的特点，以先屈服后屈曲、先局部屈曲后整体屈曲，即τy<τcrl<τcrg为准则（τy为钢板的剪切屈服应力；τcrl为加劲区格局部屈曲临界应力；τcrg为加劲钢板剪力墙整体屈曲临界应力。）对适用于该体系的剪力墙加劲肋设计准则进行了理论推导，并结合《钢结构设计标准》和《高层民用建筑钢结构技术规程》等相关规范，针对加劲区格高宽比和宽厚比、加劲肋刚度和宽厚比，以及加劲肋构造措施等提出了设计准则与建议。

      3.钢板墙分析模型

       针对钢板墙的分析、设计，目前主要存在两种理论：拉力带模型理论和剪力墙—框架共同作用模型理论。拉力带模型(strip model)理论只适用于非加劲薄钢板剪力墙，剪力墙—边框共同作用模型理论认为钢板剪力墙—边框结构体系的刚度和承载力由钢板剪力墙和边框两部分叠加构成，如图2.2-1所示，具有更加广泛的适用性。

图2.2-1

       将框架设为铰接的钢板剪力墙—边框模型，可真实反映钢板剪力墙本身的性能及其在钢板剪力墙—边框体系中的刚度和承载力贡献；针对开洞钢板墙的双向受力特性，采用框架梁柱铰接的剪力墙—边框模型，通过有限元分析研究开洞因素和加载方向等对开洞钢板墙的力学性能影响。见图2.2-2。

图2.2-2 有限元模型、开洞钢板墙-铰接边框模型

      

      4.开洞因素

       随着开洞率ρ的增大，承载力降低系数和弹性刚度折减系数均成明显的下降趋势，即开洞面积的增大会削弱开洞钢板剪力墙的刚度及承载力。

       当开洞率较小时，承载力降低系数和弹性刚度折减系数均对开洞位置参数r不敏感；随着开洞率的增大，开洞位置参数对各系数的影响逐渐明显。见图2.2-3。

开洞位置参数r越大，即洞口中心越靠近剪力墙中心，开洞加劲钢板剪力墙的刚度及承载力越小，但相对承载力来说刚度折减更加敏感。见图2.2-4。

图2.2-3开洞率对承载力降低系数、刚度折减系数影响

    图2.2-3开洞位置对刚度折减系数影响  (开洞率较小、较大)      

      5.  加载方向

       开洞加劲钢板墙由于自身尺寸及开洞尺寸等不确定性可能导致水平向刚度、承载力与竖向刚度存在一定差异，但开洞加劲钢板墙相对于无开洞钢板墙在两个方向始终具有相同的刚度降低系数和承载力降低系数。

      6.开洞钢板墙设计概要

       在理论分析基础上完成了开洞钢板墙的初步设计。材料采用Q345B，拼接螺栓为M24（10.9级）高强螺栓，剪力墙拼接点在主体结构完工后进行施工。

2.3  试验研究概述

       基于理论研究中提出的开洞钢板剪力墙设计方法设计剪力墙1:5缩尺模型，进行低周往复加载试验下的力学性能研究。

试验现场

加载制度

      1. 中部开洞钢板墙试验现象

中部开洞钢板墙、整体变形、局部变形

非角部区格面外变形、角部区格面外变形

      2. 底部开洞钢板墙试验现象

底部开洞钢板墙、整体变形、局部变形

非角部区格面外变形、角部区格面外变形

       由试件滞回曲线可见（图2.3-1），基于本文方法进行设计的钢板墙无明显捏缩现象，具有饱满的滞回曲线，耗能能力良好；加劲肋可有效限制钢板墙的平面外屈曲，保证正常工作阶段下有良好的受力性能。试验结果与有限元分析结果吻合度较好（图2.3-2）。

图2.3-1 滞回曲线

图2.3-2 试验结果与有限元分析结果对比

2.4  体系研究概述

      1.传统建模方法

       传统建模方法采用梁单元建立结构梁柱并直接在其中采用壳单元建立剪力墙，所建立的剪力墙尺寸大于剪力墙的实际尺寸，并且当剪力墙周边的框架梁柱截面较大时，剪力墙尺寸将出现较大偏差。从而导致剪力墙为结构体系贡献的刚度出现较大偏差，并进一步导致结构体系的力学性能出现偏差。

       如果要得到较为精确的结果，则需要对剪力墙划分较密的单元，当剪力墙较多时，将导致整体结构计算缓慢。

       建模时若要考虑加劲肋，则需将加劲肋一并在模型中建立，使得建模过程复杂化。

      2.新型等效建模方法

       将剪力墙的水平方向力学性能和竖向力学性能分别等效为相应的非线性连接单元（图2.4），该非线性连接单元的力学参数由剪力墙本身的有限元建模分析得到；并通过将模拟剪力墙水平向力学性能和竖向力学性能的非线性连接单元的两个端点分别与相应的框架节点耦合相应的自由度，完成剪力墙建模。

       A、B两节点间SW-V单元模拟钢板剪力墙的竖向力学性能；C、D两节点间SW-H单元模拟钢板剪力墙的水平力学性能。

图2.4 非线性连接单元

2.5 结构设计要素

       常规二维构件采用细分有限元方法，应用于开洞钢板墙时，具有一些不足之处。本项目通过理论与试验结合，获得了二维构件等代力学模型，将开洞钢板墙的设计参数与力学模型的计算参数关联，简化了分析需求和设计流程，使得设计师能更多地关注于结构设计本身，而不是力学计算。

       项目中同时采用SAP2000的Plastic单元和Midas Gen中的连接单元（图2.5-1），实现对开洞钢板墙水平及竖向力学性能的有效模拟，在不降低计算效率的情况下完成对结构体系的建模分析。

       结构桁架部分在“恒载+活载”组合作用下的竖向变形和应力分布，最大值分别为30mm和300MPa。见图2.5-2。

图2.5-1  SAP2000和MIDAS有限元模型

图2.5-2  结构分析结果

2.6 项目实施概述

      1.分阶段施工

      第一阶段：胎架搭设及初步安装。

      第二阶段：钢板剪力墙及梁翼缘焊接完成安装。 

      第三阶段：结构卸载。

      第四阶段：拆除胎架及后续工作。

   

胎架搭设

初步安装、焊缝完成

放沙卸载、拆除胎架

    

      2.现场实测

       由于卸载过程是该结构较为关键的施工步骤，并且也是结构在短时间内受力改变较大的一个阶段，故对卸载过程进行现场实测。

       综合所有测点的位移（挠度）可知，结构卸载完成后结构挠度较小，基本在2mm以内，钢板剪力墙竖向变形在1mm以内；综合所有测点的应力可知，所有测点的应力均小于40MPa，远小于钢板剪力墙所用Q345钢材的名义屈服强度。大跨桁架—钢板剪力墙结构卸载完成与支撑胎架脱离，形成独立受力体系，结构变形及内力均在较小的合理范围内，可以继续进行胎架拆除及楼板混凝土浇筑等后续工作。

应变数据采集

主加劲肋交叉处应力

次加劲肋交叉处应力

   

      3.技术要点

       初步拼装施工期间，在非剪力墙下方的胎架顶部设置小H型钢、剪力墙下方的胎架顶部设置沙漏以方便后续的结构卸载。

       需对大跨桁架两端的结构沉降进行观测，待两侧沉降相对稳定后，才可将完成第一阶段初步安装施工后，剪力墙所在跨的梁柱节点处的梁翼缘及钢板剪力墙进行最终焊接。

       卸载时先对非钢板剪力墙下方的胎架支撑进行卸载，最后对钢板剪力墙下方的胎架支撑进行卸载（小H型钢采用焰割方式，沙漏采用放沙方式）。

3  隔震张拉空间钢结构体系

       项目中央广场上方覆盖有M形大型采光顶，东西向全长约100m，南北向底部支座间跨度约34m。

       研究了“适用于隔震、减振预应力与钢结构综合应用的设计与建造技术”，在广场上方横向跨度37m、纵向长度100m、造型呈字母“M”形的复杂钢结构屋盖设计中，首次将层间隔震技术与预应力空间钢结构体系有机结合，研创了适用于复杂形体钢结构跨越多个单体建筑时的减震、抗震设计技术；在建设过程中研创了“空间M形预应力钢结构天幕建造技术”，成功实现了钢结构天幕高空无支架单元式拼装及张拉。

       采光顶整体搁置在办公楼、演播楼、酒店楼和商业楼4个结构上，屋面荷载通过桁架传向各个结构单体。

 

3.1  采光顶结构布置 

       采光顶主体通过U形主钢管和与之垂直的圆钢管形成网格面，钢拉杆与各结构单体相连，并在U形钢管中央设置水平钢拉杆，以控制采光顶的变形。

       通过设置橡胶隔震支座吸收和适应采光顶与各单体连接处在地震中的不协调变形。

       结合预应力拉杆技术，解决采光顶连接体复杂的受力和变形问题。

3.2  支座选型

       由于采光顶两侧结构不同，右侧支座只能落在B区，无法与A区支座结构保持对称，重力作用下整个结构将向右下方“倾斜”。

       由于在静载作用下，隔震支座一般不考虑铅芯的刚度(铅芯蠕变)而在地震作用下铅芯宜快速屈服，以保证支座起到隔震及耗能作用。故支座优选高强度橡胶系列，铅芯则尽可能采用小直径。

       设计中针对支座选型和张拉力控制进行了多方案对比，选择铅芯橡胶支座Y4Q670G10和Y4Q1220G10，水平刚度分别为2000kN/m与6000kN/m，张拉杆初拉力200kN，验算各项指标均满足要求。

3.3  施工概况

铅芯橡胶支座安装、铸钢节点安装、北侧边桁架

南侧边桁架、中间U形管吊装、U形管间小系杆焊接

 

3.4  张拉模拟分析

       通过施工模拟分析确定采光顶结构施工顺序，首先进行两侧支座和桁架区域施工，其次U形主钢管弧梁和与之垂直的圆钢管次梁，最后为拉杆部分。

       考虑到除采光顶中间部位外其余主钢管弧梁与竖直平面存在一定角度，在弧梁承受自重前，需将其与相邻已完成的弧梁采用小次梁连接，以防产生指向中部的水平位移。

       结构首先张拉采光顶最中间（区域1）拉杆，其次为其两侧（区域2）对称布置的两根拉杆，最终依次完成对称张拉（共7次）。

4  大高差围护体系

       研究了“适用于大高差曲线形钢结构体系的设计与建造技术”，通过力学找形分析，创新采用了“悬垂幕状造型”的钢结构和玻璃幕墙，实现了连接共享空间幕墙水平跨越40m，高差50m的建筑效果；在建造中，突破了传统仅小高差采用滑移技术的限制，首次将滑移施工工艺应用于大高差结构，达到国际领先水平。

4.1  结构传力体系

     

       屋架下部与8层裙房楼面相连，上部与主楼19层和20层相连，将自重、地震和风荷载作用传递到主楼结构和裙房。

       飘带弧梁在重力作用下将产生较大拉力，设计中通过飘带上端节点处的二力杆转换为拉力和压力传递到主体楼面系统上。

       飘带下方与设置在8层的柱子相连，并通过斜支撑形成支撑体系。

       由于混凝土楼面结构抗拉能力较弱，通过在楼面增加水平型钢支撑系统将飘带产生的拉力传递到主体核心筒上。

4.2  结构布置

       水平方向上每间隔1.0m设置直径150mm的横向刚性圆形系杆，与弧梁形成网格状曲面。

       在飘带南北向封边处 ，通过设置空间三角封边桁架确保平面刚度和水平力传递能力，协调结构的整体变形。

       两侧墙面通过设置□800×400 ～ 400×400的变截面矩形钢柱，抵抗作用于墙面的风压等水平力，并满足幕墙的变形要求。

4.3  施工过程

       建造中，突破传统仅小高差采用滑移技术的限制，首次将滑移施工工艺应用于该大高差结构。

       滑移施工时弧形梁上下端的水平变形量难以保证完全一致,因此考虑上下端一定滑移差情况下轨道产生的卡轨力。

计算滑移差造成的轨道卡轨力

脚手架搭设量减小为满堂脚手架（6万立方米）的1/4

5  交叉张弦钢楼梯

       对于项目中跨度达25m、宽度8m的室外楼梯，研创了“预应力交叉张弦钢楼梯体系”，解决了荷载大、结构舒适度要求高等设计难题。

5.1  结构设计

       楼梯梯梁采用箱型截面，撑杆采用圆钢管组成的组合平面桁架，拉索采用钢拉杆，共计三榀，各榀梯梁通过横向撑杆、次梁以及楼梯梯板连接，提供梯梁的侧向刚度，保证梯梁稳定。

       在最不利工况下，杆件的最大应力比为0.58；楼梯的跨中最大挠度为-39.3mm，而预应力楼梯的跨度约为23m ,最大挠度为跨度1/585，满足设计要求。

5.2  舒适度分析

       通过对预应力交叉弦杆楼梯进行特征值分析，楼梯竖向第一振型频率f=1.79Hz<3Hz。

       设计采用稳态分析方法对结构在不同人行激励频率下的动力响应进行计算,计算得到结构在不同人行荷载频率下最大加速度响应为0.11m/s2，满足规范室外钢楼梯加速度0.22的限值要求。

6  BIM智能化设计应用

       研究了“适用于复杂自由曲面钢结构的BIM技术”，在塔楼屋顶上方复杂自由曲面钢网壳结构的设计中，基于RHINO平台自主研发了参数化优化设计技术，在满足建筑美学要求下获得最优结构曲面；利用二次开发平台，将CATIA和REVIT成熟应用到建筑结构设计阶段，实现物理模型与分析模型的无缝结合；建设过程中，研发形成了“高空曲面网壳全过程数字建造技术”，有效解决了网壳单元制作、安装过程误差累积等难题。

7  结语  

       整个项目涉及多种不同的结构体系，如偏刚性、带开洞钢板墙的大跨度桁架，偏柔性的大跨度悬垂结构和预应力张拉隔震结构等；同时也要求在施工中进行技术创新，如沙漏控制的变刚度调平技术和大高差结构滑移施工等。设计中需要采用多种技术手段，包括多种有限元分析方法、BIM技术等，来保证项目的顺利实施。

       项目由株式会社日建设计完成方案和初步设计，中衡设计集团完成相关体系课题研究、扩初设计、抗震超限报告、动力弹塑性分析和施工图设计等工作，中亿丰建设负责总承包施工。在项目设计和建设过程中涉及多项技术难题，中衡设计集团联合中亿丰建设和东南大学等单位，开展了一系列试验研究、理论分析和现场验证，取得了多项重大技术突破，总结了新的设计方法、施工工法，形成的系列成果均通过权威专家组织的课题验收，并获得多项专利及软件著作权，相关成果在苏州中心“未来之翼”钢屋面、苏州湾水街、苏州太平金融大厦和宿迁宿城区文体中心等工程也得以成功应用，取得重大的经济与社会效益。

       以苏州现代传媒广场项目为背景，本文介绍了该项目中涉及的多种新型钢结构技术的研究和应用，对结构设计中所采用的技术方法和途径进行了总结，最终实现了结构与建筑的良好结合。该项目设计中的主要核心技术点有：

      ￭ 办公楼与演播楼之间采用新型“开洞钢板墙-钢桁架结构”体系，形成跨度近40m的门式结构，同时解决了大跨度重载和人员通行等问题；结合理论分析与试验，系统研究了其力学性能，提出相应设计与等效建模方法。

      ￭ 对连接多个单体的M形采光顶,设计中为提高抗震性能和减小相邻建筑的不利影响，采用铅芯橡胶支座隔震与预应力拉杆组合设计，解决了此类连接体受力复杂、差异变形的难题，在预应力拉杆的设计进行了张拉施工方案模拟，确定了合理的初始张拉力和张拉顺序，使设计得以顺利实施。

      ￭ 针对大高差曲线形中庭，通过应变能优化得到最优中庭曲面形态，采用曲线形钢梁与钢结构组合柱构成整体，将自重、地震以及风荷载的作用传递到主楼结构和裙房部位，传力可靠，外形流畅。

      ￭ 项目下沉广场处跨度达21.3m的钢楼梯，首次采用预应力交叉张弦钢楼梯体系，实现了楼梯大跨、无柱、轻巧美观的建筑效果。

8  后记

       2019年4月12日，我国土木工程领域工程建设项目科技创新的最高荣誉—中国土木工程詹天佑奖隆重揭晓，“苏州现代传媒广场”项目荣获第十六届中国土木工程詹天佑奖，这是苏州公共建筑工程项目首次荣获该奖项，是继获鲁班奖之后所获的又一大荣誉，该奖项充分肯定了该项目全层面的“创新性”、“先进性”和“权威性”。

       中国土木工程詹天佑奖获奖评语：建筑与结构相辅相成，建筑师通过建筑表现展示结构的力度和美感，结构工程师积极了解建筑师的想法，创造性提供解决性方案，而不仅拘泥于软件结构和规范。苏州现代传媒广场设计团队通过深入的专业之间技术交流与合作，最终呈现了一个美丽、优雅的城市综合体。