海世博會中國館國家館結構設計與研究

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方小丹：各位前輩、各位領導、同仁，以下我代表上海世博會中國館國家館的設計團隊來給大家匯報一下上海世博會中國館國家館結構設計的情況。

世博會中國館在世博會園區(qū)浦東區(qū)域主入口的位置，由國家館、地區(qū)館和港澳臺三部分組成。其中，國家館被稱為“東方之冠”，底部架空，展區(qū)部分層疊出挑，平面尺寸由底部的69.9米X69.9米，到了路面是134.4×134.4，整個中國館現(xiàn)在已經超過了16萬平方米。大致情況是這樣的，這是地區(qū)館部分，A區(qū)的是國家館的部分。

分布是這樣的，分成了國家館是獨立的。這是它的模型，從模型可以看到它的情況，地下是一層，頂上是兩層，是四個大柱子，由筒體這里展出一些斜撐，這個斜撐是用來支撐整個層層出挑的木桿，整個斜撐總共有20根。結構是這樣的，整個體系是鋼筋混凝土筒體加上整個樓蓋的結構體系。4個筒體18.6×18.6，四個落地筒除承擔豎向荷載外，還承載了地震荷載。20根斜柱是800×1500，厚度是35個mm。

樓蓋。樓蓋采用密肋梁，鋼筋桁架的模板，密肋梁和混凝土、樓板做成一個主的樓蓋，樓板的厚度是130厚。到了這個樓蓋，這個樓蓋是60.3，板厚是1.4，貼面這一層往外的推力還是比較大的，所以我們做了一個預應力，昨天我在上面再檢查一下樓蓋的情況，整個樓蓋是130多米見方的樓蓋，到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)什么裂縫，它的整個筒體非常大。

荷載。這個展區(qū)的荷載比較大。這是展廳的平面，在這個圖上可以看到。中間是四個筒體，然后是20根斜撐，這是它的一個剖面情況。這個樓梯間里面還有很多隔板在核心筒中間，因為我們要算一些層間位移的東西，所以最后劃分成7個樓層，實際上里面還有很多隔板。

基礎?；A設計。它的基礎是采用罐注樁基礎，樁48，我們用了一個420噸的承載力，后來加的時候加到11級，到我們這個國家館這里由于地鐵方面的要求，非?？拷芗易煺?，這里用了一個350噸。所有這些樁的豎向承載力抗壓實驗都可以滿足，都達到了設計的要求。

這個工程，我們在抗震方面還是作為比較重要的問題來考慮。設計基準期是50年，結構耐久性是1百年。建筑結構安全等級為一級。我們目標是這樣的。結構處于彈性階段，中震斜柱處于彈性。我們一般做設計的時候都是這么控制的，一般控制在0.2個SCK里面，如果是這樣控制的話，你做彈性分析，或者是動力分析的時候絕對不會出現(xiàn)問題。

這是一些參數(shù)，大家從3個曲線中可以看到，上海規(guī)程地震作用是最大的，我們結構周期1.4秒左右，1.41，1.41秒左右，安評報告是最小的，然后國家規(guī)范，安評報告，按照國家規(guī)范安評報告是最小的，為什么小呢，在短周期的時候最大標準還是大的，但是衰減期比較快，做出來的衰減是比較大的，我們覺得或是做得不錯的，實事求是把這個數(shù)字做出來，因為軟骨這么厚，衰減肯定是大的。最后是考慮到它是一個比較重要的結構，最后我們還是用一個上海規(guī)程來做設計，而不是用安評的結果，做出來的結果會偏于安全一些，底部的剪力也會比較大一些。

整個結構的基本數(shù)據(jù)是這樣的，低振型是一個扭轉振型。用好幾個程序算出來都扭轉振型，1.41、1.46，這個零點的位移角度是比較小的，集體的剪力，因為我們上海用的場地是室外場地，這個是0.9秒，如果是安評是0.7，我們用了0.9秒，這個結構還是比較單的。大家看到最大層間位移要跟我們做的振動臺實驗還是比較接近的。

底下是對扭角振型是低振型來做一個討論。算下來的結果是這樣的，結構的抗剪承載力是由剪力墻提供的，都承載于核心筒上，相對18.6見方的結構上面是非常小的，所以主要是剪力墻來提供，四個筒體剪力墻沿豎向連續(xù)，沒有突變，結構剛性比為19.1，非常穩(wěn)當，滿足不小于1.41的要求。這是19.1，加強部位本來就控制在0.4以下，現(xiàn)在安評是0.3左右，最不利地震作用方向為負17度，其計算結果與X、Y、45°方向的計算結果接近。在考慮偶然微型地震的偏向地震作用下最大的水平位移，樓蓋豎向構件的最大水平位移為屋面兩端豎向構件彈性水平位移平均值的1.18倍，小于1.2，所以看到這個結構雖然扭轉振型是低振型，但是轉位移小于1.2，如果是按照規(guī)定評定標準來講還是屬于扭轉固定不規(guī)整的結構，但是扭轉振型是低振型。

接下來對扭轉振型是低振型做一些討論。為什么扭轉振型是低振型呢，大家可以看到這個樣子，層層出挑導致質量和分布范圍越來越大，轉量大了以后盡管扭轉難度是非常大的，所以扭轉周期就變成了低周期。以下通過位移看一下是否可以滿足規(guī)范的要求，實際上是可以滿足規(guī)范要求的，只是這個結構是好，還是不好的問題。我們把這個核心筒一個方向的剪力墻削弱了，我們做一個研究，把削好的墻做成這樣，中間的剪力墻去掉，這樣我們削弱它的剛度，第一個周期就平動周期變成了1.7，扭轉變成了1.26，這樣是可以滿足要求的，周期里面是0.87，但是頻剛度減少80%，增大了一倍，而且原本為基本對稱布置的抗側力構件認為變成不對稱的布置，對結構抗震也是不利的。

我們覺得整個結構整體變形是各個結構上面變形協(xié)調的結果。這個工程是4個平面尺寸，18.6M×18.6M，結構平面規(guī)則對稱，總這個計算中可以看到單個混凝土為平均水平的1.1倍，可見筒體的扭轉效應是不明顯的。所以可以看到抵抗扭轉不是筒體本身的扭轉，而是一個平動，也就是說像太陽公轉一樣的，而由公轉來抵抗扭角，而不是由自轉來抵抗扭轉。

另外，這次可以看到一個數(shù)據(jù)，雖然扭轉振型是低振型，但是第一扭轉振型引起的扭矩僅為第一平均振性考慮偶然偏向引起震振型的百分之十一。雖然扭矩周期是低周期，但是扭轉反應必然會嚴重，對結構的判斷影響不大，最后也證明了這一點。當時我們在討論這個問題的時候在想要不要限制周期的問題，我們對這個問題有一些討論，但是我們感覺不應該。

這個扭轉振型是靠本身動力特性的問題，它不見得是扭轉剛度的問題，扭轉引起什么樣的后果呢，如果你扭轉剛度做得非常大，那一樣引起的扭矩也會大，你小的話扭矩也會小，因為扭轉剛度大的話一定會變形，所以扭矩就會大，這是很顯然的現(xiàn)象。所以我們覺得關鍵還是要考慮你這個結構能不能吸引它這個變形，我覺得這才是一個關鍵的問題。包括位移點的控制，1.2、1.4、1.5、1.6、，拿一個極端的例子來講，如果你平動剛度的話，只有連著兩個扭轉，那扭轉位位移就是無窮大，1.4、1.5、1.6，無窮大，所以這方面還是要做多一點的研究。

我們這個結構加強的時候是這樣的， 1）通過加強結構的抗側剛度，從而控制結構的扭轉變形，從對比分析可以看出結構抗側剛度增大后，扭轉角約減少了49％，結構的扭轉位移比小于1.2，滿足了規(guī)范關于扭轉規(guī)則性指標的要求。2）在各混凝土筒體的轉角部位設置方鋼管，除方便與鋼管混凝土斜柱的連接，緩解局部的應力集中外，更主要的是可提高混凝土筒體的極限變形能力，提高結構的抗震性能。3）剪力墻的抗震等級提高至特一級，適當提高底部加強區(qū)剪力墻的配筋率至0.6％，控制筒體剪力墻在大震彈性作用下的剪應力水平不大于0.1fck，控制筒體剪力墻的軸壓比不大于0.4，連梁內增設型鋼。4）加強建筑外圍的桁架與斜柱的連接。
想到的措施我們都考慮了，所以這個結構非常地穩(wěn)當?shù)摹?/p>

再有一個問題就是層間的剛度。如果是按照國家規(guī)范來講，樓層的側向剛度比值是0.33，但其根本原因在于層高差別較大，實際上四個筒體的截面尺寸由下至上保持不變，連梁位置也是基本不變，這么一個懸蓋梁，層高是隔板的間距，也就是說層高給除掉了，但是不管怎么說，因為要應付一下施工圖審查這些，因為時間非常的緊張，我們還是放大了1.6倍，就算放大1.15倍，也不會增加這個鋼，因為我們剪力水平本身就比較低，所以增加1.6倍也不會增加什么鋼筋，也不會增加什么容量。

我們考慮到這個工程比較重要，斜柱這也是一些專家關注的地方。實際上這個斜柱我們覺得它是最安全的，為什么呢，因為這個斜柱的軸力恒載、活載加起來小震1千多kN，大的2千多kN，小震引起的軸力非常小，到中震也非常小，加起來不超過它的20%，小震引起的彈性軸力發(fā)生的豎向荷載，不超過它的20%，到中震的話不超過25%。

連梁。中震下，剪力墻連梁的最大剪壓比不超過0.1，中震的時候也不會有什么破壞。罕遇地震的時候會破壞，但是到罕遇地震要不破壞也是可以做得到的。這個工程我們還做了一個彈塑性的靜力分析，對于大震作用下結構的彈塑性靜力分析，分別采用的倒三角形和矩形分布模式側推荷載，求得的需求層間位移角為1/319和1/354，均遠小于1/100的要求。從分析看到由于連梁塑性鉸的不斷出現(xiàn)，各墻肢受力趨于均勻，在過了大震下的需求點后，又繼續(xù)給結構施加一個較大的位移，剪力墻仍未破壞。

我要在這里簡單地說一下，現(xiàn)在有一些疑問，就是這個剪力墻行不行啊，有什么問題啊，實際上動力墻很大的問題是什么呢，就是最基本的理論要搞清楚，但是很多東西沒有搞清楚，經常是這樣的，這個動力墻還有一個缺點，大家統(tǒng)計下來不是那么太穩(wěn)定，靜力彈塑性還不是很穩(wěn)定，所以在目前的情況下我覺得還是可以有這么一個替代的一種方法，就是用動力彈塑性，它有一個比較好的穩(wěn)定性，是偏安全的，你要是彈塑性做出來不行，那靜力彈塑性肯定就不行了，如果是做出來是行的話，那靜力彈塑性也行。

因為時間的關系，就講一下模擬地震振動臺的實驗?？紤]到還是比較接近的，包括扭轉力還是比較接近的，其他一些穩(wěn)定啊，還有樓蓋舒適度方面我想可以看一下文章，因為時間不夠了。

還剩下2、3分鐘，講一下樓蓋的舒適度，現(xiàn)在樓蓋舒適度沒有什么規(guī)范的規(guī)定，現(xiàn)在大家可以參考文獻來做一些分析。我們有什么感覺呢，就是對這個跨度比較大，荷載比較大的結構來控制它的頻率不要小于3個赫茲，就是人行天橋的規(guī)定，這是比較困難的。實際上我們覺得控制它的豎向加速度還是比較合適的，那怎么做呢，我們有很多種方法，我們的做法是做一個白噪聲看一下樓蓋的反應，做下來是0.03，遠小于一般的0.15，所以這個效果還不錯，至于這個周期還是比較接近的，我們是3.0，那是什么樣的問題呢，你在樓面上跳啊，什么的都沒有什么反應，主要是因為它的主抗非常大，這樣控制它的加速度更好。

因為時間不太夠了，我就不耽誤大家的時間了，所以給大家介紹到這里。