前海法治大厦上部结构设计综述

前海法治大厦位于深圳市前海深港现代服务业合作区第09开发单元03街坊06地块，建成后将成为前海地区标志性公共建筑。建筑型态来源于天平的概念，象征法律的公平公正，体现现代国际法治理念，表达开放、创新的前海精神。

用地面积8141m2，总建筑面积3.4万m2。建筑地上10层，高度约54.7m，裙房3层，高度16.5m，地下2层，埋深约10m，为地下车库。建筑效果图见图1。一层为法制展览厅，二、三层为300座的通高大法庭，中间不设柱，形成34.8x21.1m大空间。四层以上为中小法庭及服务用房，东西二侧端部悬挑17.4m。利用楼电梯间形成的二个落地筒体及部分落地框架柱共同支承上部6层结构，从而达到建筑效果。

图1 建筑效果图

工程设计使用年限50年，结构安全等级二级，抗震设防类别丙类，抗震设防烈度7度，设计地震分组第一组，场地类别C类。基本风压0.75KN/m2(50年一遇)，地面粗糙度类别B类。

2 结构体系选型

在方案设计阶段，比较了钢桁架、混凝土框架-钢拉杆、钢框架-钢拉杆方案等方案，考虑如下：

(1) 钢拉杆材料设计强度高，承载力相同的前提下,钢桁架所需的截面远大于拉杆。

(2) 混凝土框架自重大，拉杆的负担大，尤其上部混凝土结构协调变形能力差，裂缝较难控制。

(3) 钢框架的楼盖系统采用钢梁组合楼盖，能适应张拉需要，可节约施工临时支撑。

综合经济性、结构安全度及建筑需求, 最终选用钢框架-钢拉杆-钢筋混凝土核心筒结构体系。上部结构重力荷载由钢拉杆和各层结构楼盖传递到竖向落地构件;水平荷载通过各层楼屋盖传递到落地竖向构件。钢拉杆与筒体连接处的核心筒墙体内均埋入型钢，前期承受钢拉杆张拉应力，后期与混凝土形成组合结构参与工作，加强主体结构。

悬挑端D~H轴沿竖向设上中下三道钢拉杆，分别位于4~6层、6~8层、8~10层。二个核心筒中间由于建筑二层大开间需要在E轴设置二组对称拉杆，结构平面、剖面如图2、3所示。结构主框梁H700x300x20x25、H600x200x10x25，次梁H600x200x10x17，钢柱□600x600x25、□500x500x25，核心筒墙厚600mm、400 mm、300 mm。拉杆直径220mm、150mm，屈服强度650N/mm2。

图2 上部结构典型平面图

图3 结构主要剖面图

3 设计策略

3.1 结构自平衡控制

东西二侧悬挑跨度一致，通过调整建筑平面，使二个核心筒墙体基本对称;调整结构布置，使核心筒间的梁板基本对称。重力荷载作用下，斜拉杆受力巨大，为保证不使竖向构件墙柱产生过大侧移变形，通过上部楼屋盖水平刚度及承载力，使二端斜拉杆拉力的水平分力相互平衡，是项目得以实现的关键理念。

3.2 加强筒体墙，减少抗扭效应

上部结构东西方向三层以上长87m，三层以下长52.2m，南北方向宽27.8m，三层以上长宽比3.12，三层以下1.87，东西向形体上大下小，质量分布上重下轻，因此控制扭转效应是本项目的另一关键点。采用双核心筒，保证筒体的完整性，并将Y向墙体加厚至三层以下600mm，三层以上400mm，增强了结构的抗扭刚度，从而减少了水平力作用下结构的抗扭效应。

3.3 拉杆应力控制

控制拉杆初始张拉应力。通过调整上中下三组拉杆初始张拉力，保持最终状态下三组拉杆受力均匀，保证了梁板受力均匀。通过调整不同轴线上同层拉杆初始张拉应力，使柱竖向位移基本相同，重力荷载下柱两侧梁弯曲产生的弯矩自平衡，柱端弯矩小，改善了梁柱的受力状态。

控制拉杆应力水平,小震作用下拉杆应力比最大值小于0.7，中震作用下拉杆应力比最大值小于0.78。

3.4 结构位移控制

对拉杆施加初始张拉力, 在拉杆张紧同时, 控制第四层钢梁悬臂端上拱变形，避免钢梁应力过大。随着上部结构施工, 重力荷载不断增加使整体结构逐渐向下弯曲变形。装修、幕墙等全部恒载施加后，控制第四层钢梁悬臂端下挠变形<50mm。装修、幕墙等全部恒载施加后，控制筒体的顶部水平位移<5mm。落地柱顶水平位移<10mm。

4 荷载作用

4.1 重力荷载

梁、柱和剪力墙等结构构件的自重在计算中由计算程序根据构件截面和材料容重直接计算。附加静荷载:法庭2.5kN/m2，幕墙及遮阳1.5kN/m2。活载: 大法庭3.5kN/m2，中小法庭2.5kN/m2，走廊2.5kN/m2，公共区3.5kN/m2，屋顶花园3.0kN/m2。

4.2 地震作用

水平地震作用方向取平行(垂直)结构主要分支方向，同时考虑竖向地震作用和单向偶然偏心地震作用。竖向地震影响系数最大值取水平地震影响系数的0.65。结构位移和构件承载力计算考虑三向地震作用，三向取值为Sx ：Sy ：Sz = 1.0：0.85：0.65( 0.85：1.0：0.65)。阻尼比取0.035。

4.3 风荷载

基本风压按深圳地区50年一遇0.75kN/m2，地面粗糙度B类，体型系数和风振系数按高规取值。

5 结构弹性计算结果

工程计算分析主要采用的软件为：ETABS(整体结构分析)，ABAQUS(节点分析、动力弹塑性分析)，SAFE(底板分析)。以一层楼面作为结构嵌固端。计算模型采用弹性楼盖假定，剪力墙、连梁、楼板采用壳元，梁、柱采用梁单元。考虑楼板壳元接口，梁进一步细分，二者变形协调。楼面梁板均按偏压或偏拉构件复核配筋。计算模型见图4，计算结果见表1, 2。

表1

表2

图4 三维模型图

图5竖向地震作用下楼层Z向反力图

竖向地震作用下基底Z向支座反力见图5。反应谱计算最大反力8533kN,大于时程分析结果。反应谱作用下基底Z向反力为等效重力荷载(恒载+0.5*活载)作用下的2.2%，整体竖向地震作用效应较小。选取结构中的主要构件(大跨和悬挑部分的钢拉杆)，构件编号如图6所示。分析其在竖向地震作用下的内力,见表3。

图6 南侧内榀E轴构件编号图

由上述内力对比结果可知，竖向地震引起的内力约为等效重力荷载作用下内力的10%，设计时不应忽略。

6 弹塑性分析

采用ABAQUS软件，选用两组天然波和一组人工波进行三向输入的大震动力弹塑性分析。模型中梁、柱采用纤维梁单元，剪力墙、连梁、楼板采用四边形或三角形缩减积分壳单元模拟;剪力墙、楼板的钢筋通过壳单元内设置钢筋层来模拟;剪力墙内置型钢采用梁单元模拟，与剪力墙共节点模拟;边缘构件、连梁纵向钢筋采用杆单元模拟，与剪力墙、连梁共节点模拟。实际地震作用是在施工模拟的基础上施加的，施工模拟最终状态为1.0恒载+ 0.5活载，并以此状态作为动力弹塑性分析的初始状态。

分析表明：在考虑重力二阶效应及大变形时，X向最大层间位移角为1/558，Y向最大层间位移角为1/364，均小于规范限值。弹塑性分析基底剪力约相当于反应谱小震的3.0～4.6倍。图7为剪力墙受压损伤云图，图中可看出大部分连梁出现明显损伤，说明在罕遇地震作用下，连梁形成了铰机制，符合屈服耗能的抗震工程学概念;X向剪力墙在底层与拉杆连的偶数层、顶层有一定损伤;Y向剪力墙基本完好。

图7 X向地震作用下剪力墙受压损伤云图

图8给出三条地震波作用下内力最大的钢拉杆应力时程曲线。图中看出，钢拉杆最大拉应力为570Mpa，小于钢拉杆标准屈服强度650Mpa。

图8 X为主方向输入时钢拉杆应力时程曲线

7 专项分析

7.1重力作用下单榀结构分析

基于大悬挑及大跨等主要结构特点，分析结构在重力作用下的传力机制、构件的内力及变形十分重要。以E轴结构为例，图9为重力荷载(1.35恒载+0.98活载)作用下的结构内力与位移。

图9重力荷载作用下构件内力、变形图

从图中可知，斜拉杆与核心筒相连位置根部连梁及两个核心筒之间的框架梁内存在较大的轴拉力，最大值为5043KN;悬挑端框架梁存在较大轴压力，压力最大值为-2100KN，针对以上两个主要的构件受力特点，通过在混凝土连梁内布置型钢，验算钢梁承载力时梁按压弯构件考虑等措施来确保结构满足承载力要求，保证结构安全。

7.2楼板受力分析及配筋

钢拉杆拉力通过楼盖拉压力平衡，所以与钢拉杆连接的钢梁及混凝土楼板存在较大轴力，设计时不能忽略。采用ETABS软件进行楼板受力分析，楼板以壳单元模拟。图10、11分别为重力荷载(恒载+0.5倍活载)和X向地震作用下8层楼板轴力图。

图10 重力荷载作用下8层楼板F11轴力图(KN/m)

图11 X向地震作用下8层楼板F11轴力图(kN/m)

从图中可知，楼板与悬臂主梁相交处X向(F11)存在最大值约为300KN/m的轴压力。核心筒中间连梁位置轴拉力最大值约为300kN/m。X向地震作用下轴力为60kN/m。按压弯构件进行承载力极限状态和正常使用状态验算,控制裂缝宽度<0.2mm，实配板底12@100+附加12@100(As=2261mm2),板面12@150+附加12@150(As=1504mm2)。

7.3节点设计

拉杆节点的承载力和安全度决定整个结构的承载力和安全度，是整个工程的又一关键。拉杆节点分为拉杆上、中、下节点，应进行专门设计。F、G轴拉杆直径220mm，连接板60mm厚Q390(GJC)，与销钉连接处采用200mm厚以与钢拉杆端头匹配,考虑后期梁柱节点的加工，节点范围内方管柱壁厚由15mm加至25mm。采用ABAQUS有限元程序中C3D8R线性减缩积分单元对各类拉杆节点进行了实体模型弹性、弹塑性计算分析。

图12 节点详图

由图12所示计算结果可知，节点区受力复杂，阴角区有明显的应力集中。下节点与中节点由于钢拉杆内力较大，耳板与销轴连接处边缘应力水平较高，接近Q390局部承压强度。

7.4舒适度分析

ATC(Applied Technology Council)给出了不同环境、不同振动频率下竖向峰值加速度限值。本项目平时人员行走、起立及单人跳跃竖向振动舒适度评价标准采用ATC办公楼标准，偏保守取竖向峰值加速度限值0.16m/s2。采用MADIS/GEN软件对结构进行模态分析，求得其竖向频率。考虑通高隔墙作用，结构阻尼比取0.05。计算结果表明，结构的第4~7阶振型均为竖向振动。图13为第4阶振型图，振动频率为2.42HZ，图中显示主要振动部位位于悬挑端部。

图13 第4阶振型图

对8、9层悬臂区域施加单人跳跃、行走激励时程。行走激励时程采用调整过的IBASE连续步行荷载模型，假定10人同层同步行走，频率2.42Hz，人体重0.75KN。人跳跃荷载采用BRE半正弦荷载模型。图14为单人跳跃加速度响应，图15加速度响应频谱。计算表明：最大激励效应发生在结构竖向主频率区，加速度峰值0.15m/s2，对应频率为2.34HZ，舒适度满足要求。

图14加速度响应时程

图15加速度响应频谱

7.5施工顺序选择及模拟

悬挑跨度大、层数多，如果整个施工过程使用临时支撑承受上部结构的施工荷载，则所需临时支撑用量大、轴力大、时间长，施工风险增大，并引起造价增加。

经过不同施工顺序方案对比，采用核心筒首先施工二层，其次施工钢框架及安装钢拉杆，后施工楼板，利用钢框架及钢拉杆拉力支承施工过程中的梁板自重，是合理的方案。第5层至屋顶层施工过程中自重及施工荷载由钢框架及钢拉杆承担，充分发挥钢框架及钢拉杆作用。施工过程中的关键在于钢拉杆预紧力的施加，预紧力对结构变形及内力分配起到了决定性的作用。预紧力的大小应根据施工模拟的计算结果，图16为张拉施工详图。在整个施工过程中，需要监测钢拉杆的应力、各层结构控制点的竖向变形，根据监测结果，可以调整钢拉杆施工时的预紧力。

图16 张拉施工详图

施工模拟计算步骤如下：

1)添加1~3层筒体、框架及楼板，此时结构自重生成。

2)添加临时支撑，采用缝单元模拟支撑。

3)添加第4层筒体、框架及楼板;

4)添加5~6层筒体及框架;

5)添加第一道下层钢拉杆，钢拉杆施加预紧力(D、H轴施加600kN，E、G轴施加1000kN)，使悬挑端竖向变形向上约10mm;

6)拆取临时支撑;

7)添加7~8层筒体及框架;

8)添加第二道中层钢拉杆，钢拉杆施加预紧力(D、H轴施加300kN，E、G轴施加500kN);

9)添加9~10层筒体及框架;

10)添加上层钢拉杆，钢拉杆施加预紧力(D、H轴施加300kN，E、G轴施加500kN);

11)添加屋顶层筒体及框架;

12)逐层添加5~屋顶层楼板;

13)添加建筑做法、幕墙等附加恒载;

14)添加使用活荷载。图17为施工模拟下E轴钢拉杆的轴力图，图18为E轴四层悬挑端端点及中点位移图，图19为E轴四层悬挑部位框架梁支座弯矩图。

图17钢拉杆轴力图(单位：kN)

图18悬挑端端点及中点位移图(单位：mm)

图19框架梁支座弯矩图(单位：kN·m)

前海法治大厦采用了带斜拉杆的框架筒体结构体系，利用拉杆与上部钢结构楼盖屋盖水平刚度和承载力将上部4~10层框架结构重力荷载传递至落地筒体、框架柱，新颖独特，有如下结论:

(1) 结构体系的特殊性决定了主体结构自平衡的施工顺序。它不仅能够保证结构安全, 而且能够节约造价和缩短工期。

(2) 特殊的建筑体型对抗震不利，通过调整结构布置、增强核心筒完整性等措施较好地减少了扭转效应。

(3) 斜拉杆拉力大，楼盖内存在较大的拉压力，设计不能忽略。

(4) 成品钢拉杆强度高、承载力大，节点设计应重点分析，以确保结构安全与使用。