1、第 45 卷 第 24 期2015 年 12 月下建 筑 结 构Building StructureVol45 No24Dec 2015重庆来福士广场空中连桥减隔震设计刘志刚1， 侯悦琪1， 朱立刚1， 梁金桐1， 王 隽2( 1 奥雅纳工程顾问 ， 上海 200031; 2 凯德置地 ( 中国 ) 投资有限公司 ， 上海 200001) 摘要 重庆来福士广场项目的一个重要设计挑战是空中连桥结构设计与其高位连接方案 。系统阐述了空中连桥结构体系及其分析设计方法 ， 并讨论了不同连接方式对结构性能的影响 ， 最终创新地提出了高位连体的减隔震设计方案 。对不同设计工况 ， 应用不同的分析模型和假设
2、 ， 以抗震性能化设计为根本 ， 对空中连桥的结构性能 、隔震层以及支承节点的地震表现进行全面的评估 。在配合建筑与机电等其他专业的同时 ， 满足了结构经济性要求 。 关键词 重庆来福士广场 ; 空中连桥 ; 高位连体结构 ; 减隔震设计与分析 ; 节点设计中图分类号 : TU3182， TU973 文献标识码 : A 文章编号 : 1002-848X( 2015) 24-0009-07Seismic isolation design of sky bridge for affles City in ChongqingLiu Zhigang1， Hou Yueqi1， Zhu Ligang1，
3、 Luong Andrew1， Wang Aaron2( 1 Arup， Shanghai 200031， China; 2 Capitaland China Investment Co， Ltd， Shanghai 200001， China)Abstract: One of important design challenges in Chongqing affles City project is sky bridge structural design and itsconnection scheme in high level The structural system and it
4、s design and analysis methodology were systematicallydescribed， with discussing the impacts on structural performance due to different connection approaches The seismicisolation scheme in high level is innovatively adopted to the final design Under the conditions of various load cases， thedifferent
5、models and assumptions were implemented A full assessment on sky bridges structural performance， seismicisolation， and its connection was conducted in terms of performance based seismic design By co-operating witharchitecture， MEP and other disciplines， the structural economy index is fulfilledKeywo
6、rds: affles City in Chongqing; sky bridge; connected structure at high level; seismic isolation design and analysis;connection design作者简介 : 刘志刚 ， 硕士 ， 工程师 ， Email: benjamin liu arup com。1 工程概况重庆来福士广场项目总占地面积约为91 782m2。建设用地地形为梯形 ， 北面的东西宽约 220m， 南面的东西宽约 495m， 南北长约 310m。该项目由 8 栋高层建筑 、6 层商业裙房和 3 层地下室组成 ，
7、 8 栋高层建筑包括 2 栋约 356m 高的综合商住楼 ( 72 75 层 ) 、6 栋约 238m 高的公寓 ( 50 51 层 ， 其中 4 栋在屋顶通过一座长达 300m 的空中连桥彼此相连 ) ， 是集大型购物中心 、高端住宅 、办公楼 、服务公寓和酒店为一体的城市综合体项目 。项目具体情况详见文献 1， 2 。项目建筑效果如图 1 所示 。空中连桥结构设计以及其与 4 座南塔楼的连接设计和分析方法是本项目中重要的设计问题之一 。空中连桥面临风荷载以及地震的双重考验 ， 塔楼与连桥之间的相互作用 ， 连桥结构体系与连接方式等设计问题需要重点考虑 。在项目概念设计阶段和初步设计阶段 ，
8、 对不同连桥与塔楼连接方式做了以下研究 : 1) 固定连接 ;2) 部分固定连接 ， 部分柔性连接 ; 3) 全柔性连接 ( 隔震减震支座 ) ; 4) 全柔性连接 ( 隔震减震支座以及阻尼器 ) 。最终连接方案优化比选了塔楼和连桥的相图 1 重庆来福士广场项目建筑效果图互作用 、剪力需求 、位移需求 、结构用钢量 、节点构造连接等方面 ， 从而提出合理的结构解决方案 。在结构设计过程中所采用的设计理念 、设计方法 、分析方法以及规范应用等方面将在本文中做详细介绍 。2 空中连桥结构体系和塔楼连接奥雅纳的诸多工程项目中也有许多包含连桥的建 筑 结 构 2015 年结构 ， 其中较为著名的是北京
9、央视总部大楼和新加坡滨海湾金沙酒店 ， 如图 2 所示 。前者采用了完全固接的整体连接形式 ; 后者采用平板滑动支座和防震缝结合的独立连接形式 。而重庆来福士广场项目空中连桥采用了一种动态连接方式 。图 2 不同连接形式建筑结构2. 1 空中连桥与塔楼连接图 3 支座连接不同方案比较 图 4 空中连桥与塔楼连接示意图在 250m 高空连接 4 座塔楼 ， 是目前较为复杂和困难的结构设计问题 。在项目概念阶段提出了 5种不同的方案 : 整体连接 ; 独立连接 ( 设置防震缝 ) ;动态连接 ( 单设抗震支座 ) ; 动态连接 ( 抗震支座与阻尼器的组合 ) ; 部分塔楼固定连接与部分塔楼动态连接
10、 。从位移需求 、剪力需求 、用钢量以及塔楼和连桥间的相互影响等多方面 ， 确定了动态连接 ( 抗震支座与阻尼器组合 ) 方式作为最终连桥支座方案 ， 如图 3 所示 。将不同连接方案的计算结果进行比较 ， 通过饼状图将各个方案的塔楼和连桥间的剪力 、相对位移以及整个模型用钢量的增加展示出来 ，结果表明方案 4 最为合理 。使用隔震支座连接 ， 以释放地震能量 ， 辅以黏滞阻尼器减小连桥的总位移 ， 减小支座的滑动半径 ， 降低造价 。本方案对总体结构有以下优势 : 1) 由滑动支承释放连桥结构内力 ， 减少用钢量 ; 2) 连桥可形成连续结构 ， 去除所有变形缝 ， 不影响建筑外观和幕墙设计
11、 ; 3) 黏滞阻尼器协助吸收地震能量和连桥滑移量 ， 减小连桥与塔楼的相对位移 ， 避免过大的局部变形缝 ， 对建筑 、机电影响最小 ; 4) 由于隔震支座和黏滞阻尼器的采用 ， 使得最大需求反力是可预估的 ，简化节点设计 ， 支承连桥的转换梁与转换结构易于满足大震下性能目标 。连桥安放于 4 个塔楼上 ， 每个塔楼上均安装 6个隔震支座 。两组阻尼器于左右两侧控制东西和南北方向变形 。在塔楼顶部 5m， 设有转换结构 ， 支座安装在 3m 宽 、5m 深的转换梁上 ， 如图 4 所示 。2. 2 空中连桥结构体系连桥的主桁架为 3 组东西向连续桁架并跨越 4个塔楼 ， 垂直于主桁架方向大约
12、每 4. 5m 安装一梯形次 桁 架 连 接 3 组 主 桁 架 。连 桥 上 下 各 浇 筑250mm 混凝土组合楼板 。连桥构件主要于反弯点( 塔楼两侧 ) 断开 ， 设置连接点方便施工后期连接中间段 。两组从连桥主结构悬挑出的小连桥作为连桥与北塔楼之间的建筑通道 ， 但结构上小连桥与北塔楼之间设置防震缝 。主桁架主要构件为方钢管 ， 增强局部抗扭能力 。次桁架主要由工字钢组成 ， 方便施工连接 。连桥的结构体系如图 5 所示 。由于机电和建筑对使用空间的要求 ， 空中连桥组合楼板结构未与主体桁架结构直接相连 ， 因此主次桁架平面内刚度不足导致结构出现整体扭转振型 ， 对控制结构变形与内力
13、不利 。在概念设计与初步设计阶段 ， 结构工程师与建筑和机电协调 ， 在主次桁架弦杆所在平面增设交叉水平支撑以提高平面内刚度 。从总体结构设计概念上 ， 连桥主结构形成刚度较好的盒形桁架结构 ， 自身刚度分布均匀 ， 减小了连桥自身相对位移导致的次应力 。从构件尺寸与内力分布结果可知 ， 该结构体系刚度与承载力分布均匀 。01第 45 卷 第 24 期 刘志刚 ， 等 重庆来福士广场空中连桥减隔震设计图 5 空中连桥结构体系示意图3 连桥与其减隔震支座设计方法对连桥进行了反应谱和时程分析 ， 其基本设计思路为在小震和风荷载作用下 ， 保证连桥不浮动 ; 在中震和大震作用下连桥与塔楼之间动态连接
14、 ， 减小对连桥动力响应对塔楼的影响和连桥自身的地震力 。计算所用软件 、分析方法及支座模型假设如表1 所示 。多塔连桥计算模型 表 1多塔计算模型 多遇地震 设防地震 罕遇地震计算分析方法反应谱法 ( CQC) ，补充弹性时程分析反应谱法 ( CQC) ，补充弹性时程分析弹性时程分析 ，弹塑性时程分析计算软件 SAP2000 SAP2000， LS-DYNA LS-DYNA支座模拟方式 固接等效线性弹簧 、摩擦摆动支座单元 、阻尼器单元摩擦摆动支座单元 、阻尼器单元3. 1 连桥与多塔分析连桥小震工况采用反应谱分析来计算 ， 旨在分析连桥对塔楼的影响和连桥与塔楼之间的交界面力 。设计理念是在
15、小震工况下连桥与塔楼之间为固定连接 ， 塔楼与连桥之间不能有相对错动 ， 因此塔楼与连桥支座在小震和风工况下不涉及弹簧等非线性支座 。非线性支座的分析和设计在后文中专门讨论 。各工况下分析设计模型和假设如图 6 所示 ， 其中小震 /风 /温度工况 : 1) 弹性固接模型 ; 2) 反应谱与时程分析 ; 3) 评估多塔与单塔反应取包络 ; 4) 连桥考虑三向地震作用 。中震工况 : 1) 弹性固接模型( 6 度设防地震作用下连桥构件设计 ) ; 2) 摩擦摆式支座非线性模型 ( 用于塔楼与连桥位移分析 ) ; 3) 连桥考虑三向地震作用 。大震工况 : 1) 摩擦摆式支座非线性模型 ; 2)
16、塔楼与连桥弹塑性模型 ; 3) 连桥考虑三向地震作用 。图 6 各工况下分析设计模型和假设多塔分析表明小震反应谱分析未能捕捉塔楼鞭梢效应 。采用弹性时程分析法捕捉塔楼鞭梢效应 3， 该效应除放大连桥构件内力外 ， 还会放大连桥支座小震剪力需求 。在求支座水平剪力需求时需考虑该放大系数 。对于连桥与塔楼支座固定弹性模型 ， 中震支座剪力最大 ， 除中震工况外 ， X 向风荷载起控制作用 ， Y 向地震起控制作用 ， 温度介于小震与风荷载之间 ， 考虑时程波放大作用后结论不变 ， 如图7 所示 。当地震输入时 ， 工况分为满活荷载工况与无活荷载工况两种 。摩擦系数为 5% 摆动支座不能确保连桥固定
17、于塔楼顶部 。由摩擦系数乘以重力荷载代表值的方法可知 ， 当摩擦系数为 7% 支座时可以确保连桥在小震输入时 ， 连桥在塔楼上部不浮动 ， 如图8 所示 ( 以 X 向为例 ) ， 或采用摩擦摆式支座和阻尼器共同作用的方式使连桥在小震和风荷载下不摆动 。3. 2 连桥构件设计方法连桥构件设计从连桥钢结构抗震等级 、杆件长细比限值 ( 整体稳定 ) 、板件宽厚比 ( 局部稳定 ) 、承载力 、以应力形式表达的稳定承载力等方面展开 。由于选择隔震层后 ， 减震系数可小于11建 筑 结 构 2015 年图 7 连桥支座剪力工况比较 ( 考虑时程波放大 )图 8 支座剪力需求与支座摩擦系数关系0. 4
18、， 从而使得连桥的抗震等级降低以减小板件宽厚比需求 4。抗震等级对连桥钢结构尺寸要求主要分为两方面 。一方面 ， 对受压构件长细比要求 ， 该要求除直观表达受压构件受压刚度外 ， 也影响应力计算中的强度降低系数 ; 另一方面 ， 对板件宽厚比要求 ， 该要求主要控制构件板件的局部稳定性和局部屈曲行为 ，其总体概念为局部屈曲晚于构件整体屈曲或屈服 ，发挥构件材料等性能 。图 9 为中震 、风荷载 、温度包络后的主桁架构件承载力利用率 。4 连桥与其减隔震支座方案分析和减隔震设计参数选取在 LS-DYNA 5模型中定义构件的非线性本构关系和滞回规则 ， 建立非线性动力时程分析模型 。模型的构件 (
19、 除楼板外 ) 都采用非线性材料和单元进行模拟 。连桥和塔楼通过支座非线性单元连接模拟摩擦摆式支座和阻尼器 。在设计初期采用了不同的连接组合方式 ， 每种组合方式使用了不同的支座数量和直径 ， 如表 2 所示 。例如只有铅芯橡胶支座方案 ， 就分别使用了每座塔楼 6， 8， 10， 12 个的组合 ，支座半径也有 1. 3， 1. 4， 1. 55m 的组合 。支座参数 2表 2连接方式铅芯橡胶支座摩擦摆式支座摩擦摆式支座和阻尼器组合支座数量 ( 单个塔楼 ) 6/8/10/12 6*6*支座直径 /m 1. 3/1. 4/1. 55 1. 99 1. 55摩擦系数 6% 10% 5%阻尼器参
20、数 0. 03 0. 5， 2 5MN注 : T4S 塔楼上由于有小连桥 ， 因此放置 8 个摩擦摆式支座 ， 其余塔楼为 6 个摩擦摆式支座 。在概念设计阶段采用了铅芯橡胶支座 ( LB) ，但是为抵抗在罕遇地震下较大的位移和剪力 ， 需要非常大的支座尺寸 ， 并且数量很多 ， 不利于支座的布置 ， 另外 LB 类型支座自复位能力有限 ， 因此采用摩擦摆式支座 ( FPB) ， 如图 10 所示 ， 并对其动力表现进行了研究 。选取罕遇地震时程工况 ， 对固接和隔震连接进行比较 。连桥基底剪力在采用隔震系统方案时比采用固接方案减小约 61%， 如图 11 所示 。隔震系统有效减小了剪力需求
21、。为了进一步减小连桥在罕遇地震工况下的位移 ， 增设了阻尼器 。设计时 ， 采用了不同的阻尼器参数和布置以达到最理想的效果 。在设计阶段 ， 由于塔楼和连桥结构会有不同程度的调整 ， 选取了三组时程比较了只使用摩擦摆式支座 、摩擦摆式支座和阻尼器组合工况 ， 如图 12， 13 所示 。由图 12， 13 可知 ， 采用阻尼限位器不仅可以减小支座位移 ， 对减小连桥基底剪力需求也是有利的 。采用阻尼器对整体结构有以下影响 : 1) 可以有效地减小连桥支座的位移 ， 同时支座的数量和大小都明显的减小 ， 如表 3 所示 。从分析结果可以看出连桥支座的位移减小约 150%， 这样可以考虑采用摩擦系
22、数小的支座 ， 支座的半径也可以有效减小 。并且减小连桥和塔楼的相对位移 ， 从而简化连桥和塔楼21第 45 卷 第 24 期 刘志刚 ， 等 重庆来福士广场空中连桥减隔震设计图 9 桁架构件承载力利用率 图 10 双摆式摩擦支座示意及其滞回规则图 11 弹塑性模型固接和采用隔震措施连桥基底剪力图 12 弹塑性模型不同工况下支座位移图 13 弹塑性模型不同工况下连桥基底剪力电梯井的连接设计 ; 2) 可减小连桥基底剪力需求 。虽然减小的幅度不大 ， 但对结构的整体设计有利 ， 可提高结构整体安全性 ; 3) 采用摩擦摆式支座不允许支座中有拉力产生 ， 如果有拉力产生就会让支座上下部分分离 ，
23、导致支座破坏 ， 阻尼器可以提供一定的拉力 ， 防止摩擦支座上下分离 ; 4) 摩擦摆式支座具有自恢复功能 ; 5) 阻尼器的采用使支座对疲劳荷载( 温度 ) 的敏感度降低 。结构性能在不同的支座形式下的比较 表 3支座形式 橡胶支座 摩擦支座 摩擦支座 + 阻尼器支座直径需求 /m 1. 6 1. 3 0. 45支座数量 8 6 6支座位移 /m 0. 9 0. 6 0. 22连桥剪力 /MN 20 15 14加速度比 0. 92 0. 90 0. 72注 : 加速度比为连桥的加速度和塔楼顶部的加速度的比值 。由图 14 可知 ， 采用阻尼限位器结构对各个构件有以下影响 : 1) 塔楼大部分
24、连梁产生塑性铰 ， 达可运行状态限值 ， 部分连梁塑性铰发展较大 ， 尚小于生命安全状态限值 ， 破坏状态为可修复可保证生命安全 ， 没有连梁进入临近倒塌 ， 起到了很好的耗能作用 ; 2) 塔楼低区和高区框架梁大部分仍处于弹性状态未发生破坏 ， 在中区框架梁大部分产生塑性铰 ， 尚低于可运行状态限值 ， 极少数梁塑性铰转角发展超过可运行状态限值 ， 尚小于生命安全破坏状态对应的限值 ， 处于生命安全可修复状态 ; 3) 塔楼少数柱子产生较小塑性铰 ， 处于可运行状态 ， 少数柱子进入生命安全状态 ， 其余柱未产生塑性铰 ， 仍处于弹性状态 ， 说明这些柱满足 “强柱弱梁 ”的设计要求 ( 如
25、塔楼外框架柱 ) ， 或具有足够的强度而不致屈服 ; 4) 塔楼钢斜撑和连桥桁架没有出现塑性铰 ， 都处于弹性状态 。在选择摩擦摆式支座和阻尼器的组合后 ， 对阻尼器参数选择进行了优化 ， 如图 15 所示 。选择阻尼系数较高的阻尼器能有效控制支座位移 ， 并在不同速度下提供较为稳定的阻尼力 。连桥阻尼器布置如图 16 所示 。阻尼器内力和速度关系如下式所示 :F = Cv( 1)式中 : F 为阻尼力 ( 响应力 ) ; C 为阻尼系数 ; v 为阻尼器两端的相对速度 ; 为阻尼指数 。5 减隔震支座连接节点设计在 4 栋连体塔楼的顶端分别设置巨梁 ， 用于支承连桥并放置支座 。巨梁本身及其
26、支点的性能关系到连桥的使用及安全 ， 因此建立三维实体有限元模型 ， 考察在控制工况下巨梁与混凝土墙肢之间连接是否可靠 ; 混凝土应力 、应变状态 ; 钢筋是31建 筑 结 构 2015 年图 14 各构件抗震性能 图 15 阻尼器结构示意及优化图 16 连桥支座和阻尼器布置示意图否屈服 ， 如果屈服 ， 屈服区域大小 ; 钢板与混凝土能否协同工作 ， 力传递效果等 。同时根据分析结果对节点区提出相应构造加强措施 ， 如图 17 所示 。巨梁 ( 分两种 ， 一种为普通巨梁 ， 一种为缺口巨梁 ) 截面高度 5m， 跨度 8 10m， 为深梁 。巨梁一端支承在截面为 650 5 000、跨度为
27、 7. 8m 的窄深梁上 ， 根据规范抗剪截面验算 ， 窄深梁内配置钢板 ; 巨梁另一端支承在内筒 400mm 厚的剪力墙上 ， 为便于钢筋锚固及应力扩散 ， 与巨梁相交处局部墙体增厚为 800mm。按规范深梁公式 ， 验算巨梁和窄深梁抗剪 、抗弯 、裂缝 、挠度 、局压等各项指标 ， 根据结果配置钢筋 ， 建于有限元模型中 。巨梁和混凝土剪力墙均采用六面体实体单元建模 ， 利用 LS-DYNA 进行分析 。在实体单元内采用耦合的方式嵌固钢筋 ， 从而考虑钢筋与混凝土的相互作用 。模型如图 18 所示 。在准永久组合荷载作用41第 45 卷 第 24 期 刘志刚 ， 等 重庆来福士广场空中连桥
28、减隔震设计图 17 支撑连桥与支座巨梁节点示意图 图 18 混凝土与钢筋有限元模型图 19 混凝土 、钢筋及钢板的应力分布图 /MPa下 ， 一部分混凝土受拉开裂 ， 开裂后即由钢筋承担受拉荷载 ， 巨梁混凝土主要开裂裂缝宽度约 0. 3mm。在准永久组合荷载作用下 ， 巨梁的挠度值为 3mm，考虑长期刚度的影响 ， 挠度约 5mm， 挠跨比约1/2 000， 说明巨梁刚度很大 ， 可以为景观天桥提供足够强的支承 。大震不屈服工况下 ， 混凝土本身无受压破坏 。受拉钢筋应力也处于较低水平 ， 巨梁下铁最大拉应力约 200MPa， 其他区域如支承窄深梁及墙中钢筋最大应力约 240MPa， 均小于
29、 HB400 级钢筋的屈服强度 。外框端窄深梁钢板应力水平较低 ， 最大应力约100MPa， 远低于钢板的屈服应力 ， 如图 19 所示 。6 结论( 1) 连桥结构体系可靠 ， 刚度 、承载力分布均匀 ， 在考虑建筑 、机电等专业条件下 ， 结构灵活布置 ，使得连桥本身形成一个整体 。( 2) 设计考虑了小震 、中震 、大震 、风荷载 、温度等不同设计工况 ， 对不同设计工况采取了不同设计模型和假设 ， 确保在各设计工况下连桥与隔震设计满足性能化设计要求 。( 3) 减隔震技术的采用 ， 使得连桥在大震下受力更加均匀 ， 大幅减小了连桥与塔楼之间的相互作用 ， 取得了良好的经济性 。( 4)
30、 减隔震设计能实现各结构构件的性能目标 ， 简化设计过程 ， 将耗能与变形集中在隔震层 ， 起到保护剩余结构部件的作用 。( 5) 对于大震下隔震层变形的控制 ， 引入了黏滞阻尼器吸收地震能量 ， 减小连桥滑移量 。在摩擦摆式支座与黏滞阻尼器的参数选择时 ， 找到了经济平衡点 ， 共同作用一起发挥隔震层结构性能 。( 6) 对于该体型复杂的建筑设计 ， 从设计初期对连桥与塔楼连接方案做了大量的对比和分析 ， 减隔震设计不仅满足结构的经济性 ， 也为建筑效果的呈现提供了条件 。致谢 : 感谢全国抗震超限审查组专家徐培福 、王亚勇 、汪大绥等对本工程结构设计提出的宝贵意见和建议 ! 本项目设计为团
31、队集体努力的结果 ， 在此一并感谢 。参 考 文 献 1 韩小娟 ， 朱立刚 ， 涂望龙 ， 等 重庆来福士广场南塔结构设计 J 建筑结构 ， 2015， 45( 24) : 1-8 2 奥雅纳工程顾问 重庆来福士广场项目结构超限抗震审查报告 2014 3 JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程 S 北京 : 中国建筑工业出版社 ， 2011 4 GB 500112010 建筑抗震设计规范 S 北京 : 中国建筑工业出版社 ， 2010 5 LS-DYNA Version 971 Keyword users manual M California: Livermore Software Technology Corporation( LSTC) ， 200751
