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赫明月阮林旺 丁祝红
（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）
西交利物浦大学太仓校区教学区项目（图1）位于江苏省太仓市科教创新区，基地东西两侧为城市次干道，南邻江南路，北接禅寺路。建筑平面整体以大圆环串联7栋U形学院建筑，圆环直径达322 m，周长约1000 m。总建筑面积约25.5万m2，其中地下面积约4.8万m2，地上面积约20.7万m2。
图1 教学区建筑效果图Fig.1 Architectural rendering
教学区建筑地下1层，被校园内的Y形河流分为3个独立的地下室。由于建筑形体及其构件布置的不规则程度较高，且建筑平面尺寸较大，为此，本项目综合考虑建筑效果与结构平面形态的合理性，设7道抗震缝（兼温度伸缩缝），将上部建筑分为9个独立的结构单元（图2），包含3个双U形建筑（分别为AB区、DE区、FG区），1个单U形建筑（C区），3个跨河道连接体（分别为AG、BC、EF连接体），及2个环内点状建筑（分别为H区、J区）。
图2 结构分缝示意Fig.2 Diagram of structural joints
教学区建筑室内外高差0.15 m，各U形建筑地上5层，1层层高5.76 m，2～3层层高4.6 m，4～5层层高4.2 m，结构高度23.51 m；
AG、BC、EF跨河道连接体地上3层，1层架空，1层层高5.76 m，2层层高4.6 m，3层层高5 m，结构高度15.51 m；
圆环中央的2个点状建筑，北侧较大的H区地上3层，各层层高均为4.5 m，结构高度13.65 m；
南侧较小的J楼地上1层，结构高度4.65 m；
圆环上方设置有通长屋顶装饰构架，构架顶标高30.66 m。
主体结构设计使用年限50年，结构安全等级为二级，建筑抗震设防分类为标准设防类（丙类）。
自然条件：①50年一遇基本雪压0.40 kN/m2；
②50年一遇基本风压0.50 kN/m2，场地粗糙度类别B类；
③抗震设防烈度7度（0.1g），设计地震分组第一组，建筑场地类别Ⅳ类，特征周期Tg=0.65 s；
④基本气温最低-4℃，最高36℃。
本项目地上由抗震缝划分为3种类型的建筑，分别为U形建筑、跨河道建筑、点状建筑。其中圆环内2个点状建筑层数不多、柱网间距不大，采用常规的钢筋混凝土框架结构体系；
7个U形建筑及3个跨河道建筑由于特殊的建筑造型及效果要求，设计前期对其结构体系进行了比选。
2.1 U形建筑结构
本项目建筑方案采用多个U形建筑，存在建筑平面凹凸不规则程度较高的问题，使得结构扭转效应严重，包括结构扭转周期靠前、扭转位移比超出规范要求等。因此设计时针对结构扭转不规则共提出3种解决方案：方案1，调整柱网尺度及梁柱截面尺寸；
方案2，增设剪力墙；
方案3，增设钢支撑。
方案1通过修改柱网尺度及调整结构端部梁柱截面尺寸，进而调整结构整体的刚度分布，此种方法对结构的抗扭刚度影响有限，会造成加强部位梁和柱的尺度超常，对空间影响极大。在控制尺度下，结构周期比与位移比极易超限，指标难以寻找到平衡点。
方案2在U形建筑的端部增设剪力墙，形成少墙框架结构［1］。此方案可以有效增加结构抗扭转刚度与抗侧刚度，可以控制周期比与位移比指标。缺点在于剪力墙会对该位置挑出空间使用造成较大的影响；
且剪力墙对刚度贡献较大，地震力集中，超筋问题难以解决。
方案3在U形建筑的端部增加钢支撑，形成（少）钢支撑-混凝土框架结构［2］。此方案可以有效增强结构的抗扭转能力，控制层间位移。支撑布置形式多样且较为灵活，对空间的影响较小，也可以隐藏在楼梯间等现有隔墙内，且钢支撑不存在剪力墙较难解决的超筋问题。
本项目最终与建筑专业协商确定，U形建筑采用增设钢支撑的方案，结构体系采用（少）钢支撑-混凝土框架结构，结构设计时进行有支撑与无支撑两种计算模型的包络设计，确保结构抗震性能的优越性。
2.2 跨河道建筑结构
本项目大圆环下方有Y形河流穿过，在3条河流上方形成了3个特殊的跨越河道的建筑，其中西侧EF连接体跨度最大达92 m，跨跃河道处跨度约38 m（图3），现以该处为例进行方案比选。
图3 EF连接体1层示意图Fig.3 First storey plan of EF zone
结构设计时结合建筑要求，比选了4种可能的结构方案：方案A，密柱方案；
方案B，顶层大梁吊挂方案；
方案C，跨层桁架方案；
方案D，顶部斜拉方案。4种方案结构计算模型如图4所示。
图4 跨河道建筑结构方案Fig.4 Structure scheme of crossing-river building
方案A为常规结构方案，一层柱距约18 m，柱直径900～700 mm，上部楼层柱距约8.4 m。二层转换梁截面700 mm×1400 mm，上部楼层梁400 mm×800 mm。此方案在河道内设置有结构柱，对建筑效果有一定影响。
方案B在河道两边设置直径1500 mm的V形圆柱，上部楼层柱距约8.4 m，屋顶采用转换大梁吊挂下部结构，转换梁截面为900 mm×2300 mm，吊柱为直径800 mm的圆柱。此方案结构抗横向倾覆能力不足，吊柱在配置型钢的情况下配筋率仍非常大，同时吊挂大梁过大，影响跨河道教学区的建筑功能。
方案C在1层设置4排共12根柱，上部楼层柱距约8.4 m，在2层利用楼层高度设置转换桁架。柱直径1200～800 mm，作为桁架弦杆的楼面梁800 mm×1000 mm，桁架斜腹杆截面600 m×600 m，上部楼层梁400 mm×800 mm。此方案受力清晰，传力合理，不影响相邻区域结构布置，结构构件尺寸较小，基本能满足建筑底层大空间的效果要求，并取得较好的经济性。
方案D设置4排共12根落地柱（边柱两排共8根，河道边两排共4根），利用河道边4根落地柱升至屋顶，通过斜拉索吊挂下部结构。
在与建筑专业及建设单位多次沟通后，本项目跨河连接体采用方案D，在保证结构受力合理的前提下，能达到最好的建筑效果。
3.1 地震作用下楼板应力分析
本项目建筑平面呈U形，凹凸不规则程度较高，且存在多处楼板不连续等情况，需进行地震作用下的楼板应力分析。
楼板作为主要水平抗侧力构件，与竖向抗侧力构件一起形成一个完整的抗侧力体系，在地震过程中将水平力传递和分配给竖向抗侧力构件，协调同一楼层中竖向构件的变形。在水平地震工况作用下，楼板设计性能目标如下：
（1）小震下楼板混凝土不开裂，即：小震作用下，按使用极限状态进行抗裂设计，设计目标为楼板混凝土主拉应力标准值不大于楼板混凝土轴心抗拉强度标准值。
（2）中震下楼板钢筋不屈服，即：中震和竖向荷载作用下，按承载力极限状态进行强度设计，设计目标为受拉区钢筋主拉应力设计值不大于钢筋抗拉强度标准值。
分析表明，加厚大开洞周边楼板、加大薄弱部位及其上下层楼板厚度，对于较大的洞口均采用梁封边，控制框架柱截面从上到下截面不变且适当加大框架梁截面等加强措施，能有效增强结构整体性，控制地震作用下楼板应力处于较低水平。
本项目对薄弱部位楼板厚度加厚至150～200 mm，同时对应力集中区域附加配筋双层双向C8@150～C10@100，可满足楼板“小震混凝土不裂、中震钢筋不屈服”的性能目标。图5为地震作用下典型楼板应力计算结果。
图5 地震作用下典型楼板应力计算结果Fig.5 Results of typical floor stress under earthquake load
3.2 温度荷载下楼板应力分析
本项目圆环建筑总周长约1000 m，分缝后结构单元长度最大约200 m，仍远超《混凝土结构设计规范》［3］中55 m的限值，属超长结构，温度荷载下的楼板应力问题不可忽视。
假定结构后浇带封闭时的温度取+10℃～+20℃，本项目所在地环境温度最高36℃，最低-4℃，可知使用环境最大升温为26℃，最大降温为-24℃。计算混凝土收缩量时，根据王铁梦所著《工程结构裂缝控制》［4］，温度变化值需考虑混凝土等效收缩降温的影响，本项目等效收缩降温为-9.6℃，故计算升温为16.4℃，计算降温为-33.6℃。由于降温温差大，且降温时楼板产生拉应力，故以下对降温工况进行分析。
根据各楼温度应力计算结果可知，在降温工况作用下，地上大部分楼板应力处于2 MPa以内，仅有局部区域应力较大。因此本项目按双层双向配置楼板钢筋，对应力较大的局部区域附加双层双向C8@150钢筋可抵消温度应力的不利作用。图6为降温荷载工况下典型楼板应力云图。
图6 降温工况典型楼板应力计算结果Fig.6 Results of typical floor stress under temperature load
3.3 跨河道顶部斜拉结构设计
Y形河流上方三处跨河道建筑采用顶部斜拉的结构方案，这是一种较新颖的建筑结构形式，借鉴了斜拉桥结构体系的概念，利用本项目建筑造型中4根屋顶构架立柱作为塔柱，由塔柱向下布置高强度热镀锌钢丝束，拉索下节点布置在对应下部楼层的钢立柱处，以吊挂住下部三层结构。采用此体系结构传力途径明晰、受力高效合理，满足建筑美观要求、并契合该项目设置屋顶构架的造型特点。
4根河道边的落地中柱采用截面为1400 mm×40 mm的CFT圆柱，8根落地边柱采用截面为800 mm×30 mm的CFT方柱，2层及以上非落地柱采用800 mm×30 mm的钢管柱，各层楼面主梁采用截面为1000 mm×300 mm×20 mm×36 mm的箱型钢梁，钢次梁截面为600 mm×200 mm×12 mm×18 mm～400 mm×200 mm×8 mm×14 mm，钢材强度等级Q390B，拉索采用ϕ7 mm×（109～223）（双索）高强度热镀锌钢丝束，公称抗拉强度不小于1570 MPa。
结构设计时，借鉴了斜拉桥及相关大跨结构的设计与施工经验［5-7］，同时采用SAP2000软件对本项目独有的特点进行分析［8］，包括施工阶段的详细分析、拉索初始张拉力的优化，针对弧形平面设置面内支撑、考虑楼板刚度退化、考虑斜拉索应力松弛，并进行防连续倒塌分析、考虑活荷载不均匀分布、进行楼盖振动舒适度分析，确保了整体结构的安全、合理、高效。
3.4 圆环屋顶构架结构设计
本项目圆环上方设置有通长屋顶装饰构架，构架根据下方结构标高不同，从3层屋面或5层屋面起始，构架顶标高30.66 m。建筑效果要求3层屋面上方近15 m高构架立柱截面需尽可能小，设计时根据结构布置特点，加强5层屋面上方短小立柱，将3层屋面上方立柱设计为两端铰接的摇摆柱（图7），大大减小了此立柱的内力，柱截面可由长细比控制减小为350 mm直径圆柱，成就建筑纤细之美。
图7 屋顶构架摇摆柱示意Fig.7 Swing column of roof frame
（1）U形建筑扭转效应严重时，可采用增设少量钢支撑的方式调整结构刚度，结构设计时对有支撑和无支撑两种模型进行包络设计。
（2）大跨建筑可合理利用建筑造型立柱，借鉴斜拉桥的设计思路，采用顶部斜拉结构，设计时应进行针对性分析，确保结构受力安全、合理、高效。
（3）建筑平面不规则（如凹凸不规则、楼板不连续等）时，需进行楼板应力分析，对薄弱部位楼板进行针对性加强，确保楼板抗震性能目标满足规范要求。
（4）超长结构需进行温度应力分析，考虑混凝土等效收缩降温的影响，降温工况为控制工况，结构设计时需根据计算结果对温度应力较大处配置附加钢筋以抵抗温度应力的不利作用。
（5）合理设置摇摆柱能有效减小钢结构立柱的截面尺寸，取得更好的建筑效果。
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