防屈曲耗能支撐在世博中心工程中的應(yīng)用研究

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上海現(xiàn)代設(shè)計(jì)集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究院:周建龍副總工程師
 
周建龍：各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位同行，上午好！時(shí)間比較長(zhǎng)了，我盡可能在規(guī)定內(nèi)完成報(bào)告。

“世博中心”剛才前面幾位專家介紹了，它是5大永久場(chǎng)館的重要組成部分之一。我匯報(bào)的內(nèi)容大概有工程的情況，還有結(jié)構(gòu)選型，重點(diǎn)放在防屈曲耗能支撐方面。世博中心靠近黃浦江，世博軸的西側(cè)，它的面積大概是14萬平方米，地上是10萬，地下是4萬左右，高度30多米，有一個(gè)限高的要求，中國(guó)館，包括世博演藝中心是40米，這個(gè)是39米。

剛才看到的效果圖看起來是方方正正的，外形是比較方正的，但是里面的功能還是非常地多，我覺得是非常復(fù)雜的。這里看一下，藍(lán)顏色的底層有一個(gè)比較大的多功能展廳，頂上又是一個(gè)宴會(huì)廳，大概1000人的宴會(huì)廳，這里面是一個(gè)大空間，大空間疊在一起，東側(cè)靠近中庭，紅顏色這個(gè)是2500人的會(huì)議廳，世博中心這個(gè)項(xiàng)目本身今后可能上海市開兩會(huì)的時(shí)候就搬到那里去，現(xiàn)在基本上是老的展覽中心做。還有600人的會(huì)議廳，會(huì)議廳的話可能是今后市委的一些成員會(huì)在那里開一些政府會(huì)議。

這里外表看起來還是比較規(guī)則的，但是實(shí)際上里面都是一些大塊的會(huì)議廳。東側(cè)這一塊是一個(gè)懸挑的，所以柱子都是不能落地的，這一塊是從上面吊下來懸掛的。這是它的建筑圖，我們大概地可以看一下，底層是一個(gè)大的展廳，這個(gè)跨度不算大，大概54米左右。這一塊是今后開兩會(huì)的地方。旁邊灰色區(qū)域的話，開會(huì)的話主要是因?yàn)橛泻芏嗟臅?huì)場(chǎng)，要滿足他們一些分層討論的要求。

這是四層平面，2層、3層這個(gè)地方是圍合的，盡管這個(gè)地方很小，但是是圍合的。2層、3層這里是連起來的，又跟東側(cè)2500人會(huì)議廳是聯(lián)系起來的，很窄的一條樓板聯(lián)系，這一塊是連起來的。整個(gè)建筑非常長(zhǎng)，地下室的范圍是4百米左右的長(zhǎng)度，寬度也有1百多一點(diǎn)，一分開以后整體性比較差，一上來也考慮過連在一起，這是一個(gè)懸高結(jié)構(gòu)，所以后來還是考慮分開來。

展廳的上面是一個(gè)5000人的宴會(huì)廳。這是7層的。中庭從上到下都是沒有樓板的。這些都是一些會(huì)議廳，相對(duì)來說西側(cè)這一塊稍微低一點(diǎn)，這是一個(gè)剖面圖。這是一個(gè)展區(qū)，這是一個(gè)縱剖面，這是一個(gè)大的空間，這是一個(gè)整個(gè)大空間，上面又是一個(gè)大空間，大空間是疊在一起的。這就是東側(cè)的一個(gè)剖面，這是西側(cè)的剖面。

基礎(chǔ)?；A(chǔ)的話，因?yàn)樯虾５貐^(qū)是比較常規(guī)的，采用了后注漿，北側(cè)我們看到它堆土大概是5、6米高，我們一開始也擔(dān)心因?yàn)榇竺娣e的堆土對(duì)樁的承載力可能有影響。后來發(fā)現(xiàn)影響不是太大。

下面是結(jié)構(gòu)體系，這是大跨，后來我們還是考慮采用框架結(jié)構(gòu)+大跨鋼架，局部懸掛的作用，這個(gè)支撐是防屈曲支撐，這個(gè)目的我待會(huì)兒要說一下，因?yàn)殚_兩會(huì)的話講起來都是上海市的一些重要人物，所以我們要把一些抗震的性能提高。

這是防屈曲支撐跟我們的混凝土芯筒結(jié)構(gòu)相比這是比較常規(guī)的，我認(rèn)為這個(gè)問題大家要重視一下，現(xiàn)在設(shè)計(jì)是不錯(cuò)的，但是節(jié)點(diǎn)的話實(shí)際上施工我們?nèi)タ吹臅r(shí)候嚇一大跳，節(jié)點(diǎn)的可靠性我覺得要引起足夠的重視，我們?cè)O(shè)想很好，但是實(shí)際上到底做成什么樣的話都值得懷疑，最后的抗震性能怎么樣我覺得要引起重視。鋼結(jié)構(gòu)可能比較可靠一點(diǎn)。

有紅顏色的地方都是樓梯間，現(xiàn)在的樓板非常多，我們的想法是怎么樣的呢，你靠樓板整體受力還是有一些困難的，我們想分片各自承受相關(guān)的力量，包括中庭這個(gè)地方，我們這一塊還是要靠它自己來承受。

這里布置了一些桁架，有一些是有支撐的，有一些地方夾層正好有一些樓板，那就不用支撐了。這是5層，這個(gè)地方是開口，開口帶來的問題是扭轉(zhuǎn)非常地嚴(yán)重，這是7層平面，這個(gè)地方封閉的話是用桁架來進(jìn)行封閉的，這里還有一個(gè)是旋轉(zhuǎn)，這里有一個(gè)觀景平臺(tái)，正好面對(duì)著浦江的美景。

這一塊上面是懸吊下來的。這是屋頂，屋頂?shù)牟晒?。這是剖面，我們底下布置的位置有一個(gè)最基本的原則，它最好是不要受力，不要受力，像這些位置的話，因?yàn)槎际谴罂缍鹊?，雖然承受力比較大，但是我們基本還是考慮可以不承受豎向荷載力，因?yàn)閾p壞以后需要更換。

這是大會(huì)議廳的，2500人大會(huì)議廳的體系。這是政務(wù)廳的，可以先看一下。這是縱向的，縱向的是樓梯間。性能目標(biāo)的話我們自己提了一個(gè)性能目標(biāo)，檢查的時(shí)候他們也基本上認(rèn)同這個(gè)性能目標(biāo)。普通的框架支撐我們引用了混合支撐一樣的。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)我前面說了，因?yàn)槠矫鎴D復(fù)雜，樓面大面積開洞，樓面質(zhì)量分布不均勻，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，結(jié)構(gòu)整體性差。下面是布局方面采取的措施，3層、4層之間布置樓面桁架。還有承載力，分塊承受，進(jìn)行樓板應(yīng)力分析并對(duì)開洞部位承載力加強(qiáng)。

這個(gè)是圖式，東區(qū)樓面桁架的加強(qiáng)，這個(gè)是中庭區(qū)，這個(gè)是單層結(jié)構(gòu)的一些復(fù)合。整體計(jì)算的時(shí)候?qū)拥囊蕾囆允潜容^小的。第二個(gè)是對(duì)我們現(xiàn)在要控制的指標(biāo)，還是要關(guān)注的，要拿出來，而不是整個(gè)位移拿出來，也不是說哪一點(diǎn)是哪一點(diǎn)。這是單榀的分析，這是樓板應(yīng)力分析。樓板的聯(lián)系起著非常重要的作用，要對(duì)這些樓板進(jìn)行加強(qiáng)，怎么樣加強(qiáng)呢，下面設(shè)置了部分鋼板，樓板應(yīng)力非常大的時(shí)候還是非?？煽康?。

這是東區(qū)懸掛的，包括這里還有豎向的原則，我們按照規(guī)章的要求來做。這些重要構(gòu)件性能目標(biāo)要求更加高一些，我們都會(huì)按照設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行計(jì)算。我們這個(gè)地方因?yàn)閼覓斓?，所以這個(gè)地方的跨度也是非常大的，存在一個(gè)振動(dòng)的問題。這些是我們按照美國(guó)SCI要求來做的，根據(jù)它的要求來做的。

這是一個(gè)介紹過程，實(shí)際上大宴會(huì)廳有5000人，這也是人員密集的地方，我們按照SCI的要求去做以后是能夠滿足的。實(shí)際上建成以后人上去以后是沒有感覺的，比我們想象的要好，一定要從經(jīng)濟(jì)上，或者是從其他的方面來考慮到。而且這些對(duì)樓面振動(dòng)的改善不僅是物理，還有生理上的，心理上的，還有一些工程要求都在做了。相對(duì)來說效能還是比較高的。

這里還有柱腳節(jié)點(diǎn)，柱腳節(jié)點(diǎn)局部可能會(huì)出現(xiàn)一些拉力，當(dāng)然不是很大，不過按照構(gòu)造部分來說我們會(huì)按照抗壓能力來設(shè)計(jì)，我們會(huì)按照一些抗拉力的東西來做。

下面我重點(diǎn)講一下消能減震，這個(gè)耗能的東西實(shí)際上增加了阻力以后，這是一個(gè)復(fù)雜的東西。最早的原意應(yīng)該是防止壓桿的屈曲。這是它的特點(diǎn)，跟普通框架比較，我用普通的支撐，在同樣性能的目標(biāo)情況下我們有一個(gè)比較的前提，這個(gè)前提必須是一致的。假如說目標(biāo)都是小震的話，那體現(xiàn)不出來什么，一定要是在到了中震和大震以后才可以體現(xiàn)出來。而且你假設(shè)用普通支撐的話那普通支撐的截面、斷面會(huì)增大。像框架支撐結(jié)構(gòu)的話我們現(xiàn)在主要要尋求一個(gè)剛度和變形的協(xié)調(diào)、平衡性。

這個(gè)是國(guó)內(nèi)、外使用的情況，包括北京也用了一些，日本用得相對(duì)來說比較多一點(diǎn)，日本、臺(tái)灣用得比較多一點(diǎn)。同濟(jì)大學(xué)也致力于國(guó)產(chǎn)化，也做了一些。實(shí)際上我們?cè)谑啦┲行囊灿昧艘稽c(diǎn)。從制造方面來看冠達(dá)爾、滬寧鋼機(jī)也受到一些國(guó)外公司的委托制造。

這是一些經(jīng)濟(jì)可行性的比較。國(guó)產(chǎn)的東西比較少，進(jìn)口賣得又非常貴，可能按照國(guó)產(chǎn)價(jià)格來說是1萬塊錢一根，如果是進(jìn)口的話可能賣到4萬、5萬，是這樣的情況。

下面我講一下防屈曲耗能支撐的特點(diǎn)，還有我們?cè)O(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)該注意哪些問題，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)啊，還有一些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)啊，因?yàn)檫@些東西國(guó)內(nèi)都沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行支撐。這是比較籠統(tǒng)的要求。

它的特點(diǎn)最主要的東西可能是一個(gè)芯材，芯材的要求實(shí)際上是最嚴(yán)格的，還有各種相關(guān)性。這個(gè)跟加載的速度有關(guān)系，還有一個(gè)是位移振幅相關(guān)性，用的鋼材強(qiáng)度一般性都不會(huì)太高的，有160，有225啊。再往上高就比較少了。

環(huán)境條件相關(guān)性相對(duì)來說不敏感，基本上0到40度沒有什么問題。低于0度也基本上也沒有什么問題。時(shí)間相關(guān)性基本上是沒有的。我這是跟其他的一些相比，來比較它的特點(diǎn)。它的極限狀態(tài)分為兩個(gè)：一個(gè)是單方向位移下的變形能力，還有循環(huán)位移下的變形能力。循環(huán)位移下的變形能力，像地震你可以承受多少來回，消耗的能量，假如是小位移下主要是用于抵抗疲勞的問題，一般性是疲勞的問題。

芯材選擇的話都比我們普通的鋼材要小得多，相對(duì)來說是比較純粹的。第二個(gè)，它的強(qiáng)度是比較穩(wěn)定的，所以我們不管做的是160，還是225的東西，都是要求它的振幅20、振幅25，這是一般鋼材達(dá)不到的，但是這個(gè)的非常要求。

這是參數(shù)的確定，它分段的，邊上部位是分段計(jì)算的，軸向剛度。第二個(gè)是單向的變形能力，比如說500分之1，你這個(gè)構(gòu)造、這個(gè)芯材是不是可以滿足這么大變形的要求，這是有一個(gè)計(jì)算辦法的。

第二個(gè)是我剛才說的累計(jì)塑性變形值。這是布置原則，第一個(gè)是地震作用下的內(nèi)力較大的支撐，第二個(gè)是地震作用下的層間位移較大的樓層，提高使用效率。

第二個(gè)是按照這個(gè)原則布置的位置，這個(gè)是中向的，承載力確定的話，剛度不能太大，但是也不能太少，太少的話非常容易出現(xiàn)疲勞。前面的原則是要進(jìn)行很多次的試算。塑性的順序是不是在控制的范圍內(nèi)，跟我們的設(shè)想是否一致。這是我們的要求。

這是監(jiān)測(cè)跟一些位移的計(jì)算結(jié)構(gòu)。這是按照常規(guī)支撐來做減少了多少。

這個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接方式有一個(gè)間隙，節(jié)點(diǎn)存在的是，你設(shè)計(jì)周邊梁柱和節(jié)點(diǎn)的時(shí)候一定要考慮到芯材的應(yīng)變強(qiáng)化，應(yīng)變強(qiáng)化的幅度還是非常大的，這里算的是1.4，但是可能1.5、1.6也有，還有拉壓，拉壓還是有一點(diǎn)不一致的，拉的時(shí)候可能小一點(diǎn)。這是本身構(gòu)件設(shè)計(jì)的要求。這是梁柱設(shè)計(jì)，最好是梁柱能夠高一點(diǎn)。

這是我們最后驗(yàn)收的一些標(biāo)準(zhǔn)、要求，包括它的允許范圍，這個(gè)地方的間隙留得少的話，它壓縮的時(shí)候不夠。這是對(duì)產(chǎn)品性能的要求，這是最后做出來的，實(shí)際的產(chǎn)品做出來非常地飽滿。我們用了兩個(gè)住友金屬，這是它內(nèi)部的構(gòu)造，大家可以看一下，這次非常容幸他們都敞開來給我們看了一下。這是裝好以后的情況。

這是現(xiàn)場(chǎng)的照片，這是5000人的宴會(huì)廳。我們?yōu)榱撕?jiǎn)化，都用H型鋼，一方面是用鋼梁，還有一方面連接非常復(fù)雜。這是安裝，我們現(xiàn)在是用螺絲安裝的，這是中庭鋼的安裝。這是2600人會(huì)議室的安裝。這是前幾天拍的。

基本上結(jié)束了。好的。謝謝大家！