南昌赣江国际会议中心结构设计

黄斐骏

华东建筑设计研究院有限公司 , 上海 200011

[ 摘要] 南昌赣江国际会议中心结构造型为底部是少墙框架体系顶部覆盖一个装饰型结构钢屋盖，整体呈椭圆球形。屋面由为装饰性空间钢结构形式幕墙，由于建筑功能需求在二、四、五及屋面层内庭设置大板洞，不但使得竖向质量分布不均匀，还使得楼盖的转动惯量大，导致结构的扭转振型成为第一周期。本文介绍了国际会议中心的结构体系、结构布置、结构分析以及主要的构造加强措施，利用楼梯间设置3个落地的混凝土筒体作为承重和抗侧力结构，利用支承楼盖大跨度钢梁，在确保结构安全的前提下， 最大限度地满足了建筑使用功能的要求。分析了扭转周期为第一自振周期的原因、局部转换及穿层柱和楼板的分析、拱支座节点的应力分析。 详细的计算分析结果表明， 虽然扭转周期为第一周期，但结构的扭转反应并不严重，对结构的抗震性能影响不大，结构具有良好的抗震性能，可达到预定的抗震性能目标。

[关键词]少墙框架；扭转振型；结构体系；抗震性能；

Structural design of Nanchang Ganjiang International Conference Center

Huang Feijun

（East China Architectural Design & Research Institute Co., LTD，Shanghai 200011 China）

Ganjiang International Conference Center in Nanchang has a lesss-wall frame system at the bottom and a decorative structural steel roof at the top, which is elliptic and spherical in shape. The roof is composed of decorative space steel structure curtain wall. Due to the architectural functional requirements, large plate holes are set in the second, fourth, fifth and roof layer inner courtyard, which not only makes the vertical mass distribution uneven, but also makes the rotational inertia of the floor large, leading to the torsional vibration mode of the structure becoming the first cycle. introduces The structure system ,structure layout and the main structural reinforcing measures of the International Conference Center are introduced in this paper; Three floor concrete cylinders are set as bearing structure to resist lateral force around stairs, and using the bearing plates, large-span steel beam, under the premise of ensuring the safety of structure, the maximum to meet the requirements of the building use function. The reason why the torsional period is the first natural vibration period, the local transformation, the analysis of the column and the floor, and the stress analysis of the arch support joints are analyzed. The detailed calculation results show that although the torsional period is the first period, the torsional response of the structure is not serious and has little influence on the seismic performance of the structure. The structure has good seismic performance and can achieve the predetermined seismic performance target.

Keywords: less-wall frame; torsional mode ; structural system ;seismic performance

1.工程概况

赣江国际会议中心项目位于江西省南昌市赣江新区，基地东邻金水大道，西面有金山大道，南面为湖滨南路，北至儒乐湖公园，东西北面被绿化和水景环绕。项目为酒店/会议综合体，单层地下 1 层, 结构主屋顶高度约 21.15m(从室外地面-0.15m 算起，±0相当于绝对标高24.99m)，地上 6 层，地下室层高6m，底部两层层高为 5.1m，三层至六层层高为 3.6m；水平投影呈椭圆形，外轮廓长轴约 88.0m，短轴约 70.6m, 整体为内部功能性建筑及外围装饰性幕墙构成，其效果图见图 1 ，外围为装饰性空间结构形式幕墙：幕墙材料为 PTFE 膜，幕墙膜结构材料半覆盖于幕墙空间钢结构上，建筑最高点高度约为 33.46m。地下 1 层总建筑面积约为 9469m²，总建筑面积约 29729m²。

图 1 国际会议中心效果图

2.结构体系

2.1下部混凝土结构布置

本项目采用内部少墙框架 +外围装饰性幕墙空间钢结构体系。利用落地的楼电梯间设置3个5m×8m左右的钢筋混凝土筒体作为抗侧力结构。地下一层，层高约 6m，上部内部主体范围为相应地下室结构同上部结构，纯地下区域采用钢筋混凝土框架结构。

图2 结构模型示意 图3 建筑剖面示意

三个落地筒体除承担竖向荷载外, 还承担水平地震作用。建筑大空间宴会厅功能二层及四层设置大板洞, 为此设置了8根通高1000 ×1200的矩形型钢柱, 为楼盖大跨度型钢钢梁提供竖向支承, 满足了室内没有柱子的大空间建筑使用功能要求。1、 内部主体结构体系：钢筋混凝土混凝土结构具有刚度大，耐火性能好，初始造价和后期维护的费用都较低的特点。内部主体抗侧力结构体系采用钢筋混凝土少墙框架结构。

剪力墙布置在局部楼梯间、电梯间，用于平衡由于楼板开洞引起的刚度不均衡，三层、主屋面宴会厅跨度 25.2m，采用钢骨混凝土柱和钢骨混凝土梁。其余内部主结构采用钢筋混凝土框架结构。

楼面采用现浇钢筋混凝土楼盖，首层室内楼板 180mm，室外楼板根据覆土厚度不同以及消防车道分布， 厚度分为 350mm/400mm 两种；顶层楼板厚 150mm；其它层楼板厚为 140mm，标准层楼面梁高 700mm。

2.2 外围幕墙空间钢结构

外围造型用装饰性幕墙空间钢结构及其支撑结构：采用单层空间网格结构，由八个落地拱及位于屋顶的钢结构树状柱及 V 形柱支撑，外围空间钢结构与内部主结构通过八个落地拱的混凝土柱墩及位于屋顶的钢结构树状柱、V 形支撑的连接采用铰接连接，没有弯矩传递到内部主体结构，幕墙空间钢结构属于附属结构，非主体抗侧力结构部分。主入口 54m 主拱，在三层 10.2 标高的位置上，两个入口各采用两个构造性两端铰接的拉压杆减少主拱平面外计算长度

图4 支撑结构连接/支座三维力学简图

单层网格结构分隔采用 2.5mx2.5m 四边形标准化杆件设计。八个箱型截面拱按跨度和高度可分为三种，跨度分别约为 24m、32m 及 54m；拱高度从拱柱墩算起分别约为 4m、4m 及 8m，矢高比比分别约为 1/6，1/8 及 1/6.8，钢拱与拱墩采用铰接支座，钢筋混凝土拱墩直径1200mm，落至地下室，从首层地面起高度约 2.4~2.7m。

屋顶钢结构树状柱、V 形柱间距在 8.4~7m。

图5 最外侧拱矢高比示意

2.3基础布置

基础采用抗压兼抗拔桩+承台+地下室底板，地下室底板埋深约 5.5m~7.3m，筏板厚500mm，桩径800mm,桩长约为16m，以层3-2中风化泥质砂岩桩端持力层,结合试桩报告结果取抗压桩单桩承载力特征值4150KN，抗拔桩单桩承载力特征值850KN。，并对2层和5层大开洞相对应地下室区域加厚底板至600mm厚。

图6 基础需考虑局部抗浮区域示意图

根据地勘报告，抗浮设防水位按绝对标高 23.200（黄海高程）（相对标高-1.790）。地勘报告揭示的地下水的最低水位为绝对标高 16.230m（黄海）（相对标高-8.760），位于地下室底板以下，故基础承压设计不考虑地下水的有利作用。

3．抗震性能分析与设计超限判定

工程位于6度抗震设防区, 抗震设防类别为乙类, 设计地震分组为第一组, Ⅳ类场地。 设计基准期为 50 年, 结构设计耐久性年限为 50 年， 安全等级为一级。

剪力墙

图7 二层结构布置图 图8 三层结构布置图

酒店大堂上客房两根柱转换，局部不规则；第二、四、五层楼板开洞面积大于 30%，且有效楼板宽度小于 50%；第二层有高差1.5m 的错层；在酒店入口、宴会厅入口(一层到三层间)、四到屋顶层北侧宴会厅侧存在穿层柱；在酒店入口、宴会厅入口、三到屋顶层宴会厅侧存在穿层柱；三、四、五层 X 方向的偏心率分别为0.18、0.22和0.26，大于0.15。

本项目存在扭转不规则，偏心布置，楼板不连续，构件间断（局部），局部不规则（穿层柱和楼板累计计为 1 项），累计三项一般不规则超限项，为超限多层。Y向最大扭转位移比发生在二层，为 1.30（对应的最大层间位移角为 1/3565）；X向最大扭转位移比 1.27，发生在二层，（对应的最大层间位移角为 1/5036）。

根据 GB50011-2010 第3.4.4条及其条文说明，当最大层间位移远小于规范限值时1/800，可适当放宽，参照JGJ3-2010 位移比放宽至 1.6。

本项目关键构件范围：底部加强区框架柱和剪力墙、穿层柱、大跨度框架、框支框架、树状钢柱节点、拱墩及拱支座。根据专家意见将穿层柱、混凝土拱墩抗震性能目标调整至中震满足正截面承载力弹性、斜截面抗剪弹性，同时设计调整框支柱为中震弹性（同时框支柱穿层柱）。

4 整体计算结果

会议中心地下1层，以地下室底板作为上部结构的计算嵌固端。计算结果表明,结构的抗剪承载力由剪力墙提供,和框架柱共同提供，沿竖向连续，没有突变；结构刚重比为50，满足不小于1.4的要求；加强部位剪力墙的最大轴压比为0.2，满足不宜超过0.6的要求。最不利地震作用方向为98°，其计算结果与X，Y，45°方向的计算结果接近。

由表1可知主体结构最大位移角为 1/2901，满足规范 1/800 的要求， 扭转位移比：最大扭转位移比为 1.30，满足规范要求，软件计算的质量参与系数满足规范要求。设计时每一层框架承担的剪力均满足 0.20Q0 与 1.5Vfmax 的较小值，根据计算结果，框架剪力不需要进行调整；底层框架承担的倾覆弯矩均大于50%小于 80%，参照《高层建筑混凝土结构技术规程》8.1.3 条并依据《建筑抗震设计规范》6.1.3第1条及其说明，本项目内部主体结构体系定义为钢筋混凝土少墙框架结构，采用少墙框架结构和框架结构包络设计。框架部分的抗震等级及轴压比按框架结构进行控制，设计满足。主体结构楼层侧向刚度比，以及楼层承载力比值均满足规范限值，无薄弱层及软弱层。

表 1 结构整体主要计算结果

注:风荷载作用引起的结构基底剪力约为地震作用引起的 15%,抗规最小剪重比要求0.8%。

4.1 第一振型扭转分析

从表1中可以看出结构第一振型为扭转振型，首先外围装饰性幕墙空间钢结构导致上部质量集中，其与主体结构均为铰接连接，可认为是附属结构，分析时将其从整体模型删除，将其反力以荷载形式施加在主体混凝土结构进行单独的分析，得出第一周期仍为扭转，继而确定并非是外围的幕墙钢结构导致第一周期为扭转

由于建筑造型和功能要求限制了竖向构件的布置,抗侧力构件的调整只能在3个筒体内进行。如果要满足规程规定的周期比T_t/ T₁≤0.9的要求,在Tt不变的情况下,可增大平动周期T₁，即削弱结构的水平刚度，且只能削弱一个方向的水平刚度，于是再将位于楼梯间的三处剪力墙筒删除进行纯框架分析，得出第一周期仍为扭转，但位移角最大值相比设置剪力墙时大增至X，Y向为1/1800和1/2000,相应增加61%和66%。

最后考虑建筑功能对其他位置设置剪力墙的限制，为保证结构有足够的侧向刚度，且X 向 1/2901，Y 向 1/3326最大层间位移角远比规范要求的1/800小均出现在三层 1/3326，3.6m 层高层间最大位移约 1.09mm，5.1 层高最大层间位移约 1.76mm，是规范要求的 24-28%；对外围的幕墙钢结构支撑效果更强，采用了三个剪力墙筒，而不是仅仅为了满足第一振型为平动而继续削弱侧向刚度。

在6度大震的作用下，结构模型的最大层间位移角仍远小于极弹塑性位移角。可见，对工程来说，虽然扭转周期是第一周期，但结构的扭转反应并不严重，对结构的抗震性能影响不大。

4.2 弹性时程分析

根据GB50011-2010 第 5.1.2 条及其条文说明，每条地震波输入的计算结果不应小于反应谱法的 65%，且不大于 135%的要求，弹性时程的计算结果在结构主方向的平均底部剪力一般不应小于振型分解反应谱法计算结果的 80%，不大于 120%。

5条天然波波名为：N0401、N0380、N0383、N0396、N0368。2 条人工波波名为：RG18、RG21。

地震波加速度时程记录见图 9～图 15。

图 9 天然波 N0380 加速度时程记录

图 10 天然波 N0398 加速度时程记录

图 11 天然波 N0401 加速度时程记录

图 12 天然波 N0411 加速度时程记录

图 13 天然波 N0418 加速度时程记录

图 14 人工波 RG20 加速度时程记录

图 15 人工波 RG21 加速度时程记录

图 16 地震波平均影响系数曲线与设计采用的地震影响系数曲线比较

弹性时程下得到的各条地震波的基地剪力见表 2，弹性时程下各条地震波基地剪力平均值分别为 86%（X 方向），88%（Y 方向），满足规范要求

表 2 弹性时程分析与设计反应谱法基底剪力的比较

4.3 构件验算及专项分析

4.3.1酒店入口框支框架大跨度框架梁

图17 三层框支框架 图18 一层~屋面层穿层柱

图19 三层大跨框架梁 图20 屋面大跨框架梁

酒店入口结构框支柱（兼穿层柱 ）截面尺寸为 900x1000mm、内侧结构框支柱为1100mm 直径圆柱，经计算得到柱在各荷载组合下的内力，其中小震作用组合考虑 JGJ3-2010 第 10.2.4 条关于转换结构在地震作用下的放大系数，大震按小震7倍结果估算，内力计算时考虑竖向地震效应。

结构三层楼面及屋面存跨度 25.2 m 的大跨度梁，大跨位置如图 19-20 所示，采用型钢混凝土梁，三层梁截面尺寸1000x1400mm，屋面层梁截面尺寸1000x1700mm。

根据性能化设计要求计算大跨梁在大震下抗弯、抗剪不屈服对应内力组合，并且考虑竖向地震效应。

大跨度梁按各工况包络设计，其中大震设计采用材料标准值进行设计，并忽略地震抗力调整系数。经计算，梁端配筋率0.30%，跨中配筋率0.68%，钢骨为 H1200x500x35x35，即可满足性能目标要求。

由 于屋面梁尺寸为 1000x1700mm，根据 JGJ138-2016 第 6.6.7 条，型钢混凝土框架梁柱的受弯承载力宜符合公式：

因此型钢混凝土柱不宜小于 1000x1050，设计时柱截面采用 1000x1200mm 截面尺寸，配置 H800x500x30x30 的型钢，分别进行恒活+风载组合、小震组合下的弹性验算，中震抗剪弹性、抗弯不屈服组合、大震抗弯抗剪不屈服组合验算。

4.3.2楼板应力分析

由于二～屋面层楼屋面板因建筑功能要求存在不同程度的结构楼板开洞情况，需进行温度与地震下楼板应力分析保证正常使用的需求以及地震作用下楼面水平力的传递。其中小震组合包括与温度作用的包络，中震为弹性组合，大震为不屈服对应的荷载组合。楼板应力结果忽略楼板与墙、梁重叠区域的部分应力集中情况，认为此区域内水平力主要通过墙与梁进行传递。

小震及温度作用下 2F～3F 开洞区域角部及楼板宽度较小区域存在最大主拉应力 3.6MPa 超过混凝土开裂强度设计值的情况，该应力情况主要由温度应力引起。在此区域需要增加配筋来满足温度及小震作用下的楼板弹性的设计要求。可按公式：𝜎 = f𝑦As/𝛾_𝑅𝐸ℎ_𝑆。计算可得楼板需要配筋面积为 1020 mm²/m, 需要在此区域上下两层配置 D10@150，即可满足小震及温度作用下弹性的设计要求。其余区域可以按同样的方式通过配筋满足小震弹性的设计要求。

中震作用下大部分区域的最大主拉应力小于混凝土开裂强度设计值，但在开洞及楼板宽度过小的位置拉应力较大，最大值为3F的2.6MPa，可以按公式：𝜎 = f𝑦As/𝛾_𝑅𝐸ℎ_𝑆。计算可得楼板需要的配筋面积为737 mm²/m，在此区域楼板上下两层配置配筋率为 D10@150 的板钢筋即可满足楼板在中震作用下保持弹性。其余区域可以按同样的方式通过配筋满足中震弹性的设计要求。

4.3.3空间钢结构支撑结构关键节点有限元分析

空间钢结构材料均为钢材，拱支座均为Q390B 钢，计算模型中本构定义理想弹塑性模型，屈服强度 390MPa（抗拉、抗压设计强度295MPa），树状柱节点构件均为Q355B 钢，屈服强度 355MPa（强度设计值295MPa）, 弹性模量均为2.06e5MPa。

计算分析模型中均采用有限应变壳单元（SHELL181）划分网格。各工况下，杆件轴向力起控制作用，选取杆件最不利工况下的内力，施加各杆件端部，采用等效分布荷载施加于杆件端部有限元节点上，对下部施加约束。计算时采用 1.2 倍的力和弯矩值。

图21拱支座柱节点应力云图 图22 拱支座节点等效塑性应变云图

从应力云图中可以看出，拱结构节点交汇处，有明显应力集中，但是最大应力（248MPa）均小于材料抗拉、抗压设计强度 295MPa，节点安全可靠。且塑性应变值最大值0.234e-03。

图23 树状柱节点应力云图 图24 树状柱节点等效塑性应变云图

从应力云图中可以看出，树状柱结构节点交汇处，有明显应力集中，但是最大应力（290MPa）均小于材料抗拉、抗压设计强度 295MPa，节点安全可靠。且塑性应变值最大值0.0187。

节点有限元分析力的来源是杆件力，本项目空间钢结构是弹性组合工况下控制。故可以推断大震下节点分析满足大震不屈服。

5. 设计加强措施

为使结构整体抗震性能达到设计目标，对各个不同的构件和节点采取针对性措施。

针对扭转不规则：体系上，平面布置时利用局部楼梯间电梯间增设剪力墙，增大结构的侧向刚度，同时使刚度基本均匀对称，尽量减少质心与刚心之间的偏心，以减弱结构的扭转效应，控制结构扭转变形。

针对楼板局部不连续：对第二、四、五层开洞面积大于 30%以及存在高差的楼板，按照楼板平面内实际刚度计入模型，并补充楼板应力分析，根据分析结果加大楼板应力集中部位的楼板配筋。

针对穿层柱：本项目穿层柱在计算设计中计算软件可以正常识别计算长度，按提高一级抗震措施处理，即按三级抗震措施。满足中震正截面承载力和斜截面抗剪弹性。

针对竖向抗侧力构件不连续（框支框架）：对三层楼面处的两处柱转换，转换梁与框支柱构件抗震等级提高一级，即按三级抗震，同时补充专项分析，并根据分析结果对转换结构进行加强处理。转换梁满足中震正截面承载力不屈服，斜截面抗剪弹性；框支柱（同时为穿层柱）满足中震正截面承载力弹性，斜截面抗剪弹性。

针对大跨框架结构：宴会厅大跨结构采用钢骨混凝土构件，对大跨框架结构提高了抗震等级、即按三级抗震等级。满足中震正截面承载力不屈服，斜截面抗剪弹性；满足大震正截面承载力不屈服，斜截面抗剪不屈服。

针对混凝土拱墩及拱支座：对混凝土拱墩按提高抗震措施处理，即按三级抗震措施。中震满足正截面承载力弹性，斜截面抗剪弹性；大震满足正截面承载力不屈服，斜截面抗剪不屈服。八个落地拱节点设计，通过增加加劲肋和局部增加壁厚的方式加强节点，并通过有限元节点补充分析，满足中震不屈和大震不屈。

针对树状钢柱节点：对于外围装饰性幕墙空间钢结构的树状柱树枝与树杆的连接节点，通过在树干内部局部增加加劲肋的方式加强节点，并通过有限元节点补充分析，满足中震不屈和大震不屈。

6. 结论

主结构和外围装饰性幕墙空间钢结构在弹性组合工况下的满足规范要求，结构有很好的冗余度。对构件进行了性能目标的验算，包括剪力墙验算、框架柱验算、框架梁验算、外围空间钢结构构件验算、转换构件、楼板应力分析外围空间钢结构节点有限元分析，穿层柱和混 凝土拱墩的验算，构件都满足规定的抗震性能目标要求，节点皆安全可靠。内部主体结构所有普通竖向构件与水平结构构件，以及底部加强区竖向构件，转换结构，大跨结构等关键结构构件都满足规定的抗震性能目标要求。

高层规范里扭转不为第一振型的意图是避免过弱的扭转刚度和过大的扭转位移 。与此同时，通过对周期比大小的控制，控制平扭耦联的程度，避免在水平位移中有过大的扭转成分。

主体结构属于楼板开洞较多，矮胖多层建筑（高宽比 21/88=1/4.2），扭转为第一振型，是此类建筑的基本自由振动特性，与工程经验是一致的（如上海世博会中国馆国家馆）。本项目前三阶振型清晰，平动周期里扭转成分几近为零，无耦联现象，且当主体结构侧向刚度足够大时，即使第一周期为扭转，对结构整体的抗震性能的影响比较小，且可通过抗震超限项和结构的关键位置，采取了相应的加强措施来保证其抗震性能。

参考文献

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[2] 钢结构设计规范（GB50011－2017）［S］．北京：中国建筑工业出版社，2017．

[3] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010．

[4] 方小丹，韦宏等.上海世博会中国馆国家馆结构设计与研究[J]. 建筑结构，2009.

[5] 蒋欢军，王斌，吕西林等. 上海世博会中国馆抗震分析与振动台模型试验研究[J] 土木建筑与环境工程，2011.

姓名：黄斐骏（1990.10--）；性别：男；籍贯：江西省抚州人；民族：汉族；学历：硕士，毕业于同济大学；现有职称：中级工程师；研究方向：结构设计；

单位及邮编：华东建筑设计研究院有限公司；（单位信息是刊登书上得，必填）

单位所在地：上海市黄浦区

邮寄地址及邮编：上海市黄浦区中山南路1799号世博滨江大厦北座17楼，黄斐骏收 200011，电话：15902158633 （收实物书籍必填）

作者简介：黄斐骏（1990-）男 硕士 一级注册结构工程师 中级工程师 Email：hfj26183@ecadi.com