“多塔 悬挑 基座”形态的杭州国际博览中心二期项目结构设计

文/包联进、陈建兴、闫琪、杨康

项目位于杭州钱江世纪城奥体博览城核心区，南临G20峰会主会场——杭州国际博览中心，西望钱江，具有重要的项目区位。总建筑面积约45.3万㎡，其中地上建筑面积约26.16万㎡，包括会展中心、博物馆、酒店塔楼和办公塔楼，地下建筑面积约19.14万㎡。

项目为华东院原创方案，以满足多种类型的展览功能为纽带，融合国家峰会、博物馆、产业办公、星级酒店、商务会议、宴会、时尚餐饮、零售体验、产品发布、时尚演艺等复合业态，全力打造为杭州国博后G20时代，功能复合、形态庄重、使用灵活的会展综合体，未来将成为体现杭州山水城市风貌，奥体博览城核心区的“城市客厅”。

项目的整体呈现“多塔+悬挑+基座”的形态，体量巨大、体型复杂、设计难度高。结构形式包括大跨度桁架、长悬挑结构，以及复杂高位连体结构等，带来竖向不规则、平面不规则、复杂连接等一系列结构超限问题的同时，也给结构设计带来机遇和挑战。

在方案设计阶段，结构设计团队便与建筑师密切配合，展开一系列方案比选，确定抗震缝的位置、会展中心楼屋盖桁架形式、空中连廊刚性连接方式、长悬挑结构布置等关键问题。在扩初设计阶段，结构设计团队针对一系列技术难点进行了充分详细的论证并采取有效的抗震加强措施，同时也和建筑师探讨、沟通，共同实现最优化的目标。

目前项目正在施工中，计划将于2022年6月30完成地下室整体施工。

会展中心和计算机博物馆

超长结构 ：会展中心和博物馆为独立结构单体，平面尺寸约230m×320m，需考虑温度效应、扭转以及行波效应等问题。

大跨结构 ：会展中心屋盖和登陆大厅楼面结构跨度108m，选择合理结构形式并在分析中考虑活载不利分布、竖向地震作用以及竖向舒适度问题。

长悬挑结构 ：会展中心周边为悬挑5~12m不等的结构，登录大厅为悬挑18m的结构。采用合理的悬挑结构体系及布置，考虑竖向地震作用、竖向舒适度以及抗倾覆问题

重载楼盖 ：会展中心首层楼面设计活载为50kN/m2，二层展厅为25kN/m2，上人屋盖为景观区域，需考虑覆土，重量较重。采用合理的荷载取值和结构形式，减少对下部结构的影响。

空旷结构 ：会展中心层高较高，接近8m，而且展厅区域为跨层，层高约16m，导致结构抗扭性能较差。

结构概况示意图

T1和T2塔楼

连体结构 ：两栋塔楼结构高度分别为T1塔楼157.5m、T2塔楼98.4m，在标高90m~98.4m之间设置空中连廊连接体，为连体结构。

长悬挑结构 ：T1塔楼标高49m以下设置有3跨裙房，裙房五层~六层最大悬挑长度为22.8m，楼盖长度为66m，为长悬挑结构。T1塔楼和T2塔楼局部设置特殊悬挑楼层，角部最大出挑10.5m，为长悬挑结构。空中连廊建筑功能为泳池及相关配套，荷载较重，且连接体两端为塔楼出挑结构，最大出挑长度约13.5m，为长悬挑结构。

存在跃层柱 ：T1塔楼和T2塔楼低区均存高度较大的跃层柱，跃层高度约17m。

大跨度结构 ：空中连廊连接体净跨度约51.5m、横向跨度约21.5m，为大跨度结构。

整体需合理设置抗震缝

抗震缝的设置，应同时考虑建筑需求和抗震概念设计要求，如平面规则、对称、刚度分布均匀等。

在塔楼与会展中心之间设置抗震缝，会展中心与博物馆、登录大厅连成一体，不再设缝，以避免大范围设缝对使用功能和建筑立面的影响。设置抗震缝后，主体结构分为两个独立单体，酒店（T1）和办公（T1）连体塔楼、以及会展中心（含博物馆）。

抗震缝布置示意图

会展中心和计算机博物馆

（1）超长结构分析与设计

结合合拢温度，确定合理的温差取值，通过温度作用分析，确定楼板、梁、桁架以及框架柱内的温度效应。

楼板内采用预应力技术，对二层和三层以及上人屋面楼板内设置双向预应力筋。楼板配筋结合温度作用分析以及地震作用分析结果，对角部楼板应力较大区域的配筋进行加强。

温度作用引起的结构轴力示意图

（2）会展中心楼盖（屋盖）结构设计

楼盖为重载区，跨度较大27~36m，通过合理荷载取值，全面分析设计等，确保设计的安全性、合理性和经济性。

会展区活载取值，结合会展展位布置，对桁架和柱设计时，对活载进行适当折减。计算分析考虑活荷载不利分布，桁架构件设计中对杆端二次弯矩按钢结构标准要求进行折减，保证设计的经济性。

悬挑区结构设计，结合建筑隔墙设置悬挑桁架，充分利用结构高度，保证承载力、刚度和楼面舒适度的同时，尽量减小构件截面尺寸。

大跨桁架和悬挑桁架的承载力校核，尚应考虑竖向地震作用。

（a）活荷载满布

（b）活荷载不利分布

考虑活荷载不利分布的桁架轴力对比示意图

（3）大跨轻屋盖结构设计

北侧两个展厅大跨屋盖为轻型屋盖结构，由于建筑造型要求，桁架上弦杆之间无法设置支撑。结合建筑造型，采用鱼腹式空间桁架，上弦节间采用竖向支撑，实现桁架的平面外稳定性。屋面布置交叉支撑和檩条，增强屋盖的整体稳定性。

大跨度轻屋盖结构三维示意图

鱼腹式空间桁架三维示意图

（4）行波效应分析

会展中心平面长边方向最大柱距约320m，考虑到地震运动的空间变化，行波效应的影响不能忽略。假定地震波沿地面以一定的速度传播，只是存在时间的滞后，对结构按多点地震输入进行补充分析，复核构件承载力，并采取针对性的加强措施。

考虑行波效应的基底剪力时程曲线对比

考虑行波效应的柱底剪力时程曲线对比

（1）连体形式的选择及设计思路

两栋塔楼沿两个主轴方向都不对称，且两栋塔楼高度、刚度均存在很大差异，设计应选择合适的连体形式。综合考虑建筑使用功能、结构安全冗余度、施工和日常围护等因素，选用刚性连接形式，在连接体纵向贴边布置连接桁架。

连接双塔结构示意图

设计中采取的思路如下图所示，即在保证两栋塔楼各自成立的前提下，选取合适的连体布置形式，根据连体结构的受力特征优化调整结构布置、以满足连体结构整体指标，并对两栋塔楼做进一步复核。

结构设计思路

分析并总结连体形式的选择、设计方法和优化加强措施等。在结构整体作用层面，提出巨型框架简化概念，并采用水平变形等指标评价扭转效应；在结构受力层面，从大跨度连接体受力、施工模拟、复杂节点设计等若干连体结构设计关键点进行分析并提出对策。

（2）连体巨型框架作用分析

采用刚性连接形式的连体双塔，在连接体跨度方向，两栋塔楼与连接体形成巨型框架作用。可将连接体类比为框架梁，两栋塔楼类比为框架柱。在地震作用下，结构Y向，连接体承担约9.66%的基底倾覆力矩，表明本工程连体框架作用较弱，属于刚性连接中的“弱连接”。

考虑假想水平力的二阶P-Δ分析

《钢结构设计标准》8.3.1条指出，当采用二阶弹性分析方法计算内力，且在每层柱顶考虑规范规定的假想水平力时，框架柱的计算长度系数 μ =1.0，即可仅考虑构件的无支撑几何长度。

本工程的假想水平力，按照下式确定，式中 Q i 为第i楼层的总重力荷载设计值。

故本工程结合ETABS 中 P-Δ 的计算功能，在每层楼板的质心施加规范规定的假想水平力，利用软件计算出的二阶内力进行构件设计。在设计组合中，假想水平力采用与恒载相同的分项系数，构件校核时计算长度系数均取为1.0。

“抗拔不抗剪栓钉”应用

本工程会展登录大厅设置有三层大悬挑楼盖，结构设计采用“悬挑桁架+封边桁架”的结构形式。其中，悬挑桁架出挑约18m，封边桁架跨度约108m。

在竖向作用下，封边桁架下弦受拉，最大拉力约3000吨（1.3 D +1.5 L ）。在一次性加载工况下，由弦杆传递至楼板的拉应力最大值约8MPa（考虑楼板刚度折减系数0.3）。在桁架下弦杆一侧设置楼板后浇带，虽然可释放自重作用下的楼板拉力，但是附加恒载和活载作用组合下的楼板拉应力不容忽视（最大值约4.8 MPa）。

基于此，桁架弦杆与楼板的连接选用“抗拔不抗剪栓钉”（该构造为聂建国院士专利技术），释放楼板拉力，从而避免楼板开裂。

会展大厅效果图

下弦楼面楼板拉力分布（一次性加载）

下弦楼面楼板拉力分布（采用“抗拔不抗剪”栓钉连接）