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上海市土木工程学会

一、整体项目概况1、地铁、高铁TOD

TODTOWN天荟是国内首次在运营中的地铁站和高铁线路上兴建的新型城市综合体项目，盖下包括正在运营的上海地铁1、5号线及城际高铁金山线、沪杭客专线路。工程占地面积约19万m2，在场地中间有多条现有的地铁和高铁线路通过。为充分利用土地价值并整合该地区复杂的交通组织，拟在场地上方加盖大平台进行二次开发，建成后将形成包含局部地下室、多层裙房及多栋公寓式办公、高层住宅、酒店、超高层办公楼等在内的大型综合交通枢纽上盖开发项目，总建筑面积约64万m2，项目总体效果图如图1所示。

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下图是目前莘庄地铁站鸟瞰图、平面图。

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2、分期开发本项目共分三期，从2010年开始方案设计以来，一期已经施工完毕、二期尚在施工，目前项目最复杂的涉及地铁、国铁区域的三期初步设计已经完成，施工图设计仍在进行中。三期包括最复杂/最挑战的地铁/国铁的上盖平台，其中三期东区是上海市首个TOD层间隔震项目（此部分将在以后分享），三期西区是闵行地铁车站上新增盖三层商业，也是本项目的重难点。

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二、三期商业西区吊挂结构设计概况

1、结构难点

加盖的大平台施工是不能对目前正在运营的地铁1、5号线以及国铁线路的运营有任何影响。其中地铁莘庄站的换乘枢纽也不能停运。这给设计和施工都带来了极大挑战，目前国内地铁上盖TOD项目都是新建的项目，极少有在原有车站进行二次开发，说它是新项目，其实局部更像一个改扩建项目：

其中换乘大厅的改扩建是本项目的重难点。建筑二层为正在使用的地铁换乘大厅，建筑设计方案是在不影响换乘厅正常使用的情况下，拆除现有顶棚，在站厅位置上部加盖三层商业楼面。由于原有结构不能承受上部的新建商场荷载，所以结构采取的是在商场顶部设置大跨钢结构桁架，采用吊柱的结构形式来吊挂下部3层结构楼面以实现建筑功能的要求。

改建后1、5号线换乘大厅剖面，将加盖三层楼面，效果图如下：

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2、结构体系简介

由于地铁的要求，吊挂结构的施工不能影响换乘大厅和地铁的运营，结构大跨度吊挂结构体系。吊挂结构体系由13榀南北向的钢桁架组成，桁架跨度为75m，钢桁架下弦为屋面层（即上翻桁架），结构模型及结构平面示意如下。

三、桁架+吊挂体系节点研究

1、传统节点做法

75m桁架主要控制工况为竖向力组合。桁架及吊挂体系存在不同节点，包括桁架支座与柱节点1、桁架与吊柱节点2、吊柱与楼面梁节点3等。、

传统做法之一整体桁架+吊挂结点可全部刚接，吊挂结构有比较明显的空腹桁架效果，吊挂梁、柱共同参与受力，其中节点处构件应力集中，节点难以设计，另外刚接节点在现场会有大量焊接工作，施工质量难以保证。

传统做法之二如节点全部按铰接计算，则各节点处杆件弯矩均得到释放，杆件应力明显减小。如采用梁端铰接实现节点弯矩释放，则结构的冗余度降低，一旦吊柱发生破坏，结构易产生连续破坏。

桁架吊挂结构体系示意

2、节点1 桁架与吊柱节点做法

3、节点2桁架与吊柱节点做法

由于吊挂的平面布置不规则，13品大桁架并不是完全平行，存在斜向布置桁架。传统的销轴节点只可以做到单向铰接。为了达到吊柱柱顶可以实现全铰接的计算假定，柱顶可以采用关节轴承，如广州塔、北京机场、迪拜机场等项目里采用，但是价格不菲（当时询价约为10万一个）。下图为广州塔的关节节点做法。

由于吊挂节点受力较大，关节（轴承）节点价格昂贵，且需额外定制。结构采用刚接节点是相对简单做法，但是按照常规结构分析来看，吊挂节点受力较大，且对焊接要求极高。这就引出后文中如何考虑施工模拟，减少吊挂节点受力及关键节点冗余度的问题。

4、节点3 吊柱与楼面梁做法

方案设计阶段，吊柱与楼面梁采用一种创新“接触式连接”：其节点做法可使楼面钢梁不与吊柱直接相连，楼面梁通过搁置在吊柱牛腿上的钢环梁联通，以传递支座处负弯矩。其中吊柱上下贯通，梁柱节点处设置环形钢牛腿，牛腿与钢环梁“接触式”连接，钢环梁与楼面梁刚性连接。另外吊柱与钢环梁之间留有足够空隙，以确保钢环梁变形后不与吊柱接触。

这种节点连接方式能够使吊柱仅受拉力，而楼面梁通过钢环梁仍能形成连续梁传递弯矩，并减小楼面钢梁跨中挠度变形。

接触式节点在后续初步设计深化阶段，通过大量的有限元模拟分析，由于荷载不均匀分布，吊柱可能存在偏心弯矩，以及与钢环梁在罕遇地震下可能发生接触等问题。

四、大桁架与吊柱节点施工模拟研究

1、常规一次性加载分析

“纸上谈兵”都很容易，常规一次性加载分析已经远远不适应本项目这么复杂结构。施工模拟分析表明若施工采用大桁架+三层楼面梁整体拼装方案，大桁架与三层楼面梁体系形成较强的空腹桁架作用，在施加楼面荷载后,楼面与桁架发生了同步整体变形，造成两端的吊柱柱顶由于转角变形最大，产生较大的附加弯矩。

2、设计—施工一体化分析

如何消除桁架变形引起的吊柱弯矩过大，我们研究了如下不同的方案

1）柱顶节点措施（释放弯矩）：

-采用销轴连接节点

-采用柱顶先铰接后刚接

通常销轴节点可以释放掉平面内的弯矩，见下图（1），但是桁架平面外弯矩仅由销轴耳板承担，耳板抗弯承载力较小，考虑到吊挂三层的商业安全重要性，结构也需要进一步提高节点的冗余度。

改进型销轴连接，见下图（2），其设计概念是：施工阶段为销轴连接，待附加恒载增加完毕后将吊柱上部和桁架下弦焊接。这种节点做法即解决了吊柱端弯矩过大，又提高了节点冗余度，同时须注意受力下焊接问题！

2）改变施工顺序措施（减少空腹桁架效应）：

-正做法

-.逆作法

-当中跨后连接

吊挂结构施工——正做法

吊挂结构施工——逆做法（1）

减少整体拼装的楼面梁，只进行大桁架+L3楼面梁拼装，既满足了L3层尽快封闭，又减少空腹桁架效应的不利影响。

吊挂结构施工——逆做法（2）

3）减小桁架变形措施：

-桁架下弦采用永久预应力措施

预应力措施

对下弦施加永久预应力措施，但桁架跨度75m，预应力施工比较困难。

4）各方案对比总结

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关键词： 空腹桁架