前海法治大廈位于深圳市前海深港現代服務業合作區第09開發單元03街坊06地塊，建成后將成為前海地區標志性公共建筑。建筑型態來源于天平的概念，象征法律的公平公正，體現現代國際法治理念，表達開放、創新的前海精神。

用地面積8141m2，總建筑面積3.4萬m2。建筑地上10層，高度約54.7m，裙房3層，高度16.5m，地下2層，埋深約10m，為地下車庫。建筑效果圖見圖1。一層為法制展覽廳，二、三層為300座的通高大法庭，中間不設柱，形成34.8x21.1m大空間。四層以上為中小法庭及服務用房，東西二側端部懸挑17.4m。利用樓電梯間形成的二個落地筒體及部分落地框架柱共同支承上部6層結構，從而達到建筑效果。

圖1 建筑效果圖

工程設計使用年限50年，結構安全等級二級，抗震設防類別丙類，抗震設防烈度7度，設計地震分組第一組，場地類別C類。基本風壓0.75KN/m2(50年一遇)，地面粗糙度類別B類。

2 結構體系選型

在方案設計階段，比較了鋼桁架、混凝土框架-鋼拉桿、鋼框架-鋼拉桿方案等方案，考慮如下：

(1) 鋼拉桿材料設計強度高，承載力相同的前提下,鋼桁架所需的截面遠大于拉桿。

(2) 混凝土框架自重大，拉桿的負擔大，尤其上部混凝土結構協調變形能力差，裂縫較難控制。

(3) 鋼框架的樓蓋系統采用鋼梁組合樓蓋，能適應張拉需要，可節約施工臨時支撐。

綜合經濟性、結構安全度及建筑需求, 最終選用鋼框架-鋼拉桿-鋼筋混凝土核心筒結構體系。上部結構重力荷載由鋼拉桿和各層結構樓蓋傳遞到豎向落地構件;水平荷載通過各層樓屋蓋傳遞到落地豎向構件。鋼拉桿與筒體連接處的核心筒墻體內均埋入型鋼，前期承受鋼拉桿張拉應力，后期與混凝土形成組合結構參與工作，加強主體結構。

懸挑端D~H軸沿豎向設上中下三道鋼拉桿，分別位于4~6層、6~8層、8~10層。二個核心筒中間由于建筑二層大開間需要在E軸設置二組對稱拉桿，結構平面、剖面如圖2、3所示。結構主框梁H700x300x20x25、H600x200x10x25，次梁H600x200x10x17，鋼柱□600x600x25、□500x500x25，核心筒墻厚600mm、400 mm、300 mm。拉桿直徑220mm、150mm，屈服強度650N/mm2。

圖2 上部結構典型平面圖

圖3 結構主要剖面圖

3 設計策略

3.1 結構自平衡控制

東西二側懸挑跨度一致，通過調整建筑平面，使二個核心筒墻體基本對稱;調整結構布置，使核心筒間的梁板基本對稱。重力荷載作用下，斜拉桿受力巨大，為保證不使豎向構件墻柱產生過大側移變形，通過上部樓屋蓋水平剛度及承載力，使二端斜拉桿拉力的水平分力相互平衡，是項目得以實現的關鍵理念。

3.2 加強筒體墻，減少抗扭效應

上部結構東西方向三層以上長87m，三層以下長52.2m，南北方向寬27.8m，三層以上長寬比3.12，三層以下1.87，東西向形體上大下小，質量分布上重下輕，因此控制扭轉效應是本項目的另一關鍵點。采用雙核心筒，保證筒體的完整性，并將Y向墻體加厚至三層以下600mm，三層以上400mm，增強了結構的抗扭剛度，從而減少了水平力作用下結構的抗扭效應。

3.3 拉桿應力控制

控制拉桿初始張拉應力。通過調整上中下三組拉桿初始張拉力，保持最終狀態下三組拉桿受力均勻，保證了梁板受力均勻。通過調整不同軸線上同層拉桿初始張拉應力，使柱豎向位移基本相同，重力荷載下柱兩側梁彎曲產生的彎矩自平衡，柱端彎矩小，改善了梁柱的受力狀態。

控制拉桿應力水平,小震作用下拉桿應力比最大值小于0.7，中震作用下拉桿應力比最大值小于0.78。

3.4 結構位移控制

對拉桿施加初始張拉力, 在拉桿張緊同時, 控制第四層鋼梁懸臂端上拱變形，避免鋼梁應力過大。隨著上部結構施工, 重力荷載不斷增加使整體結構逐漸向下彎曲變形。裝修、幕墻等全部恒載施加后，控制第四層鋼梁懸臂端下撓變形<50mm。裝修、幕墻等全部恒載施加后，控制筒體的頂部水平位移<5mm。落地柱頂水平位移<10mm。

4 荷載作用

4.1 重力荷載

梁、柱和剪力墻等結構構件的自重在計算中由計算程序根據構件截面和材料容重直接計算。附加靜荷載:法庭2.5kN/m2，幕墻及遮陽1.5kN/m2。活載: 大法庭3.5kN/m2，中小法庭2.5kN/m2，走廊2.5kN/m2，公共區3.5kN/m2，屋頂花園3.0kN/m2。

4.2 地震作用

水平地震作用方向取平行(垂直)結構主要分支方向，同時考慮豎向地震作用和單向偶然偏心地震作用。豎向地震影響系數最大值取水平地震影響系數的0.65。結構位移和構件承載力計算考慮三向地震作用，三向取值為Sx ：Sy ：Sz = 1.0：0.85：0.65( 0.85：1.0：0.65)。阻尼比取0.035。

4.3 風荷載

基本風壓按深圳地區50年一遇0.75kN/m2，地面粗糙度B類，體型系數和風振系數按高規取值。

5 結構彈性計算結果

工程計算分析主要采用的軟件為：ETABS(整體結構分析)，ABAQUS(節點分析、動力彈塑性分析)，SAFE(底板分析)。以一層樓面作為結構嵌固端。計算模型采用彈性樓蓋假定，剪力墻、連梁、樓板采用殼元，梁、柱采用梁單元。考慮樓板殼元接口，梁進一步細分，二者變形協調。樓面梁板均按偏壓或偏拉構件復核配筋。計算模型見圖4，計算結果見表1, 2。

表1

表2

圖4 三維模型圖

圖5豎向地震作用下樓層Z向反力圖

豎向地震作用下基底Z向支座反力見圖5。反應譜計算最大反力8533kN,大于時程分析結果。反應譜作用下基底Z向反力為等效重力荷載(恒載+0.5*活載)作用下的2.2%，整體豎向地震作用效應較小。選取結構中的主要構件(大跨和懸挑部分的鋼拉桿)，構件編號如圖6所示。分析其在豎向地震作用下的內力,見表3。

圖6 南側內榀E軸構件編號圖

由上述內力對比結果可知，豎向地震引起的內力約為等效重力荷載作用下內力的10%，設計時不應忽略。

6 彈塑性分析

采用ABAQUS軟件，選用兩組天然波和一組人工波進行三向輸入的大震動力彈塑性分析。模型中梁、柱采用纖維梁單元，剪力墻、連梁、樓板采用四邊形或三角形縮減積分殼單元模擬;剪力墻、樓板的鋼筋通過殼單元內設置鋼筋層來模擬;剪力墻內置型鋼采用梁單元模擬，與剪力墻共節點模擬;邊緣構件、連梁縱向鋼筋采用桿單元模擬，與剪力墻、連梁共節點模擬。實際地震作用是在施工模擬的基礎上施加的，施工模擬最終狀態為1.0恒載+ 0.5活載，并以此狀態作為動力彈塑性分析的初始狀態。

分析表明：在考慮重力二階效應及大變形時，X向最大層間位移角為1/558，Y向最大層間位移角為1/364，均小于規范限值。彈塑性分析基底剪力約相當于反應譜小震的3.0～4.6倍。圖7為剪力墻受壓損傷云圖，圖中可看出大部分連梁出現明顯損傷，說明在罕遇地震作用下，連梁形成了鉸機制，符合屈服耗能的抗震工程學概念;X向剪力墻在底層與拉桿連的偶數層、頂層有一定損傷;Y向剪力墻基本完好。

圖7 X向地震作用下剪力墻受壓損傷云圖

圖8給出三條地震波作用下內力最大的鋼拉桿應力時程曲線。圖中看出，鋼拉桿最大拉應力為570Mpa，小于鋼拉桿標準屈服強度650Mpa。

圖8 X為主方向輸入時鋼拉桿應力時程曲線

7 專項分析

7.1重力作用下單榀結構分析

基于大懸挑及大跨等主要結構特點，分析結構在重力作用下的傳力機制、構件的內力及變形十分重要。以E軸結構為例，圖9為重力荷載(1.35恒載+0.98活載)作用下的結構內力與位移。

圖9重力荷載作用下構件內力、變形圖

從圖中可知，斜拉桿與核心筒相連位置根部連梁及兩個核心筒之間的框架梁內存在較大的軸拉力，最大值為5043KN;懸挑端框架梁存在較大軸壓力，壓力最大值為-2100KN，針對以上兩個主要的構件受力特點，通過在混凝土連梁內布置型鋼，驗算鋼梁承載力時梁按壓彎構件考慮等措施來確保結構滿足承載力要求，保證結構安全。

7.2樓板受力分析及配筋

鋼拉桿拉力通過樓蓋拉壓力平衡，所以與鋼拉桿連接的鋼梁及混凝土樓板存在較大軸力，設計時不能忽略。采用ETABS軟件進行樓板受力分析，樓板以殼單元模擬。圖10、11分別為重力荷載(恒載+0.5倍活載)和X向地震作用下8層樓板軸力圖。

圖10 重力荷載作用下8層樓板F11軸力圖(KN/m)

圖11 X向地震作用下8層樓板F11軸力圖(kN/m)

從圖中可知，樓板與懸臂主梁相交處X向(F11)存在最大值約為300KN/m的軸壓力。核心筒中間連梁位置軸拉力最大值約為300kN/m。X向地震作用下軸力為60kN/m。按壓彎構件進行承載力極限狀態和正常使用狀態驗算,控制裂縫寬度<0.2mm，實配板底12@100+附加12@100(As=2261mm2),板面12@150+附加12@150(As=1504mm2)。

7.3節點設計

拉桿節點的承載力和安全度決定整個結構的承載力和安全度，是整個工程的又一關鍵。拉桿節點分為拉桿上、中、下節點，應進行專門設計。F、G軸拉桿直徑220mm，連接板60mm厚Q390(GJC)，與銷釘連接處采用200mm厚以與鋼拉桿端頭匹配,考慮后期梁柱節點的加工，節點范圍內方管柱壁厚由15mm加至25mm。采用ABAQUS有限元程序中C3D8R線性減縮積分單元對各類拉桿節點進行了實體模型彈性、彈塑性計算分析。

圖12 節點詳圖

由圖12所示計算結果可知，節點區受力復雜，陰角區有明顯的應力集中。下節點與中節點由于鋼拉桿內力較大，耳板與銷軸連接處邊緣應力水平較高，接近Q390局部承壓強度。

7.4舒適度分析

ATC(Applied Technology Council)給出了不同環境、不同振動頻率下豎向峰值加速度限值。本項目平時人員行走、起立及單人跳躍豎向振動舒適度評價標準采用ATC辦公樓標準，偏保守取豎向峰值加速度限值0.16m/s2。采用MADIS/GEN軟件對結構進行模態分析，求得其豎向頻率。考慮通高隔墻作用，結構阻尼比取0.05。計算結果表明，結構的第4~7階振型均為豎向振動。圖13為第4階振型圖，振動頻率為2.42HZ，圖中顯示主要振動部位位于懸挑端部。

圖13 第4階振型圖

對8、9層懸臂區域施加單人跳躍、行走激勵時程。行走激勵時程采用調整過的IBASE連續步行荷載模型，假定10人同層同步行走，頻率2.42Hz，人體重0.75KN。人跳躍荷載采用BRE半正弦荷載模型。圖14為單人跳躍加速度響應，圖15加速度響應頻譜。計算表明：最大激勵效應發生在結構豎向主頻率區，加速度峰值0.15m/s2，對應頻率為2.34HZ，舒適度滿足要求。

圖14加速度響應時程

圖15加速度響應頻譜

7.5施工順序選擇及模擬

懸挑跨度大、層數多，如果整個施工過程使用臨時支撐承受上部結構的施工荷載，則所需臨時支撐用量大、軸力大、時間長，施工風險增大，并引起造價增加。

經過不同施工順序方案對比，采用核心筒首先施工二層，其次施工鋼框架及安裝鋼拉桿，后施工樓板，利用鋼框架及鋼拉桿拉力支承施工過程中的梁板自重，是合理的方案。第5層至屋頂層施工過程中自重及施工荷載由鋼框架及鋼拉桿承擔，充分發揮鋼框架及鋼拉桿作用。施工過程中的關鍵在于鋼拉桿預緊力的施加，預緊力對結構變形及內力分配起到了決定性的作用。預緊力的大小應根據施工模擬的計算結果，圖16為張拉施工詳圖。在整個施工過程中，需要監測鋼拉桿的應力、各層結構控制點的豎向變形，根據監測結果，可以調整鋼拉桿施工時的預緊力。

圖16 張拉施工詳圖

施工模擬計算步驟如下：

1)添加1~3層筒體、框架及樓板，此時結構自重生成。

2)添加臨時支撐，采用縫單元模擬支撐。

3)添加第4層筒體、框架及樓板;

4)添加5~6層筒體及框架;

5)添加第一道下層鋼拉桿，鋼拉桿施加預緊力(D、H軸施加600kN，E、G軸施加1000kN)，使懸挑端豎向變形向上約10mm;

6)拆取臨時支撐;

7)添加7~8層筒體及框架;

8)添加第二道中層鋼拉桿，鋼拉桿施加預緊力(D、H軸施加300kN，E、G軸施加500kN);

9)添加9~10層筒體及框架;

10)添加上層鋼拉桿，鋼拉桿施加預緊力(D、H軸施加300kN，E、G軸施加500kN);

11)添加屋頂層筒體及框架;

12)逐層添加5~屋頂層樓板;

13)添加建筑做法、幕墻等附加恒載;

14)添加使用活荷載。圖17為施工模擬下E軸鋼拉桿的軸力圖，圖18為E軸四層懸挑端端點及中點位移圖，圖19為E軸四層懸挑部位框架梁支座彎矩圖。

圖17鋼拉桿軸力圖(單位：kN)

圖18懸挑端端點及中點位移圖(單位：mm)

圖19框架梁支座彎矩圖(單位：kN·m)

前海法治大廈采用了帶斜拉桿的框架筒體結構體系，利用拉桿與上部鋼結構樓蓋屋蓋水平剛度和承載力將上部4~10層框架結構重力荷載傳遞至落地筒體、框架柱，新穎獨特，有如下結論:

(1) 結構體系的特殊性決定了主體結構自平衡的施工順序。它不僅能夠保證結構安全, 而且能夠節約造價和縮短工期。

(2) 特殊的建筑體型對抗震不利，通過調整結構布置、增強核心筒完整性等措施較好地減少了扭轉效應。

(3) 斜拉桿拉力大，樓蓋內存在較大的拉壓力，設計不能忽略。

(4) 成品鋼拉桿強度高、承載力大，節點設計應重點分析，以確保結構安全與使用。