某大體量超限高層商業(yè)綜合體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

謝士華

(上海天華建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海 200235)

1 工程概況

本商業(yè)綜合體位于上海市閔行區(qū)城市主干道漕寶路和七莘路交叉口，東臨民主路，西近青年路?？偨ㄖ娣e237140 m2，其中地上127436 m2，地下109703 m2。建筑結(jié)構(gòu)地上5層全部為商業(yè)空間，包括百貨、超市、出租店鋪、KTV、游樂(lè)城、影院、餐飲等多種業(yè)態(tài)。地下3層，地下一層以商業(yè)空間為主，且在北側(cè)、西側(cè)與地鐵相連。地下二、三層為地下停車場(chǎng)，且地下三層局部設(shè)人防防護(hù)單元，地下三層每層均設(shè)一定面積的設(shè)備用房。地上部分主要屋面高度為27.215 m，局部電影院屋面高度為32.615 m(面積達(dá)4000 m2)，結(jié)構(gòu)平面尺寸為208.8 m×201.6 m，綜合考慮本建筑物屬于大體量高層建筑結(jié)構(gòu)。

本工程地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅳ類，特征周期0.9 s。商業(yè)建筑面積大于17000 m2，根據(jù)抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)［2］應(yīng)按照重點(diǎn)設(shè)防類進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)布置與主要構(gòu)件尺寸

1)結(jié)構(gòu)布置。針對(duì)建筑平立面及主要使用功能的要求，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系(局部屋面采用鋼結(jié)構(gòu))。由于地下室采用逆作法一柱一樁的施工工藝，考慮到臨時(shí)立柱的偏位問(wèn)題以及盡量減小基坑開(kāi)挖深度，地下二層、地下一層樓面采用無(wú)梁樓蓋，一層樓面開(kāi)洞面積較少，適合作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，采用梁板結(jié)構(gòu)。地面以上各層均采用梁板結(jié)構(gòu)。對(duì)于中庭區(qū)域大懸挑和影院局部大跨度屋面采用后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，對(duì)于西北側(cè)入口和西側(cè)、北側(cè)立面處造型需要采用鋼結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)建筑大空間的要求。混凝土主屋面以上構(gòu)架采用鋼構(gòu)架以滿足建筑第五立面的要求。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)平面尺寸近200 m×200 m，考慮到為大型商業(yè)公共建筑，業(yè)主對(duì)防水要求高，且因建筑立面和內(nèi)部使用功能的要求，結(jié)構(gòu)不適宜設(shè)置永久結(jié)構(gòu)伸縮縫;另外因內(nèi)部有較大中廳和較多開(kāi)洞，結(jié)構(gòu)平面又接近正方形，結(jié)構(gòu)若設(shè)逢，將被分成零散的幾塊并導(dǎo)致每塊的結(jié)構(gòu)整體性減弱，故最終采用了不設(shè)縫方案。

2)主要構(gòu)件尺寸。逆作法鋼立柱截面為φ550，壁厚16 mm，主要柱子截面在地下室為850×850的型鋼混凝土，地上部分轉(zhuǎn)換為850×850的鋼筋混凝土柱。局部大跨度處為滿足多方向搭梁的要求，采用了φ1600的鋼筋混凝土圓柱?？蚣芰航孛娉叽缰饕獮?00×750～800×1600之間，局部較大懸挑處采用了后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁，次梁截面為200×400～250×700之間。地下一、二層無(wú)梁樓蓋板厚300 mm，局部350 mm?？紤]到結(jié)構(gòu)平面超長(zhǎng)超寬，一層樓板取200 mm，其余層取150 mm，中間大開(kāi)洞處及內(nèi)延一跨板加厚為250 mm，屋面局部采用200 mm。室外地下室頂板，根據(jù)防水規(guī)范要求頂板設(shè)計(jì)為250 mm厚。

3 超限情況及主要抗震措施

3.1 超限情況

根據(jù)全國(guó)及上海市超限審查要點(diǎn)［3，4］，本工程存在超限情況主要包括:1)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，考慮偶然偏心的位移比二層以上大于1.2;2)二層及以上樓面平面不規(guī)則，樓板不連續(xù)，有效寬度小于典型樓板寬度的50%，具體如圖1所示;3)存在穿層柱的不規(guī)則，即西北角、東南角入口位置存在局部穿層柱的情況。

3.2 主要抗震措施

1)針對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的抗震措施。a.由于建筑功能要求，平面開(kāi)洞面積較大，局部穿層較多，調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置，盡量使得各層剛心和質(zhì)心重合或靠近。典型樓層X(jué)方向偏心距為2.3 m，偏心率為0.012;Y方向偏心距為0.33 m，偏心率為0.002(接近重合)。盡管結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向絕對(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但考慮偶然偏心時(shí)仍然可將結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)控制在合理范圍內(nèi)。b.在不影響建筑功能的前提下盡可能的加大邊梁。控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)起到了很好的效果，最終將整體結(jié)構(gòu)的第二振型控制在平動(dòng)范圍內(nèi)(扭轉(zhuǎn)分量0.25以下)。

圖1 二層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2)針對(duì)平面不規(guī)則的抗震措施。a.加大洞口附近樓板厚到250 mm，并雙層雙向配筋。b.對(duì)于每層樓板開(kāi)大洞位置采用符合實(shí)際的彈性樓板假定進(jìn)行計(jì)算、配筋。計(jì)算結(jié)果表明，該處樓板在中震作用下主應(yīng)力仍小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即該處樓板滿足中震彈性，具有較大安全儲(chǔ)備。c.按照框架抗震等級(jí)的規(guī)定嚴(yán)格控制柱的軸壓比(尤其是薄弱部位的柱)，適當(dāng)增加柱中的配筋率，使其在地震中有比較好的延性。對(duì)部分軸壓比較大的柱采用井字復(fù)合箍，且箍筋間距不大于100 mm，肢距不大于200 mm，直徑不小于12 mm。必要時(shí)柱截面中部可設(shè)置芯柱。d.對(duì)中間鋼連橋進(jìn)行專項(xiàng)應(yīng)力分析，鋼結(jié)構(gòu)主梁小震時(shí)應(yīng)力比控制在0.85以內(nèi)，并考慮連接部位破壞后，結(jié)構(gòu)分為獨(dú)立兩塊后的抗連續(xù)倒塌的分析。

3)針對(duì)穿層柱的抗震措施。對(duì)于西北角、東南角入口局部樓板缺失后形成的穿層柱，設(shè)計(jì)中考慮其上下各一層構(gòu)造措施予以加強(qiáng)，從嚴(yán)控制其軸壓比，適當(dāng)提高體積配箍率以增強(qiáng)其抗扭能力，同時(shí)要求其受力縱筋全部采用機(jī)械連接。計(jì)算中復(fù)核其承擔(dān)的剪力，保證框架柱作為重要防線的作用。

4 小震彈性計(jì)算與彈性時(shí)程分析

4.1 小震彈性主要計(jì)算結(jié)果

采用了三個(gè)不同力學(xué)模型進(jìn)行分析，即SATWE，PMSAP以及MIDAS Buildings進(jìn)行計(jì)算，采用符合規(guī)范要求的局部彈性樓板的總剛分析方法，計(jì)算振型取18個(gè)，周期折減系數(shù)0.7。三種軟件計(jì)算周期詳見(jiàn)表1。三者計(jì)算的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)、周期基本一致，初步判斷模型的分析結(jié)果準(zhǔn)確可信。扭轉(zhuǎn)振型與第一平動(dòng)振型的周期比均滿足規(guī)范限值0.9的要求。三種軟件計(jì)算的最大位移角、位移比分別為 1/576，1.31，滿足規(guī)范 1/550，1.40 的限值要求，質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，最小剪重比6.13%，均滿足規(guī)范要求。樓層抗剪承載力、抗側(cè)移剛度沿樓層比較均勻分布，沒(méi)有突變。

4.2 小震彈性時(shí)程分析

采用SATWE進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析，地震波選用了一條人工波RH3TG090和兩條天然地震波(TH1TG090和TH4TG090)，暫不考慮豎向地震。峰值加速度均為35 gal，地震波持時(shí)超過(guò)15 s，時(shí)間步取0.02 s。計(jì)算結(jié)果選用時(shí)程法平均值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值。時(shí)程分析基底剪力和層間位移如表2所示。每條波在兩個(gè)方向的基底剪力、層間位移角均小于反應(yīng)譜分析的結(jié)果，但均不小于其CQC方法的65%，三條波平均值不小于CQC方法的80%，說(shuō)明地震波的選取合適，滿足規(guī)范要求。時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果基本吻合。時(shí)程分析的位移比結(jié)果也均小于1.4，滿足規(guī)范要求。

表1 小震下前三周期及扭轉(zhuǎn)與平動(dòng)周期比

表2 彈性時(shí)程分析基底剪力和層間位移

5 小震、中震下樓板、梁應(yīng)力分析

針對(duì)平面中明顯存在樓板弱連接區(qū)域(每層中庭連橋處)的問(wèn)題。通過(guò)ETABS和PMSAP兩種軟件對(duì)這一區(qū)域在小震、中震作用下樓板、梁進(jìn)行了應(yīng)力驗(yàn)算分析?？紤]到盡量減輕結(jié)構(gòu)自重、方便施工、減小樓面超長(zhǎng)不利影響等因素，弱連接處采用鋼梁+鋼筋混凝土樓板的形式(壓型鋼板僅作模板)，連橋鋼梁與洞邊懸挑混凝土梁采用鉸接連接。一般樓板厚150 mm，連橋兩側(cè)連廊部位(向內(nèi)延伸一跨)加厚到250 mm。

5.1 小震樓板、梁應(yīng)力分析

由小震下樓板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，一般區(qū)域樓板主拉應(yīng)力均小于0.2 MPa，僅靠近中庭連橋區(qū)域稍大，最大主拉應(yīng)力在0.6 MPa左右，仍小于混凝土抗拉承載力設(shè)計(jì)值，即樓板鋼筋滿足抗彎要求即可，不需要配置額外鋼筋。一般區(qū)域混凝土梁的最大拉力約47 kN，連橋鋼梁則約300 kN。對(duì)混凝土梁，按典型截面400×800考慮，47 kN拉力需額外配筋率為:ρEW=47×1000/400/800/fy=0.0367%，考慮到腰筋(按每側(cè)0.1%)在抗拉中起到的作用，基本可以忽略一般區(qū)域在小震工況下的梁內(nèi)拉力的影響，且上述計(jì)算未考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)0.85。對(duì)鋼梁，按性能設(shè)計(jì)由中震控制，典型截面為H900×300×18×34，小震時(shí)拉應(yīng)力估算為8.48 N/mm2，遠(yuǎn)小于鋼材強(qiáng)度。

5.2 中震樓板、梁應(yīng)力分析

中震作用下，一般區(qū)域樓板的主拉應(yīng)力均在1.4 MPa以內(nèi)，仍然小于樓板C35混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。連橋樓板在中震下應(yīng)力也均小于2.0 MPa。表3選取3處典型連橋在中震下樓板、鋼梁應(yīng)力的最大值以及樓板額外附加縱筋配筋率。

根據(jù)表3可知，樓板在增配了適量加強(qiáng)縱向鋼筋的前提下，可以保證連橋樓板在中震下的彈性。連橋鋼梁在中震下軸向力較之小震下有大幅提高，因鋼梁采用 Q345B的鋼材，中震下產(chǎn)生的連廊軸向拉應(yīng)力仍不大。為保證連橋中震下彈性，設(shè)計(jì)中組合了鋼梁在中震下受彎、受拉的應(yīng)力，且應(yīng)力比控制在0.85以下，同時(shí)加強(qiáng)鋼梁連接節(jié)點(diǎn)。

6 大震下靜力彈塑性分析

運(yùn)用SATWE對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下靜力彈塑性分析(PUSHOVER)，以找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位及最大變形。計(jì)算表明，X向和Y向加載的結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展規(guī)律基本相同。小震下整體結(jié)構(gòu)保持彈性，隨著推覆力的增加，塑性鉸率先在二層混凝土梁中出現(xiàn)，中震時(shí)，已有較多的混凝土梁端出現(xiàn)了塑性，柱塑性鉸出現(xiàn)在底層混凝土柱中，而此時(shí)鋼結(jié)構(gòu)仍保持在彈性狀態(tài)。隨著推覆力進(jìn)一步加大，塑性變形在框架中逐步開(kāi)展，同時(shí)向局部鋼結(jié)構(gòu)部分?jǐn)U展。罕遇地震性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻，混凝土梁沿加載方向大多出現(xiàn)塑性鉸，底層及二層混凝土框架柱中又出現(xiàn)部分塑性鉸，但數(shù)目很少，樓層彈塑性層間位移角為1/107，小于規(guī)范對(duì)框架1/50的要求，X向和Y向的頂部推覆極限位移基本相同，此時(shí)結(jié)構(gòu)仍具有一定的抗側(cè)承載力，整體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生倒塌。

表3 連橋樓板、鋼梁應(yīng)力以及樓板額外附加縱筋配筋率

設(shè)計(jì)中對(duì)于關(guān)鍵構(gòu)件采取大震不屈服設(shè)計(jì)，如中庭連橋附近φ1600大圓柱，因其需支承截面為800×1200的大懸挑梁，設(shè)計(jì)中保證其在罕遇地震性能點(diǎn)時(shí)柱根部不出現(xiàn)塑性鉸。

7 抗連續(xù)倒塌分析

考慮最不利情況下，若中庭連橋先于主體結(jié)構(gòu)破壞，兩邊區(qū)域形成相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體，為防止結(jié)構(gòu)因中間連橋破壞而形成“連續(xù)倒塌”，使兩獨(dú)立區(qū)均滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，對(duì)斷開(kāi)后形成的西北區(qū)和東南區(qū)分別進(jìn)行罕遇地震下靜力彈塑性分析，其性能點(diǎn)最大彈塑性位移及加載步如表4所示。由表4分析結(jié)果可以看到，即使在中庭連橋斷裂的極端情況下，被分割成為單獨(dú)兩塊的結(jié)構(gòu)體，在靜力彈塑性分析結(jié)果下，性能點(diǎn)的最大層間位移角仍然可以滿足規(guī)范1/50的要求，且柱底未出現(xiàn)大面積塑性鉸，可實(shí)現(xiàn)該種極端情況下“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

表4 兩獨(dú)立區(qū)最大彈塑性位移及相應(yīng)加載步

圖2 無(wú)梁樓蓋處節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

8 配合逆作法施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

因采用逆作法的施工工藝，地下室框架柱均采用了內(nèi)包鋼立柱的型鋼混凝土柱，地面以上轉(zhuǎn)換為鋼筋混凝土柱或鋼柱。地下室柱與無(wú)梁樓蓋連接采用鋼管壁焊接抗剪鋼牛腿+鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的單階柱帽形式，具體如圖2所示。鋼牛腿上兩排設(shè)置φ16@200的抗剪栓釘。樓板形式均為普通鋼筋混凝土樓板。另因施工場(chǎng)地緊鄰地鐵線，基坑圍護(hù)采用了兩墻合一的地下連續(xù)墻，內(nèi)設(shè)置400厚鋼筋混凝土內(nèi)襯墻。連續(xù)墻內(nèi)于框架主梁、次梁擱置處預(yù)留接駁鋼筋，通過(guò)接駁器與后澆梁鋼筋連接，具體如圖3所示。

圖3 地下連續(xù)墻內(nèi)主（次）梁構(gòu)造詳圖

9 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)調(diào)整質(zhì)心、剛心的重合度以及適當(dāng)加大周邊框架梁、柱截面對(duì)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)是有效的。2)采用三種不同程序?qū)Σ灰?guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震彈性及彈性時(shí)程分析，三種軟件分析結(jié)果相互比較吻合，且和時(shí)程分析結(jié)果基本一致，滿足規(guī)范要求。3)為滿足建筑功能及使用效果，在超長(zhǎng)超寬且存在弱連接的平面中采取不設(shè)結(jié)構(gòu)縫方案，對(duì)弱連接部位采用鋼梁+混凝土樓板的連接形式，并適當(dāng)加厚該部分樓板厚度，能滿足樓板中震彈性要求。采取加強(qiáng)鋼梁連接節(jié)點(diǎn)，對(duì)鋼梁進(jìn)行中震彈性設(shè)計(jì)等措施，能很好地實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震關(guān)鍵構(gòu)件不壞，次要構(gòu)件可修”的抗震設(shè)計(jì)思想。4)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震靜力彈塑性分析及關(guān)鍵構(gòu)件破壞后的抗連續(xù)倒塌分析來(lái)看，結(jié)構(gòu)能達(dá)到大震不倒的要求，通過(guò)加強(qiáng)大圓柱等關(guān)鍵構(gòu)件避免其在罕遇地震性能點(diǎn)屈服等措施，體現(xiàn)針對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行性能設(shè)計(jì)的原則。5)對(duì)穿層柱，通過(guò)嚴(yán)格控制軸壓比、提高體積配箍率以及接長(zhǎng)鋼筋均采用機(jī)械連接等措施能有效提高此處柱的抗震性能。6)為配合逆作法施工工藝，本文提出的相關(guān)連接構(gòu)造措施適用可靠，可供設(shè)計(jì)人員參考。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50023-2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］建設(shè)部建質(zhì)［2010］109號(hào)，超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)［S］.

［4］滬建建［2003］702號(hào)，上海市超限高層建筑抗震設(shè)防管理實(shí)施細(xì)則［S］.