天虹廣場購物中心抗震超限及超長結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃玉屏

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031)

天虹廣場購物中心抗震超限及超長結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃玉屏

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031)

天虹廣場購物中心地下有3層，地上有5～7層，建筑高度28～39 m，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜高層建筑。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中同時遇到扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、結(jié)構(gòu)超長等問題，帶來了抗震超限和超長結(jié)構(gòu)設(shè)計的重大難題。通過結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計有效加強結(jié)構(gòu)的薄弱點，驗算溫度的作用來采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，使上述問題得到了有效的解決。

樓板開大洞；樓板局部不連續(xù)；抗震超限；抗震性能化設(shè)計；超長結(jié)構(gòu)設(shè)計

九州天虹廣場購物中心位于南昌市撫生南路與九洲大街交叉口，是集休閑娛樂、購物等于一體的商業(yè)綜合體。該建筑地下共3層，建筑面積約1.2×105m2。地下1層層高6.0 m，為6 000㎡超市和7 379 m2零售商業(yè)及車庫；地下2層、3層層高分別為3.8 m、3.9 m，為設(shè)備用房和地下車庫，部分地下室戰(zhàn)時為人防工事工程。地上大部有5～7層，局部8層，1層層高為6 m，2～7層層高為5.5 m，建筑形狀呈L形，平面尺寸208.2×51.6～152 m2，屋面高度28～39 m，局部44.3 m，建筑面積約1.5×105m2。目前該項目正在施工建設(shè)中，建筑效果詳見圖1。

場地抗震設(shè)防烈度6度(0.05 g)，設(shè)計地震分組為第一組,建筑的場地類別為Ⅱ類，設(shè)計特征周期0.35 s。多遇小震的地震動參數(shù)[1]詳見表1，中震和大震則采用規(guī)范反應(yīng)譜。

圖1 購物中心效果示意

表1 場地地表水平向設(shè)計地震動反應(yīng)譜特征參數(shù)值

建筑兩翼邊長為208.2 m和152 m，屬超長結(jié)構(gòu)。此外，建筑中部設(shè)置了9個通至屋頂?shù)闹型?，中庭開大洞導(dǎo)致該部分樓板有效寬度減少，樓板不連續(xù)。因此，建筑平面凹凸變化、樓板局部的不連續(xù)、結(jié)構(gòu)超長等是結(jié)構(gòu)設(shè)計所要研究的主要問題。

1 結(jié)構(gòu)體系確定

因購物中心使用功能多變，要求空間跨度大且能靈活分隔，適宜的結(jié)構(gòu)體系主要有框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。長矩形平面或平面有一部分較長的建筑中，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻間距需滿足文獻[2]表8.1.8中4.0 B和50 m的要求[2]，剪力墻的布置會影響購物中心的靈活使用。經(jīng)計算分析及綜合比選本工程采用了框架結(jié)構(gòu)體系，能夠提供較大的跨度，并便于空間靈活布置。

2 結(jié)構(gòu)方案的抗震超限及超長判定

2.1 防震縫設(shè)置

因建筑平面不規(guī)則、結(jié)構(gòu)超長、開大洞，防震縫的設(shè)置數(shù)量及位置既要考慮結(jié)構(gòu)受力合理，又要兼顧建筑功能需要；既要合理劃分建筑平面形狀，又要均衡分布豎向交通。結(jié)合抗震規(guī)則性和建筑的功能，設(shè)置了4道防震縫兼做伸縮縫，將購物中心分為一、二、三、四4個獨立的結(jié)構(gòu)單元，其中一條防震縫將購物中心和辦公塔樓（27層）脫開。有代表性的第3層平面詳見圖2。

圖2 購物中心第3層平面

2.2 結(jié)構(gòu)抗震等級

根據(jù)文獻[3]第6.0.5條，購物中心各結(jié)構(gòu)單元為重點設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強其抗震措施,同時應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用[3]。根據(jù)文獻[2]第3.9.1、3.9.3條，框架結(jié)構(gòu)抗震等級為二級。

2.3 各結(jié)構(gòu)單元平面、豎向不規(guī)則判定

經(jīng)PKPM-SATWE計算，各結(jié)構(gòu)單元平面、豎向不規(guī)則判定詳見表2。由表2可知，結(jié)構(gòu)單元一、二、四有兩項不規(guī)則，不屬于抗震超限結(jié)構(gòu)，抗震措施為采用雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進行計算，并在計算上嚴格控制其樓層豎向構(gòu)件最大彈性水平位移和層間位移。結(jié)構(gòu)單元三同時有三項不規(guī)則，屬于抗震超限結(jié)構(gòu)，需進行抗震超限設(shè)計。

2.4 結(jié)構(gòu)單元超長判定

購物中心設(shè)置防震縫兼做伸縮縫后，4個結(jié)構(gòu)單元中的最大平面尺寸：結(jié)構(gòu)單元二95.15×82.76 m2，結(jié)構(gòu)單元三97.65×82.65 m2，均超過文獻[4]伸縮縫間距55 m的限值[4]，屬超長結(jié)構(gòu)，需考慮溫差效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的不利影響。

表2 平面、豎向不規(guī)則性判定

3 結(jié)構(gòu)方案的抗震超限及超長設(shè)計

根據(jù)上述的綜合判定，結(jié)構(gòu)單元三屬抗震超限結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元二、三屬超長結(jié)構(gòu)。

3.1 結(jié)構(gòu)單元三抗震性能設(shè)計

3.1.1 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計目標

綜合考慮結(jié)構(gòu)單元三超限條件、抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、建造費用、震后損失和修復(fù)難易程度等各項因素，結(jié)構(gòu)單元三抗震性能目標采用C級，其結(jié)構(gòu)抗震性能水準按文獻[2]要求，分別為多遇地震性能水準1（滿足彈性設(shè)計的要求）、設(shè)防烈度地震性能水準3（結(jié)構(gòu)輕微損壞）、罕遇地震性能水準4（結(jié)構(gòu)中度損壞），結(jié)構(gòu)以此進行抗震性能設(shè)計。

3.1.2 設(shè)防烈度地震計算分析

采用SATWE進行中震彈性和不屈服計算，利用屈服判別法進行設(shè)防烈度地震（中震）作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服驗算。計算分析結(jié)果詳見表3。

表3 中震不屈服和中震彈性計算分析結(jié)果

結(jié)果分析表明，在設(shè)防烈度地震作用下，關(guān)鍵部位構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件（框架柱）的正截面承載力、受剪承載力均滿足中震彈性的要求；水平長懸臂結(jié)構(gòu)（懸臂梁及其相連的框架柱）、大跨度結(jié)構(gòu)（框架梁及其相連的框架柱）的正截面承載力、受剪承載力均滿足中震彈性的要求；耗能構(gòu)件局部框架梁正截面承載力滿足中震不屈服的要求，受剪承載力滿足中震彈性的要求。結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震（中震）作用下能達到預(yù)期的性能目標。表3中，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為X向1/675，Y向1/586，層間位移變形值均小于2倍彈性位移限值，說明結(jié)構(gòu)可以滿足“中震可修”的設(shè)防目標。

3.1.3 罕遇地震下靜力彈塑性分析

采用PKPM(Pushover)計算,通過靜力彈塑性分析方法驗算罕遇地震（大震）作用下的彈塑性層間位移角等指標，對結(jié)構(gòu)的損傷程度進行分析，提出結(jié)構(gòu)抗震加強措施。計算結(jié)果見表4。

表4 罕遇地震靜力彈塑性分析數(shù)據(jù)匯總

從表4可以看出，罕遇地震下在X、Y兩個方向上結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角包絡(luò)值分別為 1/404、1/356，均小于1/100，滿足規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)薄弱層彈塑性層間位移角限值規(guī)定。推覆過程中，首先是較低樓層處框架梁開裂，接著框架梁出現(xiàn)塑性鉸。隨著較低樓層處梁塑性鉸的發(fā)展，較高樓層梁逐漸開裂，接著出現(xiàn)塑性鉸，性能點時，僅局部柱進入屈服?？傮w來看，結(jié)構(gòu)沒有明顯的薄弱層，結(jié)構(gòu)的出鉸位置、出鉸順序合理。結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標。

3.2 建筑物平面不規(guī)則樓板開大洞設(shè)計

3.2.1 樓板應(yīng)力分析

以有代表性的結(jié)構(gòu)單元三為例，在下列三種工況下，對其地面以上所有樓層進行了樓板應(yīng)力計算分析，水平地震作用由多遇地震下振型分解反應(yīng)譜計算得到地震力。

工況一：正常使用狀態(tài)下多遇地震作用工況組合，即1.0恒荷載+0.5活荷載+1.0水平地震作用；工況二：正常使用狀態(tài)下非地震作用工況組合，即1.0恒荷載+0.7活荷載+1.0風荷載；工況三：按中震不屈服驗算下荷載工況組合，即1.0恒荷載+0.5活荷載+ 3.0水平地震作用。

各層X向、Y向地震作用下正應(yīng)力分布計算結(jié)果詳見表5，得知：

表5 各樓層超越混凝土軸心抗拉強度標準值比例

1）樓板開洞處、樓板在與梁、柱相交的地方板面拉應(yīng)力較大，部分超過了混凝土抗拉強度，樓板開裂卸載后，板面受力由板面鋼筋承擔，其余部分樓板均不會出現(xiàn)開裂。

2）各種工況下所出現(xiàn)的局部拉壓應(yīng)力，主要是在重力作用下的彎曲應(yīng)力造成的，樓板的平均拉應(yīng)力水平仍較低。

3.2.2 設(shè)計處理措施

設(shè)計處理措施如下：1）據(jù)工況三計算結(jié)果，為保證樓板鋼筋中震下不屈服，在樓板局部應(yīng)力較大的區(qū)域，設(shè)置雙層雙向板鋼筋滿足3倍的混凝土抗拉強度值。2）加厚洞口附近樓板，采用雙層雙向配筋，提高樓板的配筋率。3）洞口邊緣設(shè)置邊梁，洞口角部集中配置斜向鋼筋。

3.3 結(jié)構(gòu)單元二、三超長設(shè)計

結(jié)構(gòu)單元二、三平面超長，需考慮溫差效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的不利影響。

3.3.1 溫差分析

根據(jù)施工、使用階段的不同情況，采用四種工況對結(jié)構(gòu)溫差收縮效應(yīng)進行分析:工況一、二分別為施工階段出現(xiàn)的不同負和正溫差的情況;工況三、四分別為使用階段出現(xiàn)的不同負和正溫差的情況。

本工程溫差分析主要考慮后澆帶封閉主體合攏后的情況，整個區(qū)域作為一個整體進行剩余的收縮變形和抵抗溫差作用。因此，將后澆帶澆筑時的溫度作為構(gòu)件溫差的基準溫度。為降低最大負溫差，根據(jù)南昌市氣象資料（年平均氣溫17.5℃）確定后澆帶施工時間，將后澆帶合攏溫度定為15℃。

3.3.2 施工階段結(jié)構(gòu)溫差

主體結(jié)構(gòu)施工過程中均完全暴露在室外，根據(jù)文獻[5]表E.5，重現(xiàn)期50年南昌月平均最低氣溫為－3℃、最高氣溫為38℃，則結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大負溫差為－18℃（－3－15=－18），最大正溫差為+23℃（38－15=23）。

3.3.3 使用階段結(jié)構(gòu)溫差

建筑主體結(jié)構(gòu)外墻已設(shè)有一定的保溫隔熱措施。在使用過程中，考慮室內(nèi)空調(diào)年常設(shè)溫度26℃，可能達到最低溫度8℃（年最低月平均溫度），則主體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的最大負溫差－18℃，最大正溫差+10℃（25－15=10）。

3.3.4 溫度作用計算

對于混凝土現(xiàn)澆樓板的應(yīng)力分析，主要考察的是負溫差產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力，根據(jù)混凝土兩階段四工況的溫差分析結(jié)果，?。?8℃來計算。

采用PKPM2010（PMSAP）結(jié)構(gòu)計算軟件對結(jié)構(gòu)單元二、三進行了驗算。特別是邊梁、柱受彎和受剪和中梁的受拉驗算。

3.3.5 構(gòu)造措施

構(gòu)造措施：1）在建筑物端部及樓板局部開大洞周圍的板設(shè)置雙層雙向通長鋼筋，并適當加大配筋率至0.25%。2）合理布置伸縮后澆帶，作為結(jié)構(gòu)合攏溫度，選擇日平均氣溫為15℃左右的一天一次性澆筑。3）改善混凝土性能，減小混凝土收縮應(yīng)變，限制膨脹率。4）加強建筑屋面及外墻的保溫隔熱措施。5）增加結(jié)構(gòu)超長方向連續(xù)腰筋配筋量。

4 結(jié)語

1）天虹廣場購物中心建筑雖然層數(shù)不多，但其建筑平面不規(guī)則、超長、開大洞，需首先對其抗震超限進行判定，必要時進行超限設(shè)計，且防震縫的數(shù)量和設(shè)置尤為重要，需同時滿足結(jié)構(gòu)抗震規(guī)則性和建筑功能的要求。

2）對建筑物平面不規(guī)則樓板、開大洞的樓板弱連接部位，應(yīng)進行重點分析處理，以充分保證樓板的構(gòu)造能夠滿足樓面的整體受力需求。

3）對于超長結(jié)構(gòu)，需根據(jù)當?shù)氐臍庀筚Y料，按建筑施工階段和使用階段的不同情況分別對溫差和收縮效應(yīng)進行分析，并在結(jié)構(gòu)計算時考慮混凝土溫度變化效應(yīng)和徐變收縮時效特性。

[1] 江西省防震減災(zāi)工程研究所.九洲天虹廣場項目工程場地地震安全性評價報告[R].南昌：江西省防震減災(zāi)工程研究所，2014.

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB50223-2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標準[S].

[4] GB50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5] GB50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

Seismic Overrun and Super-long Structure Design of Tianhong Plaza

HUANG Yuping
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Tianhong Plaza is a complex high-rise building with 3 floors underground,5~7 overground floors,building height of 28~39m,and steel reinforced concrete frame structure.Such problems as torsional irregularity,concave convex irregularity,partial floor slab discontinuity and super-long structure are encountered simultaneously during the design of upper structure,which is a major problem for seismic overrun and super-long structure design.In this paper,the abovementioned problems have been effectively solved by adopting structure seismic-resistant performance design to enhance the weak pocket of structure and check on temperature,and take corresponding structure measures.

big hole opening in floor slab;partial floor slab discontinuity;seismic overrun;seismic performance-based design; super-long structure design

TU973+.15；TU973+.31

B

1004-4345(2015)05-0039-04

2014-03-20

黃玉屏(1972—)，女，高級工程師，主要從事工業(yè)與民用建筑工程設(shè)計工作。