許昌建安文化廣場結(jié)構(gòu)設計

張建亮，馬敬友，周 冰，張 晧

(北京市建筑設計研究院有限公司， 北京 100045)

1 工程概況

許昌建安文化廣場位于河南省許昌市東城區(qū)，毗鄰市政府和許都公園，主要使用功能為酒店、公寓、商業(yè)、影廳等，其造型奇特、雄偉，線條流暢自然(圖1)，總建筑面積約15.4萬m2，包括兩層地下室，5層裙房(局部4層)和出裙房的酒店、公寓兩棟塔樓。該建筑地下部分長202.4m，寬127.3m，地下1層和地下2層層高分別為6.3m和4.8m；地上部分長181.3m，寬101.5m，4層裙房頂標高為20.4m，5層裙房頂標高主要為25.4m，布置東南影廳處標高為32.2m。裙房中部設有懸挑式內(nèi)廊環(huán)街，西南側(cè)兩棟塔樓之間設置通高天窗，南側(cè)及東南各層均設有大開洞中庭，并且影廳布置在東南側(cè)大開洞中庭頂部；裙房北側(cè)各層均通過連橋與南側(cè)各層連接，連橋最大跨度為27.5m。酒店(塔1)出裙房14層，結(jié)構(gòu)高度76.3m，標準層層高3.7m；公寓(塔2)出裙房12層，結(jié)構(gòu)高度68.87m，標準層層高3.3m，塔1和塔2均在出裙房首層設有設備轉(zhuǎn)換層(圖2)。

圖1 許昌建安文化廣場效果圖

圖2 建安文化廣場典型平面布置和剖面圖

2 結(jié)構(gòu)體系及關鍵部位概念設計

由于該建筑體型較為復雜且超長，連接南北側(cè)的連橋剛度較弱，較難將兩側(cè)的主體建筑協(xié)同起來，故根據(jù)其建筑使用功能及體型，兼顧經(jīng)濟性，地上部分在⑨軸和軸處設置兩道永久性結(jié)構(gòu)縫，連橋則采用北側(cè)端簡支、南側(cè)端滑動的鋼連橋，從而將整個建筑劃分為三部分：西南雙塔部分、東南影廳部分和北面多層部分(圖2(a))。限于建筑藝術(shù)追求及功能使用要求，該建筑無法再設置其他結(jié)構(gòu)縫。本工程地下室部分不設結(jié)構(gòu)縫。

2.1 西南雙塔部分

西南雙塔部分采用現(xiàn)澆混凝土框剪結(jié)構(gòu)，樓蓋采用現(xiàn)澆混凝土梁板體系，是典型的大底盤多塔結(jié)構(gòu)，其存在一系列平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則項，屬于特別不規(guī)則的超限高層(圖3)，存在多個設計難點和關鍵點。

圖3 西南雙塔部分

該部分平面投影大體呈L形，兩肢平面尺寸分別約為64.6m×99.6m和117.3×63.6m，西肢北端略向東突出與北面多層部分相接，是典型的凹凸不規(guī)則平面；出裙房雙塔呈端部垂直布置，導致兩塔在同方向動力特性差別較大，加大了凹凸裙房連接部位的應力集中現(xiàn)象，設計時對該連接部位予以一定加強，并真實考慮了樓板的面內(nèi)剛度和面內(nèi)變形。裙房頂層為剛度突變部位，對樓板予以加強，塔樓周邊豎向構(gòu)件上下各兩層抗震等級提高一級；該部分塔樓均為偏心收進，裙房周邊框架柱和剪力墻采取加強配筋構(gòu)造措施。

根據(jù)概念判斷，西南雙塔部分體型復雜，局部剪力墻設置受限，其扭轉(zhuǎn)位移比難以控制在1.2以內(nèi)，極可能存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，事實上計算結(jié)果也表明如此，故該部分計算時考慮雙向扭轉(zhuǎn)地震作用。

裙房較多樓層由于中庭、通高天窗等開有較大的洞口，多處樓板有效寬度小于50%，形成了薄弱樓板連接，屬樓板不連續(xù)平面，這些部位均采取了加厚樓板、設置雙層雙向通長配筋并適當提高配筋率等加強措施；整體計算時采用彈性膜單元考慮樓板的面內(nèi)真實剛度和面內(nèi)變形[1]。

塔1首層為大開間通透的酒店大堂，其上三根柱子均無法落地，需進行梁托柱轉(zhuǎn)換，屬構(gòu)件間斷，故塔1豎向不規(guī)則；該單向轉(zhuǎn)換梁跨度達16.8m，裙房各層均難以滿足梁高和凈高要求，故最終將轉(zhuǎn)換梁設置于設備層，轉(zhuǎn)換梁截面高3.200m，其下標高同裙房頂層一般梁，其余高度上返至設備層；該梁內(nèi)置型鋼，考慮當?shù)毓┴浤芰褪┕すに囁?，型鋼腹板和翼緣不宜太厚，鋼材強度不宜太高，以免給焊接帶來困難，綜合考慮后采用雙翼緣“王”字鋼截面(圖4)。

圖4 轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱截面示意

對于位于裙房頂層的電影院，其售票廳和兩個播放廳布置在西南雙塔部分，形成了局部錯層剪力墻；影廳通高兩層將使南側(cè)首層公寓無法采光，故該處采用折梁和折板結(jié)構(gòu)，跨度12.4m，折梁低端支承于設備層頂標高處，以盡量減小對公寓的采光影響，由此也形成了局部錯層柱。錯層處框架柱和剪力墻抗震等級均提高為一級。

兩棟塔樓出裙房首層為設備層，層高均為1.8m，而5層(設備層下層)裙房層高為5.0m，若按常規(guī)設計設備層為一單獨計算層，則其下層易為薄弱層和軟弱層，為減弱尺寸突變和層高變化帶來的不利影響，使該部位的剛度和層間受剪承載力變化容易滿足規(guī)范規(guī)定，塔樓出裙房計算首層均為設備轉(zhuǎn)換層和首層功能層(酒店或公寓)合并而成的計算層[2]，層高分別為5.5m和5.1m，與下層5.0m層高接近。設備轉(zhuǎn)換層采用鋼結(jié)構(gòu)架空夾層進行設計，生根于裙房頂板上，與周邊主體框架柱、剪力墻間設30mm結(jié)構(gòu)縫脫開，使其剛度對主體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何影響。

西南雙塔部分按嵌固于地下1層頂板計算。地下1層頂板存在多處梁托柱轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，考慮這些梁、柱支承著上部多層跨度較大的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，均按轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)化柱設計，地震內(nèi)力按規(guī)定進行放大，并采用性能化方法進行抗震設計。

2.2 東南影廳部分

東南影廳部分采用現(xiàn)澆混凝土框剪結(jié)構(gòu)(共5層)，其下面4層設有圓形大開洞中庭，柱網(wǎng)呈不規(guī)則環(huán)狀布置；而其頂層布置影廳，需要方正布置的柱網(wǎng)支撐影廳屋蓋；常規(guī)做法是在影廳底部采用28m的大跨度厚板封閉中庭，然后在厚板上布置影廳所需要的規(guī)則柱網(wǎng)。本工程巧妙地將不規(guī)則軸網(wǎng)上影響影廳布置的柱子全部拔掉，而將不影響影廳布置的柱子均伸到頂層，支承一下正交正放四角錐平板網(wǎng)架，從而形成大空間，供影廳設計自行分割使用(圖5)。該結(jié)構(gòu)方案相對于常規(guī)厚板轉(zhuǎn)換做法經(jīng)濟性較好，結(jié)構(gòu)計算分析也簡單易行。

圖5 東南影廳結(jié)構(gòu)模型

2.3 北面多層部分

北面多層部分為普通3層框架結(jié)構(gòu)，局部4層，與西南雙塔部分西肢北端相接。此部分為常規(guī)結(jié)構(gòu)，不涉及結(jié)構(gòu)超限問題，本文不再詳細描述。

3 結(jié)構(gòu)分析與設計

本工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，結(jié)構(gòu)阻尼比取值采用CCQC方法計算，小震時混凝土結(jié)構(gòu)取5%，鋼結(jié)構(gòu)取2%[3-4]，采用等效彈性方法進行大震不屈服性能化計算時各乘以放大系數(shù)1.4。

3.1 抗震等級確定

西南雙塔部分是大底盤多塔結(jié)構(gòu)，且裙房部分局部4層，部分局部5層，該部分的影廳尚存在局部錯層現(xiàn)象，故各構(gòu)件抗震等級確定較為復雜。

該部分裙房層屬乙類建筑，框架和剪力墻抗震等級按抗震設防烈度提高一度確定，均為一級；而出裙房塔樓部分設防類別為丙類，故該部分(6層及以上部分)框架和剪力墻抗震等級均按7度確定，為二級；本工程裙房部分均在塔樓相關范圍內(nèi)，故裙房框架和剪力墻抗震等級均同西南雙塔主樓，為一級；塔樓體型收進部位上下各兩層周邊豎向構(gòu)件抗震等級均提高一級，即塔樓在裙房部分4，5層兩層周圈豎向構(gòu)件為特一級，出裙房6,7層兩層周圈豎向構(gòu)件為一級；考慮塔1在4層裙房頂和5層裙房頂均存在體型收進現(xiàn)象，故塔1在裙房部分3層周圈豎向構(gòu)件抗震等級也提高為特一級。

根據(jù)該計算模型后續(xù)的最大層間位移角計算結(jié)果，上部收進結(jié)構(gòu)的底部樓層層間位移角大于相鄰下部區(qū)段最大層間位移角的1.15倍，即塔1和塔2在6層的層間位移角與大底盤5層的層間位移角比值大于1.15，故將塔1和塔2在6層的抗側(cè)構(gòu)件再提高一級，以加強其抗震能力，減小剛度突變帶來的不利影響[5]，這樣塔1和塔2在6層的周圈豎向構(gòu)件抗震等級為特一級，中間豎向構(gòu)件和所有框架梁抗震等級為一級。西南雙塔部分的影廳錯層框架柱和剪力墻抗震等級再提高一級，為特一級；影廳與公寓錯層柱因已為特一級，不再提高。

地下室2層框架和剪力墻的構(gòu)造措施抗震等級降低為二級。西南雙塔部分各構(gòu)件最終抗震等級見表1和圖6。

圖6 西南雙塔各構(gòu)件抗震等級示意

3.2 常規(guī)小震彈性分析

本工程西南雙塔部分和東南影廳部分均為超限高層，計算分析時以PKPM-PMSAP軟件為主，主要采用BIAD-Paco作為第二軟件進行輔助對比校核[6]。按照大底盤多塔結(jié)構(gòu)的設計要求，對西南雙塔部分分別建立整體(多塔)模型和兩棟高層單塔模型進行結(jié)構(gòu)計算分析[7-8]，整體模型不與東南影廳部分、北面多層部分重疊使用地下室剛度，單塔模型也不互相重疊使用地下室剛度；整體模型計算時補充45o方向地震作用計算。

西南雙塔部分抗震等級 表1

整體模型主要計算結(jié)果見表2。由表2可知，兩個軟件的計算結(jié)果比較接近，工程各指標計算結(jié)果能夠滿足現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[1]、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[5](簡稱高規(guī))等相關規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)布置較為合理。各單塔模型和東南影廳部分計算結(jié)果與此類似。

結(jié)構(gòu)整體模型總體指標多軟件分析結(jié)果比較 表2

3.3 小震彈性時程分析

在PKPM-PMSAP軟件自帶地震波庫中分別選用5條天然波和2條人工波對西南雙塔部分各分塔進行小震彈性時程分析。7條地震波作用下西南雙塔部分結(jié)構(gòu)基底剪力均大于規(guī)范反應譜法的65%，不大于規(guī)范反應譜的135%，且平均值大于規(guī)范反應譜法的80%，不大于規(guī)范反應譜的120%；這7條地震波的平均地震影響系數(shù)在對應于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上與規(guī)范反應譜相差均不大于20%，滿足“統(tǒng)計意義上相符”。將彈性時程分析的7條地震波作用下各樓層剪力平均值與規(guī)范反應譜分析結(jié)構(gòu)進行對比，并將整體模型反應譜分析所得的樓層剪力進行放大，采用放大后的樓層剪力進行設計。東南影廳部分與此類似。

3.4 性能化設計

綜合考慮該工程的重要性、當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展水平、業(yè)主方的需求及相關規(guī)范的規(guī)定要求，對該工程的抗震性能化目標進行設定，如表3所示，該目標整體處于高規(guī)規(guī)定的性能目標C和D之間。

西南雙塔部分結(jié)構(gòu)抗震性能目標 表3

除此之外，本工程裙房多處存在薄弱樓板連接，故采用PKPM-PMSAP軟件進行薄弱部位樓板應力分析，樓板定義為具有真實面內(nèi)剛度、不考慮面外剛度的“彈性膜”單元，以進行樓板面內(nèi)應力計算?？刂浦笜藶樾≌饦藴式M合作用下，樓層薄弱部位樓板混凝土核心層不開裂，即混凝土核心層主拉應力σt滿足σt≤ftk(ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值)。為滿足中震作用下剪力墻與框架能協(xié)同工作，對薄弱部位樓板進行了中震下的應力分析，抗拉鋼筋的抗拉承載力按標準值取用[9-10]，樓板實配鋼筋為常規(guī)設計的抗彎鋼筋量和根據(jù)1.0恒載+0.5活載+1.0地震組合作用下樓板應力配置的鋼筋量的包絡值。

3.5 大震動力彈塑性分析

采用PKPM-SAUSAGE軟件對西南雙塔部分和東南影廳部分進行了大震動力彈塑性分析，其結(jié)構(gòu)基底剪力同大震彈性分析結(jié)果相比有著明顯的下降，地震能量耗散中結(jié)構(gòu)塑性耗能約占15%，這表明西南雙塔部分和東南影廳部分均具有良好的耗能體系。剪力墻墻體損傷主要集中在連梁部位，約40%的連梁混凝土受壓損傷因子超過0.6，達到重度破壞水準，形成了鉸機制，充分發(fā)揮了屈服耗能的作用(圖7)；墻體本身基本上均處于無損壞、輕微損壞或輕度損壞狀態(tài)，表明剪力墻承受豎向荷載擁有較大的安全裕度；框架柱中鋼筋的塑性應變及混凝土受壓損傷均較小，絕大部分處于無損壞、輕微損壞、輕度破壞，僅少數(shù)框架柱達到中度損壞，西南雙塔部分達到中度損壞的框架柱主要位于塔樓上部樓層，東南影廳部分達到中度損壞的框架柱主要位于4層，裙房5層空曠結(jié)構(gòu)支撐網(wǎng)架的框架柱均未達到中度損壞；框架梁中鋼筋的塑性應變及混凝土受壓損傷較顯著，大部分框架梁進入塑性階段，但僅少數(shù)框架梁達到中度損壞，托柱轉(zhuǎn)換梁均處于無損壞或輕微損壞狀態(tài)，西南雙塔酒店設備層大跨度轉(zhuǎn)換梁為輕微損壞。

圖7 某地震波作用下西南雙塔部分剪力墻性能計算結(jié)果

西南雙塔部分和東南影廳部分在大震作用下的彈塑性變形均小于1/100，滿足規(guī)范規(guī)定及本工程預設性能化設計要求。

4 結(jié)語

許昌建安文化廣場項目西南雙塔部分和東南影廳部分均屬超限高層，西南雙塔部分是大底盤雙塔結(jié)構(gòu)，存在凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變、構(gòu)件間斷、局部錯層等多項不規(guī)則項，東南影廳部分情況與此類似。針對結(jié)構(gòu)的復雜超限情況，通過合理的結(jié)構(gòu)概念設計，提出一系列針對性技術(shù)措施，并通過后續(xù)的一系列詳細計算分析，使結(jié)構(gòu)設計中存在的關鍵問題和難點問題得以安全、經(jīng)濟、有效地解決，從而保證了結(jié)構(gòu)整體具有良好的抗震性能。