重慶大悅城結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

李博宇， 王 然， 束偉農(nóng)， 張連河， 隋 曉， 馮慧君， 曲 原， 郝淑敏

(1 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100045； 2 廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所， 廣州 510170)

1 工程概況

重慶大悅城是大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目，位于重慶市渝北區(qū)，建設(shè)用地面積約4.6萬(wàn)m2，總建筑面積約35萬(wàn)m2。本項(xiàng)目地上部分為3棟高層辦公樓和1棟商業(yè)裙房，地下部分連為一體，共有4層地下室。

本項(xiàng)目綜合周邊地形及建筑本身情況，判定嵌固部位為基礎(chǔ)頂面，整體結(jié)構(gòu)為大底盤多塔結(jié)構(gòu)，地下室部分作為整體結(jié)構(gòu)的大底盤，建筑±0.000m標(biāo)高以上采用結(jié)構(gòu)縫脫開,分為A，B，C塔樓及D裙房四個(gè)結(jié)構(gòu)單體。A塔樓地下4層，地上27層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.4m，結(jié)構(gòu)高度112.4m；B塔樓地下4層，地上27層，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.8m，結(jié)構(gòu)高度133.6m；C塔樓地下4層，地上44層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.4m，結(jié)構(gòu)高度183.3m；D裙房地下4層，地上11層，標(biāo)準(zhǔn)層層高5.4～6m，結(jié)構(gòu)高度57.7m。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

本項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0?？拐鹪O(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g。商業(yè)裙房部分建筑抗震設(shè)防類別為乙類，其余部分為丙類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45s，結(jié)構(gòu)阻尼比為5%。

本項(xiàng)目地上平面尺寸約為202m×215m。A，B，C塔樓結(jié)構(gòu)體系均為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu),外圍框架柱為鋼筋混凝土柱，局部采用型鋼混凝土柱，核心筒墻為鋼筋混凝土墻。D裙房結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室外墻和部分交通核墻體為鋼筋混凝土墻。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面如圖2所示，結(jié)構(gòu)剖面如圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 結(jié)構(gòu)剖面圖

2 結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)及難點(diǎn)

2.1 場(chǎng)地地形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

本項(xiàng)目所在場(chǎng)地為坡地，總體地勢(shì)東北高、西南低，場(chǎng)地西南側(cè)為河道，場(chǎng)地地坪最大高程差約61.60m，屬于典型坡地建筑，場(chǎng)地南北向剖面示意見圖4。

圖4 場(chǎng)地南北向剖面示意

場(chǎng)地主要由人工拋填的素填土、殘坡積成因的粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥巖和砂巖組成。其中中央?yún)^(qū)域素填土厚度為0.5～46.0m，在場(chǎng)地廣泛分布，土層厚度變化較大，回填時(shí)間均不足5年。

在項(xiàng)目前期，考慮技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)性要求，明確場(chǎng)地邊坡支護(hù)方案為：北側(cè)采用架空+放坡的支護(hù)方案，西側(cè)采用放坡的支護(hù)方案，東側(cè)采用退階+護(hù)坡樁的支護(hù)方案，南側(cè)采用削坡的支護(hù)方案。整個(gè)場(chǎng)地除東南角局部采用永久支護(hù)，其余部分均為臨時(shí)支護(hù)，在使用階段需要主體結(jié)構(gòu)地下室外墻承擔(dān)土壓力。

針對(duì)場(chǎng)地條件及支護(hù)方案，存在以下不利因素：1)由于南北側(cè)高差較大，地下室南側(cè)無(wú)側(cè)限約束，在使用階段北側(cè)土壓力直接作用于主體結(jié)構(gòu)地下室外墻上，因此北側(cè)土體對(duì)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不平衡土壓力。整體計(jì)算時(shí)須考慮不平衡土壓力與地震作用疊加對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。2)由于場(chǎng)地內(nèi)素填土厚度較厚且不均勻，因此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注并解決素填土的不利影響。3)考慮臨軌道側(cè)支護(hù)技術(shù)難度及經(jīng)濟(jì)成本，東側(cè)地下室逐層收進(jìn)形成掉層。4)在西南側(cè)由于場(chǎng)地標(biāo)高降低，地下室部分存在吊腳區(qū)域。

考慮上述因素，本項(xiàng)目對(duì)地下室及地基基礎(chǔ)部分采用了以下加強(qiáng)措施：1)對(duì)于建筑場(chǎng)地內(nèi)的大片填土區(qū)域進(jìn)行地基處理，減少土體沉降對(duì)基礎(chǔ)的不利作用。同時(shí)加強(qiáng)土體水平約束作用，為后續(xù)樁基礎(chǔ)施工做好準(zhǔn)備。2)在地下室內(nèi)部靠近北側(cè)外墻區(qū)域設(shè)置扶壁墻，提高迎土側(cè)的結(jié)構(gòu)剛度，減小框架柱承擔(dān)的水平力。3)通過(guò)底板將不平衡側(cè)土壓力分配到基礎(chǔ)，在場(chǎng)地出露的基巖區(qū)域采用嵌巖短樁基礎(chǔ)，在厚填土區(qū)域采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層選為中風(fēng)化泥巖。由于嵌巖短樁基礎(chǔ)分擔(dān)了大部分水平力，因此對(duì)短樁基礎(chǔ)部分進(jìn)行加強(qiáng)。4)在地下室東側(cè)掉層區(qū)域設(shè)置斜底板，有效減少基礎(chǔ)整體變形。5)在地下室西南側(cè)吊腳部位增設(shè)混凝土墻體提高吊腳部位基礎(chǔ)剛度，減小吊腳變形。6)在地下室北側(cè)區(qū)域采用局部架空處理，減少不平衡側(cè)土壓力。

進(jìn)行基礎(chǔ)穩(wěn)定性分析的模型假定，采用水平剛度法分別定義嵌巖短樁基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)兩種基礎(chǔ)的水平剛度，并將基礎(chǔ)+上部結(jié)構(gòu)整合為一個(gè)整體模型，在地下室外墻部位不施加土的側(cè)限約束，考慮不平衡側(cè)土壓力、地震作用、風(fēng)荷載等工況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析。在模型分析中，考慮場(chǎng)地內(nèi)填土的不均勻性，因此樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度按實(shí)際樁長(zhǎng)輸入，并考慮兩種樁分別起控制作用的包絡(luò)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)?；A(chǔ)水平力計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖5。

圖5 基礎(chǔ)水平力計(jì)算簡(jiǎn)圖

采用上部結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)協(xié)同的方式進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算[1]。采用有限元軟件MIDAS/Gen建立整體結(jié)構(gòu)模型，見圖6。

圖6 整體結(jié)構(gòu)模型

本項(xiàng)目基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗(yàn)算的計(jì)算內(nèi)容及控制指標(biāo)見表1。從表1可得，樁頂水平最大位移3.9mm小于6mm，基巖最大應(yīng)力與基巖強(qiáng)度比值0.92小于1，X向單樁水平承載力特征值(Rhax)乘以樁數(shù)與基礎(chǔ)水平力的比值大于1.3。大震作用下，X向單樁水平抗震承載力特征值(1.25Rhax)乘以樁數(shù)與基礎(chǔ)水平力的比值大于1.3?？箖A覆力矩與傾覆力矩比值為2.38大于1.6，均滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DBJ50-047-2016)[2]限值，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)均滿足控制要求。

基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗(yàn)算指標(biāo) 表1

2.2 結(jié)構(gòu)連體問(wèn)題

本項(xiàng)目商業(yè)裙房部分，以三道連廊將南北兩側(cè)結(jié)構(gòu)單體貫通，南北兩側(cè)結(jié)構(gòu)單體體量基本接近，因此裙房整體為連體結(jié)構(gòu)，裙房3層至頂層設(shè)置東西兩道弧形連廊及中部斜向連廊。連廊部分均采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，局部采用型鋼梁。進(jìn)行商業(yè)裙房的設(shè)計(jì)時(shí)，按照整體和分塔樓兩種情況取包絡(luò)進(jìn)行分析，小震作用下有無(wú)連廊的裙房結(jié)構(gòu)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果見表2。從表2可得，結(jié)構(gòu)整體模型及分塔樓模型均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

有無(wú)連廊的裙房結(jié)構(gòu)指標(biāo)對(duì)比 表2

對(duì)于連體部分的計(jì)算分析，由于連廊兩側(cè)的連接方式屬于剛性連接，因此按照兩側(cè)裙房+連廊整體建模的方式進(jìn)行受力研究，由于裙房部分通過(guò)連廊連接后各層平面均為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，因此在分析時(shí)需考慮地震作用及溫度荷載等工況下的受力和變形。通過(guò)有限元軟件分析裙房部分在溫度荷載和中震作用下的樓板應(yīng)力，溫度荷載作用下地下1層頂板樓板應(yīng)力見圖7。對(duì)連廊部分在中震作用下的受力進(jìn)行分析，中震作用下2層頂板樓板應(yīng)力見圖8。從圖7,8可得，在各層樓板開大洞周邊、剪力墻周邊以及連廊兩側(cè)根部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力最大約為5.5MPa。實(shí)際設(shè)計(jì)中根據(jù)分析結(jié)果并考慮混凝土受拉強(qiáng)度進(jìn)行配筋，對(duì)應(yīng)力較大區(qū)域，通過(guò)加大板厚、加強(qiáng)配筋等手段進(jìn)行加強(qiáng)，裙房樓板均可滿足受力要求。

圖7 溫度荷載作用下地下1層頂板樓板應(yīng)力/MPa

圖8 中震作用下2層頂板樓板應(yīng)力/MPa

為保證連廊在構(gòu)造上可有效傳遞兩側(cè)結(jié)構(gòu)的水平地震作用，按照兩側(cè)結(jié)構(gòu)的地震剪力復(fù)核連廊各層構(gòu)件的受剪承載力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果加大連廊部分的板厚，并加強(qiáng)配筋，使連廊的構(gòu)造滿足結(jié)構(gòu)受力分析的需求。

2.3 中部通廊設(shè)計(jì)問(wèn)題

中部通廊(Tube)為本項(xiàng)目的建筑亮點(diǎn)之一，為一條貫通南北單塔樓的矩形管廊，管廊立面高寬約16m，平面全長(zhǎng)約200m，南北兩端根據(jù)建筑立面要求懸挑26m。

為保證建筑的使用需求及整體效果，Tube在6層以上與周邊建筑脫開，作為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單體進(jìn)行設(shè)計(jì)。Tube結(jié)構(gòu)單體為管狀超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，中部采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)大懸挑為兩榀鋼桁架。

Tube結(jié)構(gòu)單體超長(zhǎng)，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)要解決溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)采用三維有限元軟件對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行分析，Tube結(jié)構(gòu)單體中段弦桿溫度應(yīng)力較集中，因此在中部弦桿部位通過(guò)設(shè)置型鋼來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗溫度應(yīng)力的作用。在構(gòu)件的布置方面，盡量均勻布置豎向構(gòu)件，在滿足結(jié)構(gòu)受力的前提下減少斜撐等剛度較大的結(jié)構(gòu)桿件，減少溫度應(yīng)力集中。

Tube兩端的懸挑部位，在分析時(shí)考慮豎向地震作用影響，根據(jù)設(shè)定的性能目標(biāo)要求，對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)的桿件及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中震和大震分析，同時(shí)進(jìn)行大震彈塑性時(shí)程分析。為保證懸挑部位安全性，采用“拆桿法”進(jìn)行結(jié)構(gòu)防倒塌分析。在構(gòu)造方面，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的交接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則。經(jīng)計(jì)算分析及構(gòu)造加強(qiáng)，懸挑部位結(jié)構(gòu)可以滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)可以滿足受力及構(gòu)造要求。Tube的結(jié)構(gòu)布置見圖9。

圖9 Tube的結(jié)構(gòu)布置

3 計(jì)算分析

3.1 抗震性能目標(biāo)

針對(duì)本項(xiàng)目的超限項(xiàng)及重要部位，采用《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[4](簡(jiǎn)稱高規(guī))中抗震性能化設(shè)計(jì)的方法對(duì)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)。以裙房為例，存在位移比超限、樓板不連續(xù)、豎向構(gòu)件懸挑大于4m、豎向構(gòu)件不連續(xù)、連體結(jié)構(gòu)等不規(guī)則項(xiàng)，裙房在多遇地震和罕遇地震作用下的層間位移角限值分別為1/800，1/100。綜合考慮建筑的功能規(guī)模和不規(guī)則程度，設(shè)定的地下室及裙房的性能目標(biāo)見表3。

3.2 小震彈性分析及中大震等效彈性分析

本項(xiàng)目計(jì)算分析中，采用基于加速度反應(yīng)譜的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行小震作用下的抗震分析，不同軟件計(jì)算的整體指標(biāo)結(jié)果基本相似，裙房整體指標(biāo)對(duì)比見表4。從表4中可得，裙房整體指標(biāo)均滿足高規(guī)要求。

裙房整體指標(biāo)對(duì)比 表4

在構(gòu)件分析中，考慮按多塔與單塔，天然嵌固部位(地下室頂板)與實(shí)際嵌固部位(基礎(chǔ)頂)等不同計(jì)算狀態(tài)下取包絡(luò)的方式，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算分析。針對(duì)中大震的性能目標(biāo)，采用等效彈性算法對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

3.3 彈性和彈塑性時(shí)程分析

小震作用下，除采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行分析外，對(duì)各結(jié)構(gòu)單體還進(jìn)行了小震彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果放大了小震作用下各樓層的地震剪力。以裙房為例，小震彈性時(shí)程分析的地震剪力放大系數(shù)各層均為1.0。本項(xiàng)目的大震彈塑性時(shí)程分析采用SAUSAGE軟件建模分析，裙房部分SAUSAGE有限元模型見圖10。

地下室及裙房性能目標(biāo) 表3

圖10 裙房部分SAUSAGE有限元模型

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[5](簡(jiǎn)稱抗規(guī))第5.1.2條的規(guī)定，選擇2組天然波和1組人工波進(jìn)行計(jì)算分析，地震波加速度時(shí)程曲線見圖11。在罕遇地震作用下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，地震波的幅值調(diào)整到罕遇地震水平，同時(shí)考慮抗震不利地段的地震作用放大影響，并取3組地震波作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)的最大值作為時(shí)程分析的代表值。

圖11 人工波與天然波加速度時(shí)程曲線

每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力均超過(guò)振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，3條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，滿足抗規(guī)的要求。

大震作用下，裙房部分X向最大頂點(diǎn)位移為0.165m，最大層間位移角為1/126，Y向最大頂點(diǎn)位移為0.223m，最大層間位移角為1/109，均滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)要求。對(duì)連體部分樓板進(jìn)行混凝土受壓損傷分析，見圖12。由圖12可以看出，在大震作用下，樓板基本處于輕度損傷以下狀態(tài)?？梢娺B體部分樓板能可靠傳遞水平力，滿足性能目標(biāo)要求。

圖12 連體部分樓板混凝土受壓損傷

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)坡地類型項(xiàng)目，應(yīng)重點(diǎn)考慮不平衡土壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響；對(duì)場(chǎng)地內(nèi)填土厚度不均勻、局部存在吊腳及掉層的問(wèn)題，建立整體協(xié)同模型進(jìn)行分析研究。

(2)對(duì)結(jié)構(gòu)連體問(wèn)題，應(yīng)采用單塔、多塔包絡(luò)原則進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)連體部分采用有限元計(jì)算分析和構(gòu)造加強(qiáng)手段使連廊及整體結(jié)構(gòu)滿足受力要求。

(3)對(duì)中部通廊超長(zhǎng)問(wèn)題，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析；通廊兩端大懸挑問(wèn)題，考慮豎向地震作用，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)防倒塌分析。

(4)對(duì)復(fù)雜高層建筑，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，通過(guò)抗震性能設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的承載能力，同時(shí)驗(yàn)證大震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能。