世茂深港國(guó)際中心商業(yè)MALL復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

劉永璨

（1.上海世茂商業(yè)投資管理有限公司，上海 200122；2.世茂股份，上海 200122）

1 工程概況

世茂深港國(guó)際中心位于深圳市龍崗大運(yùn)新城，它的建成將為深圳增添鮮明的時(shí)代特色，引領(lǐng)全新的商務(wù)、休閑、娛樂(lè)、購(gòu)物體驗(yàn)，成為深港核心區(qū)的地標(biāo)性建筑及商業(yè)中心，其效果圖見(jiàn)圖1。商業(yè)MALL（以下簡(jiǎn)稱本項(xiàng)目）地下室四層，地上七層、局部八層，地下建筑面積約20萬(wàn)m2，地上建筑面積約11.5萬(wàn)m2，地上從三層開(kāi)始局部收進(jìn)，七層主屋面標(biāo)高為35.4 m，局部八層屋面標(biāo)高為40.8 m，幕墻頂點(diǎn)標(biāo)高為44.8 m。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50年，為重點(diǎn)設(shè)防類建筑，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，基本地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組屬第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期值為0.35 s。50年一遇基本風(fēng)壓為0.65 kPa。

2 基礎(chǔ)及地下室設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目場(chǎng)地存在人工填土、風(fēng)化巖和殘積土等特殊性巖土及巖溶發(fā)育，基礎(chǔ)底板以下的主要土層為粉質(zhì)黏土，基巖為石炭系微風(fēng)化灰?guī)r，灰?guī)r中溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，以中/大型充填/半填充溶洞為主，洞隙連通性較好，巖面起伏大。采用天然地基獨(dú)立基礎(chǔ)+精軋螺紋鋼抗浮錨桿作為主要基礎(chǔ)形式，輔以鉆孔灌注樁；天然地基粉質(zhì)黏土層承載力特征值為230～260 kPa、微風(fēng)化灰?guī)r承載力特征值為5 500 kPa；抗浮錨桿采用高強(qiáng)度精軋螺紋鋼，最大長(zhǎng)度按照不超過(guò)18 m控制；純抗壓樁樁徑1.5 m/1.8 m、盡量采用一柱一樁，抗壓兼抗拔樁樁徑1.2 m。

每根結(jié)構(gòu)柱下的獨(dú)立基礎(chǔ)及灌注樁均通過(guò)施工勘察探明巖面埋深、起伏情況，根據(jù)超前鉆結(jié)果修正天然地基和樁基礎(chǔ)的應(yīng)用范圍（圖2），確保天然地基落于有效持力層、灌注樁及抗拔錨桿的長(zhǎng)度基本合理。當(dāng)天然地基基底5 m范圍內(nèi)揭露溶洞時(shí)，探明溶洞范圍并以素混凝土灌注回填澆實(shí)并達(dá)到承載力要求；當(dāng)灌注樁基底揭露溶洞時(shí)，樁身穿越溶洞并嵌入底部巖體，保證樁端以下連續(xù)穩(wěn)定基巖厚度不小于5 m。

圖2 地基土層分布及樁基布置示意圖Fig.2 Foundation soil layer distribution and pile foundation layout

本項(xiàng)目東側(cè)10 m地鐵保護(hù)區(qū)按照土方開(kāi)挖標(biāo)高-16.5 m、地下室三層設(shè)計(jì)；人防區(qū)域設(shè)置在遠(yuǎn)離地鐵的地塊西側(cè)，根據(jù)結(jié)構(gòu)梁高和建筑凈高要求，土方開(kāi)挖標(biāo)高按照-22.4 m控制；其余中間區(qū)域土方開(kāi)挖標(biāo)高-21.7 m。地下室底板采用鋼筋混凝土筏板，車(chē)庫(kù)及人防頂板采用無(wú)梁樓蓋，中間商業(yè)樓層采用單向雙次梁體系以兼顧業(yè)態(tài)調(diào)改的靈活性，地下室頂板室內(nèi)范圍采用單向單次梁體系、室外覆土范圍采用框架梁加腋大板體系。

圖3 地下室剖面示意圖Fig.3 Sectional drawing of basement section

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本地塊東南角設(shè)置一幢高約200 m的辦公塔樓，在塔樓北側(cè)設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，將北側(cè)商業(yè)MALL分割為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單體。本項(xiàng)目（北側(cè)商業(yè)MALL）存在多處的外挑和內(nèi)收，結(jié)合建筑的總高度、建筑功能、體型、平面布局等特點(diǎn)，兼顧商業(yè)運(yùn)營(yíng)功能的靈活性，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

本項(xiàng)目常規(guī)軸網(wǎng)9.0 m×9.0 m，特殊區(qū)域跨度最大約30 m、懸挑最大約10 m；常規(guī)框架柱首層截面以900 mm×900 mm為主，框架梁高以700～800 mm為主；中庭大跨度、邊跨大懸挑范圍框架柱截面以1 200 mm×1 200 mm為主，框架梁高按照1 400 mm控制，部分根據(jù)計(jì)算及構(gòu)造要求增設(shè)型鋼；樓板厚度以110 mm為主，局部中庭連廊位置、退臺(tái)及屋面有覆土區(qū)域板厚150 mm。根據(jù)性能化要求，兼顧施工管理方便，全樓框架柱均采用C60混凝土，梁、板均采用C35混凝土。

圖4 商業(yè)MALL典型平面示意圖Fig.4 General floor plan of the MALL

4 抗震超限設(shè)計(jì)

4.1 抗震超限判別

圖5 商業(yè)MALL結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of structural calculation model

本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)超限情況見(jiàn)表1，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變、局部不規(guī)則5項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)，需進(jìn)行超限審查。

表1 結(jié)構(gòu)超限判別Table 1 Identification of structure overrun

4.2 小震作用下彈性計(jì)算分析

選用YJK軟件進(jìn)行彈性計(jì)算分析，同時(shí)應(yīng)用MIDAS軟件進(jìn)行復(fù)核。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算豎向荷載工況包括結(jié)構(gòu)自重、附加恒載及活載，豎向荷載工況計(jì)算時(shí)考慮施工模擬加載，水平荷載工況包括地震作用及風(fēng)荷載。地震作用計(jì)算采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法，小震下采用規(guī)范反應(yīng)譜為設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，同時(shí)考慮雙向水平地震作用及偶然偏心的影響，大跨區(qū)域和大懸挑區(qū)域考慮豎向地震作用影響。

本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)地震作用的剪力和傾覆彎矩均大于風(fēng)荷載產(chǎn)生的力（圖6），地震作用起控制作用，整體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，各項(xiàng)宏觀計(jì)算指標(biāo)滿足規(guī)范要求，構(gòu)件截面取值合理，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。

表2 整體計(jì)算結(jié)果表Table 2 Overall calculation results

圖6 主要計(jì)算結(jié)果圖Fig.6 Main calculation results

4.3 中震和大震下的抗震性能驗(yàn)算

本項(xiàng)目中震下結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1/600（X向）和1/594（Y向），大震下結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1/66（X向）和1/75（Y向），發(fā)生在六層大懸挑/大跨度位置，均滿足規(guī)范限值要求。采取結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)的措施，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)設(shè)定為C級(jí)，各部位構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)滿足表3要求。

表3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)及震后性能狀態(tài)Table 3 Seismic performance target and post earthquake performance state

采用PKPM-SAUSAGE進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，在結(jié)構(gòu)變形、混凝土損傷、鋼筋和鋼材塑性應(yīng)變等各項(xiàng)指標(biāo)滿足所設(shè)定的性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的要求并有一定富余量。以首層框架柱和二層框架梁為例（圖7）：首層總計(jì)18個(gè)關(guān)鍵柱混凝土受壓損傷均小于C60混凝土柱fck對(duì)應(yīng)的損傷因子0.26，鋼筋和型鋼出現(xiàn)輕微的塑性應(yīng)變，可滿足輕微損壞的性能目標(biāo)；首層有普通柱21個(gè)柱（占比11.4%）混凝土出現(xiàn)超過(guò)0.26的損傷因子，但均小于C60混凝土柱剩余0.5fck對(duì)應(yīng)的損傷因子0.67，且鋼筋和型鋼出現(xiàn)輕微的塑性應(yīng)變，可滿足部分中度損壞的性能目標(biāo)；二層個(gè)別大跨度關(guān)鍵梁鋼筋出現(xiàn)輕微的塑性應(yīng)變，梁端混凝土受壓損傷小于C35混凝土fck對(duì)應(yīng)的損傷因子0.34，可達(dá)到輕微損壞的性能設(shè)計(jì)要求；二層普通梁大部分出現(xiàn)輕微的塑性應(yīng)變，混凝土的受壓損傷均小于0.34，少量梁端混凝土受壓損傷大于0.34但小于C35混凝土剩余0.5fck對(duì)應(yīng)的損傷因子0.77，可達(dá)到輕微-中度損壞的性能要求。

圖7 典型樓層混凝土受壓損傷情況Fig.7 Concrete compressive damage of typical plan

5 專項(xiàng)分析與設(shè)計(jì)

5.1 超長(zhǎng)樓蓋溫度應(yīng)力分析

本項(xiàng)目平面尺寸約為145 m×87 m/125 m×87 m，結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)，需對(duì)樓板進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，本項(xiàng)目所在地深圳地區(qū)年最高氣溫為35℃，最低氣溫為8℃；參考《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》，混凝土收縮應(yīng)變當(dāng)量溫差為-12.9℃，同時(shí)考慮混凝土徐變的影響，溫度收縮效應(yīng)乘以0.3；設(shè)定樓蓋后澆帶合攏時(shí)溫度為20℃，考慮溫度作用的分項(xiàng)系數(shù)1.5、組合系數(shù)0.6，由此可得降溫工況溫差ΔTD=1.5×0.6×（8-20-12.9）×0.3=-6.7℃，升溫工況不起控制作用。

由于地上結(jié)構(gòu)的負(fù)溫差較大，且二層樓板受到框架柱的約束作用較大，扣除局部應(yīng)力集中的影響，樓板最大拉應(yīng)力為2.7 MPa，集中在柱邊、樓板轉(zhuǎn)角、樓板開(kāi)大洞處，采用Φ10@100雙層雙向配筋可抵抗負(fù)溫差和混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力；對(duì)于中部樓板面積較大區(qū)域，平均樓板應(yīng)力約為1.0 MPa，采用Φ8@200雙層雙向配筋可抵抗負(fù)溫差和混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力。三層以上由于樓板受到框架柱的約束作用較小，樓板承受的拉應(yīng)力應(yīng)該逐漸變小，樓板應(yīng)力分析的結(jié)果也可以得到同樣的規(guī)律，扣除局部應(yīng)力集中的影響，樓板最大拉應(yīng)力大部分小于1.0 MPa，采用Φ8@200雙層配筋可抵抗負(fù)溫差和混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

圖8 二層樓板溫度應(yīng)力分布圖Fig.8 Temperature stress distribution of the second floor

圖9 五層樓板溫度應(yīng)力分布圖Fig.9 Temperature stress distribution of the fifth floor

5.2 大跨度樓蓋舒適度分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《建筑樓蓋振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，復(fù)核大跨度大懸挑樓蓋薄弱位置的舒適度，采用豎向峰值加速度0.15 m/s2作為控制限值。

選取主入口跨度26 m、懸挑6 m樓蓋為例，附加恒載取3.0 kPa，活載取0.55 kPa，阻尼比取2%，計(jì)算得第一階豎向自振頻率為2.69 Hz，需進(jìn)行加速度驗(yàn)算。將單人激勵(lì)荷載放大1.85倍以模擬多人荷載激勵(lì)，激勵(lì)荷載形式分別采用步行一步、連續(xù)步行，計(jì)算得加速度響應(yīng)均小于0.15 m/s2，滿足舒適度控制限值要求。

5.3 屋頂鋼結(jié)構(gòu)天窗設(shè)計(jì)

屋頂天窗結(jié)構(gòu)短向跨度33 m、長(zhǎng)向跨度48 m、矢高2.1 m，矢跨比約1/16，采用單層橢圓網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，天窗支承在6層樓面中庭封邊梁上。天窗三角形網(wǎng)格尺寸2.1～2.5 m，基本桿件截面為B250×150×8×8矩形鋼管，支座位置網(wǎng)格桿件端部局部加 大 截 面 至B250×150×25×35，封 邊 環(huán) 梁 截 面B400×300×14×14，構(gòu)件材質(zhì)均為Q355B。

圖10 步行激勵(lì)示意圖Fig.10 Walking incentive diagram

圖11 加速度響應(yīng)示意圖Fig.11 Acceleration response diagram

鋼結(jié)構(gòu)自重通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算，屋面玻璃及龍骨重量按1.0 kPa考慮，不上人屋面活載取0.5 kPa；天窗獨(dú)立計(jì)算模型樓面譜放大系數(shù)考慮2.6倍，豎向地震影響系數(shù)采用水平地震影響系數(shù)的65%；根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)行了不同風(fēng)向角下的結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析并計(jì)算得到峰值響應(yīng)，換算得出天窗整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的等效靜力風(fēng)荷載，下壓風(fēng)取0.9 kPa，上吸風(fēng)取-2.0 kPa。

天窗結(jié)構(gòu)在恒載+活載工況下豎向變形為-36 mm（1/917＜1/400），在風(fēng)壓力工況下豎向變形為-14 mm（1/2 357＜1/400），在風(fēng)吸力工況下豎向變形為32 mm（1/1 031＜1/400），在溫度±30℃工況下豎向變形為±21 mm（1/1 571＜1/400），在豎向地震作用下豎向變形為3 mm（1/11 000＜1/400），均滿足規(guī)范要求。

天窗環(huán)梁最大應(yīng)力比0.79、網(wǎng)格梁最大應(yīng)力比0.88，最大桿件應(yīng)力比均為溫度組合控制，地震組合不起控制作用。分析中，考慮恒、活、風(fēng)、溫度組合，進(jìn)行非線性驗(yàn)算分析，環(huán)梁最大應(yīng)力比0.52、網(wǎng)格梁最大應(yīng)力比0.89，均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 天窗結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.12 Structural layout of skylight

圖13 天窗支座示意圖Fig.13 Schematic diagram of skylight support

采用位移控制非線性全過(guò)程穩(wěn)定分析方法，考慮結(jié)構(gòu)的施工缺陷以及材料缺陷，不考慮材料非線性，對(duì)天窗進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析。取跨度L/300為初始缺陷，采用等比例加載，恒荷載+活荷載等比例逐步加載在雨棚屋面直至結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲破壞，提取最大變形點(diǎn)的荷載—位移曲線，得到天窗結(jié)構(gòu)的屈曲荷載和相應(yīng)的安全系數(shù)K，均滿足規(guī)范的4.20限值要求。

圖14 天窗整體穩(wěn)定荷載—位移曲線Fig.14 Overall stability load displacement relationship curve of skylight

5.4 超級(jí)碗結(jié)構(gòu)單體設(shè)計(jì)

超級(jí)碗位于本項(xiàng)目場(chǎng)地南側(cè)，在地上與其他結(jié)構(gòu)完全脫開(kāi)，形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的多層結(jié)構(gòu)，最大樓面標(biāo)高約16.5 m。配合建筑效果，在屋面重心位置附近布置一個(gè)3 m×3 m的巨型獨(dú)柱筒來(lái)支承整個(gè)超級(jí)碗結(jié)構(gòu)，獨(dú)柱筒貫穿整個(gè)地下室錨固于基礎(chǔ)底板；在獨(dú)柱筒四面墻肢上設(shè)置四道正交的變截面鋼箱梁來(lái)懸挑超級(jí)碗的屋蓋，屋面長(zhǎng)向尺寸約32 m（南北懸挑分別約16.5 m和12.5 m），屋面短向尺寸約27 m（東西懸挑各約12.0 m）；外圍幕墻網(wǎng)格懸掛于屋面封邊梁上。獨(dú)柱筒四角分別設(shè)置1 m×1 m型鋼混凝土暗柱，南北向懸挑鋼箱 梁 截 面 從B2200×800×14×50分 段 漸 變 為B1000×400×14×25，東西向懸挑鋼箱梁截面從B2200×600×14×40分段漸變?yōu)锽800×300×14×20，其他屋面梁采用H300～1200不等的常規(guī)工字鋼，外圍幕墻網(wǎng)格采用Φ168～203不等的圓鋼管，構(gòu)件材質(zhì)均為Q355B。

考慮滿布活載、南側(cè)或東側(cè)活載等不利布置，在風(fēng)荷載及地震工況下，獨(dú)柱筒最大水平變形小于10 mm（1/1 750＜1/400），懸挑鋼箱梁最大豎向撓度-71 mm（1/460＜1/400），外圍幕墻網(wǎng)格最大水平變形小于40 mm（1/430＜1/400）；獨(dú)柱筒墻肢最大拉力950 kN/m，獨(dú)柱筒內(nèi)置型鋼應(yīng)力比小于0.50，懸挑鋼箱梁最大應(yīng)力比小于0.70，其余工字鋼及圓鋼管應(yīng)力比按照0.90控制（圖16），均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖16 超級(jí)碗鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比Fig.16 Stress ratio of super bowl structure

圖15 超級(jí)碗結(jié)構(gòu)三維及拆分示意圖Fig.15 3D and split diagram of super bowl structure

在中震彈性組合下，獨(dú)柱筒墻肢拉力增加至1 350 kN/m，混凝土獨(dú)柱筒仍不會(huì)開(kāi)裂，懸挑鋼箱梁最大應(yīng)力比0.7（圖17），結(jié)構(gòu)具有較好的安全冗余度。

圖17 超級(jí)碗中震計(jì)算結(jié)果Fig.17 Medium earthquake elasticity of super bowl structure

6 結(jié)論

本文介紹了世茂深港國(guó)際中心商業(yè)MALL復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：

（1）本項(xiàng)目為復(fù)雜商業(yè)結(jié)構(gòu)，存在多項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)，屬于超限高層建筑。結(jié)合建筑的總高度、建筑功能、體型、平面布局等特點(diǎn)，兼顧商業(yè)運(yùn)營(yíng)的靈活性，主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主要抗側(cè)力體系由框架柱及框架梁組成。

（2）采用天然地基獨(dú)立基礎(chǔ)+精軋螺紋鋼抗浮錨桿作為主要基礎(chǔ)形式，輔以鉆孔灌注樁；抗浮錨桿按照最大長(zhǎng)度不超過(guò)18 m控制，純抗壓樁樁徑1.5 m/1.8 m，盡量采用一柱一樁，抗壓兼抗拔樁樁徑1.2 m。通過(guò)施工勘察探明巖面埋深、起伏情況；當(dāng)天然地基區(qū)域基底5 m范圍內(nèi)揭露溶洞時(shí)，探明溶洞范圍并以素混凝土灌注回填澆實(shí)并達(dá)到承載力要求；當(dāng)灌注樁基礎(chǔ)區(qū)域揭露溶洞時(shí)，樁身穿越溶洞并嵌入底部巖體，并保證樁端以下連續(xù)穩(wěn)定基巖厚度不小于5 m。

（3）抗震設(shè)計(jì)中采用性能化設(shè)計(jì)方法，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性階段外，還提出主要構(gòu)件在中震、大震下作用下的性能要求，采用不同分析軟件進(jìn)行了彈性、彈塑性的計(jì)算，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范的有關(guān)要求，各項(xiàng)不規(guī)則程度得到有效控制。除滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，抗震性能目標(biāo)達(dá)到C級(jí)，對(duì)關(guān)鍵和重要構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，結(jié)合各抗震性能水準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)具有良好的耗能機(jī)制和抗震性能。

（4）對(duì)超長(zhǎng)樓蓋溫度應(yīng)力、大跨度樓蓋舒適度進(jìn)行專項(xiàng)分析，且對(duì)屋頂鋼結(jié)構(gòu)天窗、超級(jí)碗結(jié)構(gòu)單體進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)的合理性和安全性，完美實(shí)現(xiàn)建筑功能與效果。