關(guān)于結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)的研究
——以南方某商業(yè)綜合體為例

劉良賢

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

1 工程概況

本項(xiàng)目坐落在東南沿海城市市中心，具有得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢，它是亞洲最頂尖的商業(yè)綜合體，采用復(fù)合的結(jié)構(gòu)體系。該工程商業(yè)占地總面積接近30 萬m2，裙樓建筑面積為86400m2，其中包括3 層地下車庫和3層高檔商場。3 層及以上建筑業(yè)態(tài)包含星級酒店、總部辦公、精品公寓、研發(fā)用房和展覽館等。該工程具有以下特色：①平面較長不設(shè)置結(jié)構(gòu)縫。②有3 個(gè)功能區(qū)在進(jìn)行屋面設(shè)計(jì)時(shí)必須采用坡屋面。③建筑業(yè)態(tài)多元化，商業(yè)類型分布復(fù)雜，對空間使用需求較高。

2 結(jié)構(gòu)布置及特點(diǎn)

針對本項(xiàng)目的實(shí)際荷載情況，采用筏形地基，并以強(qiáng)風(fēng)化巖為基礎(chǔ)，以錨桿為主的抗浮方式。三層以下的樓層布置框架結(jié)構(gòu)，選擇8.4m 柱網(wǎng)，部分空間根據(jù)建筑的使用要求調(diào)整。負(fù)二樓主要為停車場和設(shè)備，結(jié)合人防工程使用設(shè)計(jì)450mm 厚的樓板，可滿足空間的凈高要求。由于負(fù)一樓具有電影院和商業(yè)等多種用途，所以考慮常規(guī)的梁板系統(tǒng)。在大廳、劇院等空間抽柱處理，創(chuàng)造寬敞的空間。首層平面與市政公路相鄰，室內(nèi)外高度差達(dá)1m，為確保樓面荷載的高效傳遞，采用了加強(qiáng)邊梁等措施[1]。首層至三層的裙樓包含公交站臺、商業(yè)和影院等業(yè)態(tài)。本項(xiàng)目采用了轉(zhuǎn)換、大跨度和空腹桁架等不同結(jié)構(gòu)形式，以滿足建筑總體布局的需要?？紤]到三層往上的空間被分成5 個(gè)部分，故將三層樓板設(shè)計(jì)為200mm，從而提高抗震能力。A 區(qū)的建筑高度為76m，裙樓層數(shù)為10 層，坡屋頂設(shè)計(jì)，采用框架結(jié)構(gòu)形式，既滿足了建筑空間的彈性使用要求，又保證了其扭轉(zhuǎn)剛度。B 區(qū)域采用坡屋頂設(shè)計(jì)，建筑高度57m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5m，結(jié)構(gòu)型式為框架結(jié)構(gòu)。C 區(qū)域建筑平面不規(guī)則，標(biāo)準(zhǔn)層層為高4.5m，建筑高度為38m，整體高度較矮，但是形體變化豐富，空間層次感強(qiáng)。室內(nèi)裝修要求嚴(yán)苛，要求立柱的截面尺寸不超過400mm，墻體厚度不超過200mm。D 區(qū)域采用坡屋頂設(shè)計(jì)，建筑高度為61m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5m，因?yàn)榱⒚孀兓S富，采用少墻-框架結(jié)構(gòu)，可以有效地降低樓層的剛度突變[2]。

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

依據(jù)結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范要求，對項(xiàng)目進(jìn)行超限檢查，均為可調(diào)整超限項(xiàng)。在前期工作基礎(chǔ)上，通過多遇抗震設(shè)計(jì)的研究，將該工程設(shè)計(jì)成D+級，在設(shè)防烈度中震作用下的抗震能力等級為4，按照“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則，對重點(diǎn)部位及構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)：①針對關(guān)鍵轉(zhuǎn)換梁柱等關(guān)鍵部位，將其抗震性能提升至中震彈性，保證其受力安全。②對重要位置的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)在地震作用下不會(huì)先發(fā)生失效，將其抗震性能相應(yīng)地提高。③在中震作用下，對三層樓板和空腹桁架等重要部位進(jìn)行加強(qiáng)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)

4.1 超長結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目為超高層建筑，針對其超長跨度且不設(shè)置結(jié)構(gòu)縫的特點(diǎn)，進(jìn)行混凝土變形的總體分析，主要內(nèi)容有：建筑使用時(shí)的設(shè)計(jì)溫差、建筑施工時(shí)的設(shè)計(jì)溫差和結(jié)構(gòu)應(yīng)力折減系數(shù)等。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、制定合理的結(jié)構(gòu)措施及施工規(guī)范的基礎(chǔ)上，在施工圖設(shè)計(jì)中根據(jù)施工方案對整個(gè)工程進(jìn)行全過程的模擬，從而對設(shè)計(jì)進(jìn)行修正[3]。

（1）正負(fù)零以上高度建筑內(nèi)壁的應(yīng)力非常小，而在地下室卻有很高的應(yīng)力，尤其是在轉(zhuǎn)角處，但是大多數(shù)都低于外墻承載能力的標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）在地下室中，以負(fù)2 層樓板應(yīng)力為最小，而首層樓板應(yīng)力為最大。地面以上，樓面的受力從上往下有升高趨勢，而在開洞樓層，則出現(xiàn)了明顯的突變現(xiàn)象。盡管3 層樓板為一個(gè)超長的板面，但其應(yīng)力較小。

（3）在地下室，結(jié)構(gòu)的變形因?yàn)橛邢拗?，所以結(jié)構(gòu)的位移很少，但是在首層和二層的結(jié)構(gòu)架，會(huì)產(chǎn)生很大的水平位移。所以，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況，要綜合考慮熱脹冷縮因素，并根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載的規(guī)定進(jìn)行合理的組合。

（4）因地下室占地面積大，又有地下室的外墻做限制，容易產(chǎn)生較大的樓面溫度應(yīng)力，故在樓面上采取了一些加強(qiáng)配筋的方法，以抵抗樓面平面上的非荷作用。首層至三層均需進(jìn)行加強(qiáng)，其中需確保樓板雙向配筋，并在樓板開洞易受力部位采取加強(qiáng)配筋措施。高樓層樓面受力極低，無須再設(shè)置溫度設(shè)計(jì)鋼筋。在選材方面，既要保證混凝土的品質(zhì)，又要選用收縮率較小的水泥，并加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?。在施工時(shí)結(jié)合需求設(shè)置后澆帶，延遲后澆帶封閉；通過跳倉法來緩解混凝土的收縮變形；在外圍區(qū)域內(nèi)，應(yīng)采取暫時(shí)的保溫措施；對澆筑過程中的溫度進(jìn)行監(jiān)控，以保證澆筑完成后澆帶與房間空氣溫度的差異在設(shè)計(jì)允許范圍，如有必要采取臨時(shí)升降溫或保溫等措施。

4.2 大懸挑和轉(zhuǎn)換大跨結(jié)構(gòu)

大跨度和大懸挑在該項(xiàng)目中應(yīng)用較多，以商場中庭（圖1）為例，對其進(jìn)行詳細(xì)的分析。首層至三層的裙樓購物中庭，通過懸挑和大跨勁性梁的形式，大跨度達(dá)到31m，懸挑達(dá)到10m，達(dá)到無柱開放式的立體視覺效果。在大跨度懸挑部位設(shè)置大跨度主次梁系，借鑒大跨度的空間結(jié)構(gòu)理念，采用連層懸挑式做法。超大跨度型的結(jié)構(gòu)，在滿足功能使用和美觀需求的前提下，有效控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形與開裂是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本項(xiàng)目大跨梁的撓度不超過其計(jì)算跨度1/400，在重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承載力及抗震措施分析。對20m 以上的大跨度梁，選用了C45 等級的混凝土。同時(shí)借助結(jié)構(gòu)程序?qū)ζ溥M(jìn)行了受力與變形的分析計(jì)算，對有關(guān)部位進(jìn)行加強(qiáng)，并盡可能使其成為連續(xù)梁，以提高大跨度梁的變形剛度[4]。

圖1 商場中庭

4.3 大跨及懸挑區(qū)域樓板舒適度設(shè)計(jì)

大跨結(jié)構(gòu)中某些樓層的振動(dòng)周期較長，且有接近行人荷載的頻率。從實(shí)際的工程實(shí)踐中可以看出，在大跨度情況下，許多大型購物中心的大跨度區(qū)域都會(huì)發(fā)生地板在人群走動(dòng)時(shí)的震動(dòng)問題，尤其是大跨度的鋼結(jié)構(gòu)建筑，其行人舒適性的評價(jià)在高端建筑中尤為重要。在對大跨度和懸挑區(qū)樓面舒適性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，完善高層建筑樓層的動(dòng)態(tài)行為與步行運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬方法，并根據(jù)樓層各點(diǎn)的震動(dòng)加速度值，對高層建筑的舒適性進(jìn)行評價(jià)與優(yōu)化。對首層進(jìn)行地震響應(yīng)的分析，該模式的主要計(jì)算內(nèi)容包括構(gòu)件的重量及附加的靜荷載。在對首層進(jìn)行了有限元計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)各樓層的最小振動(dòng)頻率均大于3Hz 以上，可滿足設(shè)計(jì)的要求。

4.4 整體坡屋頂專題設(shè)計(jì)

A、B、D 三個(gè)區(qū)域的超高層塔樓都采用坡屋面的設(shè)計(jì)，借助計(jì)算軟件對其進(jìn)行計(jì)算與校核，并根據(jù)不同的構(gòu)造特征，給出了合理的抗震加強(qiáng)措施。

（1）通過SATWE 和ETABS 分析地震下結(jié)構(gòu)的變形對比，兩者均具有良好的抗震性能，但在實(shí)際工程中，SATWE 中出現(xiàn)了明顯的出入，因此，通過ETABS 對屋面的主要部分進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了該地區(qū)的層間位移角能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定。

（2）利用SATWE 計(jì)算坡屋頂?shù)氖芰μ卣?，發(fā)現(xiàn)所得的屋面豎向應(yīng)力分布規(guī)律與ETABS 計(jì)算的結(jié)果一致，某些部位的受力稍大，而SATWE 則出現(xiàn)了一些不正常的現(xiàn)象。比較而言，采用ETABS 進(jìn)行整體計(jì)算時(shí)，得到的計(jì)算精度更高，而且能夠反映出更為實(shí)際的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

（3）坡屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)使每一樓層的剛性與重量都從底部向頂部遞減，從而對地震荷載引起的位移都有很大的影響。而在高樓層區(qū)域，地震力與層間變形的差異非常微小，根據(jù)位移并不能準(zhǔn)確地反應(yīng)其側(cè)向剛度。因此，本項(xiàng)目采用ETABS 模型對建筑不同樓層的受力狀態(tài)進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加，屋蓋的變形逐漸減小，但沒有出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象，對地震反應(yīng)并無顯著的不利作用，故無須進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

（4）通過對坡屋頂影響區(qū)各樓面層的受力情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)既有樓面在折角和天窗部位均受到著相當(dāng)大的應(yīng)力，因此，有必要采用外加的平面內(nèi)鋼筋來加強(qiáng)。

（5）借助SATWE 與ETABS 兩種軟件計(jì)算，研究坡屋頂?shù)氖芰η闆r，最終采用坡屋頂抗震加強(qiáng)方法：①確定坡屋頂及下部影響區(qū)，對受壓區(qū)梁板軸向結(jié)構(gòu)配筋進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)和合理的設(shè)計(jì)。②坡屋頂作用區(qū)域的結(jié)構(gòu)柱計(jì)算跨度不同，與坡屋頂連接的柱按短柱的規(guī)定進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)。③對于受力較大的折梁、折板等部位，宜采取加強(qiáng)措施。

4.5 C 區(qū)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系

（1）因立面變化，且3 層以上樓層有收進(jìn)和柱網(wǎng)變化，因此在三樓需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。

（2）各個(gè)單體塔的尺寸都較小，結(jié)構(gòu)荷載小，但尺寸不同，共有28 座小塔，每座小塔都需進(jìn)行具體的計(jì)算與驗(yàn)證。圖2 為小塔樓俯視圖。

圖2 小塔樓俯視圖

（3）室內(nèi)設(shè)計(jì)需要營造寬敞整潔的大空間，因而對墻體厚度、墻體位置和結(jié)構(gòu)梁高等都有較大的限定。

（4）C 區(qū)部分樓層的立面因采用不同的處理方式，造成外側(cè)輪廓處側(cè)柱有偏心，因此，在變化處做搭接處理，并采用增設(shè)的壓桿來抵消其偏心彎矩。

結(jié)合以上分析，C 區(qū)不適合選用框架結(jié)構(gòu)，而應(yīng)選用剪力墻結(jié)構(gòu)，以提高結(jié)構(gòu)剛度。同時(shí)采取以下加強(qiáng)措施：①對轉(zhuǎn)換層上部和底部的側(cè)向剛度進(jìn)行調(diào)整。②為加強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛性，采用拉通式結(jié)構(gòu)，將樓板厚度提高到150mm。③由于非規(guī)則的豎向剛度在地震作用下是不利的，因此，除了采用構(gòu)造加強(qiáng)措施，還應(yīng)考慮到地震作用下的加強(qiáng)措施。

4.6 D 區(qū)大跨空腹桁架及吊柱設(shè)計(jì)施工模擬

D 區(qū)域是整個(gè)項(xiàng)目的形象展示區(qū)域，在首層至四層設(shè)置了一個(gè)尺度較大的主入口（圖3），也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。為配合入口建筑開洞的布置，在此部位的結(jié)構(gòu)布局采取了空腹桁架和吊柱。由于施工會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)生變化，所以，在模擬施工時(shí)，應(yīng)著重考察如下因素：桿件內(nèi)力受到不同加載順序的影響；在施工中時(shí)結(jié)構(gòu)支架對結(jié)構(gòu)的影響；結(jié)構(gòu)荷載對樓面的作用等[5]。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用MIDAS 軟件做模擬計(jì)算。在考慮到主體結(jié)構(gòu)的受力情況及施工進(jìn)度的情況下，在初步設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考慮兩個(gè)施工方案。

圖3 主入口

（1）A 方案。按照常規(guī)施工程序，由下而上，在第三層施工時(shí)，首先在安裝臨時(shí)支架，然后進(jìn)行梁板以及吊柱施工。在5 層樓面混凝土梁之間預(yù)留后澆節(jié)點(diǎn)，當(dāng)支撐吊柱的梁強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后，將后澆節(jié)點(diǎn)封閉，然后逐級拆除臨時(shí)支撐。

（2）B 方案。先空出吊柱區(qū)結(jié)構(gòu)，其他區(qū)域結(jié)構(gòu)按照下往上進(jìn)行，在六層結(jié)構(gòu)完成且設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到要求后，進(jìn)行5 層吊柱和樓面施工，最后進(jìn)行4 層吊柱及樓面的施工。結(jié)合本項(xiàng)目這一部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對這一部位的振動(dòng)舒適性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這一部位的豎向振動(dòng)頻率高于3Hz，且最大振動(dòng)加速度值較小，這表明這一部位的設(shè)計(jì)能夠滿足減振舒適性的需求。

5 結(jié)語

根據(jù)本項(xiàng)目復(fù)雜的裙房及上部結(jié)構(gòu)特征，工程師對其進(jìn)行細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)并通過超限評審。結(jié)合工程的設(shè)計(jì)和審查，得出以下3 點(diǎn)結(jié)論。

（1）結(jié)合混凝土收縮和設(shè)計(jì)溫差，超長跨度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需采取合理的構(gòu)造措施和施工方案，同時(shí)加強(qiáng)施工期間的溫度監(jiān)測。

（2）坡屋頂結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，需要借助有限元空間建模，才能更好地反映其受力及變形情況，并采取適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?/p>

（3）對大懸挑和大跨度的結(jié)構(gòu)形式，其豎向剛度較小，應(yīng)進(jìn)行合理的樓面振動(dòng)設(shè)計(jì)，保證使用者的舒適度。同時(shí)引入整體受力體系，考慮施工對結(jié)構(gòu)受力的影響。