濟(jì)南華潤萬象城抗震性能分析與設(shè)計

杜 鵬, 楊 壇, 高 斌, 王欲秋

(1 同圓設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，濟(jì)南 250101；2 濟(jì)南市規(guī)劃設(shè)計研究院，濟(jì)南 250101)

1 工程概況及總體設(shè)計

濟(jì)南華潤中心項目位于山東省濟(jì)南市東部新城CBD的核心位置,毗鄰山東省博物館、奧體中心。由華潤大廈、SOHO辦公樓及萬象城組成,總建筑面積52.6萬m2,項目已竣工,實景見圖1。萬象城地下兩層(B2、B1層);地上7層,自下而上分別為LG、G層(南北高差范圍內(nèi)的樓層),L1～L5層;結(jié)構(gòu)高度41.2m,主要功能為商業(yè)。其中B1層、L1層、L2層局部設(shè)置停車夾層。LG層、G層南側(cè)設(shè)置下沉廣場,北側(cè)通過地下車庫及地上過街通道與二期連接。東西兩側(cè)室外地面自南至北高差約為11m。

圖1 項目實景圖

萬象城為大型商業(yè)建筑,沿主動線設(shè)置環(huán)形步行街,平面開洞多,樓板不連續(xù);步行街走廊兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)之間的連接多為大跨度連廊且連接寬度較小,連接部位薄弱;L1、L2層西側(cè)設(shè)停車夾層,對結(jié)構(gòu)整體剛度影響較大;多部位存在大跨度、大懸挑、連廊、轉(zhuǎn)換、斜柱等。典型結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2,典型建筑剖面見圖3。

圖3 典型建筑剖面圖

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年;萬象城商業(yè)面積超過17 000m2,根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008)[1]第6.0.5條規(guī)定,抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類;結(jié)構(gòu)安全等級為一級。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[2](簡稱《抗規(guī)》),抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g),設(shè)計地震分組為第三組;建筑場地類別Ⅱ類,特征周期為0.45s。安評報告提供的小震加速度峰值約為《抗規(guī)》值的1.56倍,依據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(建質(zhì)〔2015〕67號)[3]第十二條規(guī)定,本工程小震、中震、大震的水平地震影響系數(shù)最大值αmax及峰值加速度Amax均按安評報告與《抗規(guī)》小震的比值同比放大,放大倍數(shù)為1.56倍。地震放大系數(shù)、特征周期等參數(shù)均按《抗規(guī)》取值。最終本工程小震、中震、大震αmax取值分別為0.063、0.187、0.436。圖4為規(guī)范反應(yīng)譜、安評反應(yīng)譜以及本工程所采用反應(yīng)譜對比圖。

圖4 三種反應(yīng)譜比較

萬象城室外地面南高北低,南北高差約11m,南側(cè)室外地面標(biāo)高接近L1層樓面,北側(cè)室外地面標(biāo)高接近LG層樓面,東西兩側(cè)室外地面自南向北逐漸下落?？紤]高差與下沉廣場的影響,對南側(cè)LG層樓面以上的南北高差范圍內(nèi)的擋土墻采用了與主體結(jié)構(gòu)脫開剛度的處理方式,使得整體結(jié)構(gòu)能夠以LG層地面作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端,嵌固端示意見圖3。

萬象城與華潤大廈、SOHO辦公樓在嵌固端(LG層樓面)標(biāo)高之下整體相連,在嵌固端以上設(shè)防震縫脫開。分縫后,萬象城東西方向?qū)挾?77.0m,南北方向長度181.50～217.9m。

2 結(jié)構(gòu)體系與抗震性能分析

2.1 結(jié)構(gòu)體系

本工程為重點設(shè)防類大型商業(yè)建筑,結(jié)構(gòu)體系采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu),框架部分承受的地震傾覆力矩和分配的地震剪力均能滿足規(guī)范要求,從而使結(jié)構(gòu)具有雙重抗側(cè)力體系。樓蓋體系采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓蓋。中庭大跨度梁采用鋼梁,托柱重荷載梁及部分承托扶梯的大懸挑梁采用型鋼混凝土梁,其支撐柱、斜柱等采用型鋼混凝土柱和鋼管混凝土柱。停車夾層采用無梁樓蓋。本工程安全等級為一級[4],根據(jù)超限審查意見,關(guān)鍵構(gòu)件的抗震措施提高一級,抗震等級為:剪力墻抗震等級一級,關(guān)鍵構(gòu)件框架抗震等級二級,其余框架抗震等級三級。剪力墻厚度400～300mm;普通混凝土柱采用邊長1 000～800mm(自下而上)方柱,型鋼混凝土柱采用邊長1 000～900mm(自下而上)方柱;普通樓面梁截面尺寸主要為400×700、300×600,大跨度鋼梁截面H850×350×16×25～H1 100×500×25×40;連廊樓板厚度150mm。柱墻混凝土強度等級自下而上為C50～C30,梁板采用C30;受力鋼筋采用HRB400,型鋼強度等級Q355～Q390。結(jié)構(gòu)三維模型透視圖見圖5。

圖5 三維模型透視圖

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

依據(jù)《抗規(guī)》及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(建質(zhì)〔2015〕67號),本項目主要有三項一般不規(guī)則項[5-6],無嚴(yán)重不規(guī)則項。三項一般不規(guī)則項如下:1)規(guī)定水平力作用下扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2;2)L5層樓板南北向有效寬度為41%,超出規(guī)范限值50%的要求;3)L1、L2層局部有停車夾層;部分構(gòu)件轉(zhuǎn)換,東南角入口處采用3層高的斜柱懸挑結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)按照C級采用[7],具體見表1。

表1 抗震性能目標(biāo)

2.3 抗震性能分析

2.3.1 阻尼比及周期折減系數(shù)

多遇地震計算時,阻尼比取0.05,周期折減系數(shù)取0.8,連梁剛度折減系數(shù)取0.7;設(shè)防地震計算時,阻尼比取0.05,周期折減系數(shù)取0.9,連梁剛度折減系數(shù)取0.5;罕遇地震計算時,阻尼比取0.07,周期折減系數(shù)取1.0,連梁剛度折減系數(shù)取0.3。

2.3.2 小震彈性反應(yīng)譜分析

結(jié)構(gòu)彈性計算分析分別采用盈建科YJK和MIDAS Gen軟件進(jìn)行。YJK和MIDAS Gen兩個軟件計算的第1階模態(tài)與第2階模態(tài)均為平動,第一扭轉(zhuǎn)模態(tài)為第3階模態(tài),有效質(zhì)量系數(shù)X、Y向均大于90%,扭轉(zhuǎn)周期比Tt/T1分別為0.825和0.849,結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭剛度。兩種程序計算的樓層剪力分布情況較為接近,X、Y兩個方向底部框架承擔(dān)的地震傾覆力矩均不大于總地震傾覆力矩的50%,說明結(jié)構(gòu)能夠有效地形成兩道抗震防線,無軟弱層及薄弱層,結(jié)構(gòu)位移、剪重比等指標(biāo)均可滿足規(guī)范要求。

2.3.3 小震彈性時程分析

小震彈性時程分析地震波選用5條天然波和2條人工波,計算程序采用YJK。7條地震波作用下結(jié)構(gòu)基底剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)的80%,各條波分別作用下的基底剪力值大于CQC法的65%,滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[7](簡稱《高規(guī)》)第4.3.5條的規(guī)定。時程分析法與CQC法的結(jié)果對比見表2。結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)取時程分析法計算結(jié)果的平均值和CQC法的較大值。

表2 彈性時程分析法與CQC法結(jié)果對比

2.3.4 中震作用下構(gòu)件驗算

中震計算時,水平地震影響系數(shù)最大值按安評報告與《抗規(guī)》的比值進(jìn)行等比例放大,取0.187。在中震彈性、中震不屈服驗算時,通過調(diào)整構(gòu)件的配筋設(shè)計,使所有構(gòu)件均滿足設(shè)定的性能目標(biāo)[8]。在進(jìn)行相關(guān)構(gòu)件復(fù)核時,為考慮樓板退化后的樓面梁內(nèi)力可能增大的情況,在關(guān)鍵樓層(樓面開大洞的樓層、屋面等)刪除樓板進(jìn)行計算,按照考慮和不考慮樓板作用兩者的不利情況進(jìn)行構(gòu)件復(fù)核[3]。施工圖設(shè)計時按照中震計算以及小震彈性考慮裂縫的計算結(jié)果包絡(luò)設(shè)計各構(gòu)件的配筋。

2.3.5 大震彈塑性分析

本工程采用PKPM中的PUSH軟件進(jìn)行大震靜力彈塑性分析。圖6、7分別為大震推覆分析的結(jié)構(gòu)需求譜與能力譜曲線、塑性鉸分布。

圖6 X向大震下結(jié)構(gòu)需求譜與能力譜曲線

X、Y兩個方向大震下結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1/273和1/268,小于《高規(guī)》第3.7.5條框架-剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角的限值1/100。X、Y兩個方向大震下結(jié)構(gòu)基底剪力分別為299 964kN和293 671kN,分別為多遇地震作用下基底剪力的4.6倍和4.7倍[9]。

在逐步加載過程中,連梁首先出現(xiàn)塑性鉸,隨著荷載逐步增加,框架梁也出現(xiàn)塑性鉸,加載至大震作用時,除底部加強區(qū)個別擋土墻、個別剪力墻小墻垛屈服外,其余剪力墻均未屈服,框架柱也基本未出現(xiàn)塑性鉸。由此可判斷,結(jié)構(gòu)整體損壞輕微,框架-剪力墻結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了兩道防線的抗震性能,結(jié)構(gòu)不致發(fā)生連續(xù)倒塌,抗震性能良好。

3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位設(shè)計

3.1 嵌固端外擋土墻處理

本工程場區(qū)地勢南高北低,自南至北高差約11m。結(jié)構(gòu)嵌固端按照北側(cè)室外坪最低處統(tǒng)一取在LG層樓面,結(jié)構(gòu)南側(cè)有兩層高的擋土墻處于嵌固端以上(剖面關(guān)系見圖2)。如采用與主體結(jié)構(gòu)連為一體的常規(guī)擋土墻,勢必造成整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大,需在結(jié)構(gòu)北側(cè)補充大量的剪力墻抗扭轉(zhuǎn);如采用與主體結(jié)構(gòu)分離的懸臂擋土墻,則11m高的懸臂擋土墻厚度和配筋都非常大,變形也難以控制。

本工程采用了依附式擋土墻的處理方式[10],即:擋土墻與主體結(jié)構(gòu)間設(shè)置企口縫斷開,中間填充硬質(zhì)橡膠,達(dá)到與主體結(jié)構(gòu)斷開剛度聯(lián)系、但仍以主體結(jié)構(gòu)作為水平支撐的目的。主體結(jié)構(gòu)計算時考慮擋土墻傳來的土壓力。依附式擋土墻做法如圖8所示。

圖8 依附式擋土墻做法

依附式擋墻有如下優(yōu)勢及特點:1)擋土墻在樓層處側(cè)向支撐于主結(jié)構(gòu),降低了擋土墻本身的截面尺寸和配筋量;2)沿?fù)跬翂﹂L度方向與主體結(jié)構(gòu)通過橡膠層連接,使得擋土墻與主體結(jié)構(gòu)在墻長方向脫開,避免其剛度計入主體結(jié)構(gòu),引起偏心和扭轉(zhuǎn);3)所需的施工工期和施工空間最優(yōu)。

3.2 中庭與大跨連接部位

商業(yè)各層均設(shè)置環(huán)形步行街走廊,在四個角部位置設(shè)置橢圓形中庭,跨越步行街的連廊及中庭部位為大跨度連接部位,跨度范圍約18～28m。大跨連接部位的結(jié)構(gòu)布置原則如下:

(1)跨度小于20m處,采用普通鋼筋混凝土梁處理。大跨梁設(shè)置延伸跨,平衡大跨跨中彎矩,減小跨中配筋及撓度。

(2)跨度大于20m處,采用鋼梁,鋼梁兩端鉸接或剛接于框架柱或框架梁。

(3)中庭周邊框架梁加強其截面及抗扭性能,其內(nèi)部盡量采用鋼梁布置,減輕中庭范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)荷載。

(4)支承重荷載次梁的大跨主梁或托柱主梁采用型鋼混凝土梁[11]。

(5)多梁交匯處設(shè)置環(huán)梁柱帽。

采用鋼梁與混凝土梁混合布置的做法,既能使結(jié)構(gòu)布置靈活,又能達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)性,其節(jié)點構(gòu)造也相對簡單。對于鋼梁與混凝土梁相鄰處,通過撓度計算及起拱措施,控制其變形差異,避免使樓板產(chǎn)生次內(nèi)力[12]。典型大跨連接部位的結(jié)構(gòu)布置及柱帽連接節(jié)點見圖9～12。

圖9 大跨混凝土梁布置

圖10 中庭大跨鋼梁和混凝土梁混合布置

圖11 重載區(qū)大跨梁布置

圖12 環(huán)梁柱帽節(jié)點

3.3 大懸挑處理

結(jié)構(gòu)柱布置在步行街走廊內(nèi)側(cè),走廊結(jié)構(gòu)采用懸挑實現(xiàn),支撐扶梯處最大懸挑長度約9m。懸挑結(jié)構(gòu)采用如下處理方式:

(1)邊梁內(nèi)退0.8m,外側(cè)采用挑板處理,相比于邊梁貼洞邊設(shè)置,可降低懸挑梁彎矩約5%～8%。

(2)懸挑尺寸6m以內(nèi),采用鋼筋混凝土變截面挑梁,減輕結(jié)構(gòu)自重。設(shè)備管線集中處采用“刀把梁”處理(圖13),提升空間凈高。

圖13 “刀把梁”懸挑

(3)懸挑長度大于6.0m的非重載挑梁,采用預(yù)應(yīng)力挑梁,示意圖見圖14。

圖14 預(yù)應(yīng)力懸挑梁

(4)懸挑長度8～9m且支撐扶梯的重載挑梁采用兩級懸挑:一級懸挑梁采用型鋼混凝土梁,外側(cè)的二級懸挑以鋼梁挑出。通過型鋼混凝土的高承載力、彎矩的二次分配及結(jié)構(gòu)自重的減輕控制此種挑梁的結(jié)構(gòu)高度和變形,具體做法示意圖見圖15。

圖15 重載兩級懸挑梁的做法示意圖

(5)挑梁端頭的撓度控制原則:以懸挑的最遠(yuǎn)點作為計算點來計算撓度,以計算點的絕對豎向位移(考慮長期剛度)與其至最近豎向構(gòu)件的距離的比值作為撓度控制值,其值應(yīng)小于規(guī)范規(guī)定的懸挑梁撓度的限值。

3.4 東南主入口處理

東南主入口處在L5層及屋面懸挑尺寸均較大,最大懸挑尺寸近15m。本工程對于此部位進(jìn)行了多種方案比選,最終采用了斜柱+懸挑的方案,見圖16、17。斜柱采用鋼管混凝土柱[13]。為減小結(jié)構(gòu)重量,在斜柱外側(cè)懸挑部位采用了Q390鋼梁,見圖18。主體結(jié)構(gòu)與斜柱相連接的梁內(nèi)設(shè)置型鋼,斜柱產(chǎn)生的拉力全部由型鋼承擔(dān)[14]。

圖16 東南入口空間模型

圖17 東南入口L5層懸挑布置

圖18 東南入口實景圖

3.5 東北角冰場部位處理

建筑L4層?xùn)|北角為冰場區(qū)域,其屋面為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。冰場跨度27.5m,最大懸挑長度約為12m。冰場支撐柱采用8個圓鋼管混凝土疊合柱[15],疊合柱與其周邊梁交接處設(shè)置環(huán)形柱帽[15-16]。樓蓋采用大跨鋼梁(懸挑支撐梁為鋼箱梁),樓蓋大懸挑處在L3、L4層間采用交叉支撐平面桁架懸挑(圖19、20),在滿足冰場重載的前提下控制懸挑撓度。平面桁架內(nèi)伸一跨,上下弦桿在內(nèi)伸段變?yōu)樾弯摶炷亮?。冰場屋蓋采用雙向三角形空間管桁架(圖21)實現(xiàn)大跨及懸挑。

圖19 冰場樓面懸挑桁架模型

圖20 冰場樓面懸挑桁架布置

圖21 冰場屋面空間管桁架

3.6 結(jié)構(gòu)超長處理

3.6.1 溫度應(yīng)力計算原則

本工程結(jié)構(gòu)平面超長,平面尺寸約為210m×180m。溫度計算考慮施工過程的溫度應(yīng)力[17],參數(shù)取值參照《結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)措施》[18]規(guī)定,計算程序采用MIDAS Gen。后澆帶澆筑時間為兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)完成后60d。

子結(jié)構(gòu)不考慮溫差影響,只考慮混凝土的收縮;后澆帶澆筑合攏形成整體后,混凝土剩余收縮折算成當(dāng)量降溫溫差,與整體溫差疊加。子結(jié)構(gòu)60d混凝土收縮完成量約45%,剩余55%收縮折算為整體結(jié)構(gòu)的當(dāng)量溫差。整體結(jié)構(gòu)溫差取值±20℃。

溫度應(yīng)力計算時,考慮鋼筋混凝土的徐變應(yīng)力松弛及裂縫引起的彈性剛度折減,徐變系數(shù)取為0.3,剛度折減系數(shù)取為0.85,均以計算溫差的折減來體現(xiàn)。

3.6.2 溫度應(yīng)力計算結(jié)果分析及加強措施

溫度應(yīng)力計算結(jié)果表明,溫度應(yīng)力呈現(xiàn)中間大、兩端小(圖22);下部樓層大、上部樓層小的分布狀態(tài);表明G層兩側(cè)南北向擋土墻對樓蓋有較強約束作用,形成應(yīng)力集中;最大溫度應(yīng)力約為3.5MPa。根據(jù)溫度計算結(jié)果,本工程采取的應(yīng)對措施如下:

圖22 G層Y向溫度應(yīng)力云圖/MPa

(1)設(shè)置樓板通長鋼筋來抵抗溫度應(yīng)力,樓板溫度通長筋配筋與樓板豎向受力鋼筋疊加配置,配筋量滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[19]0.3mm裂縫寬度的要求。

(2)對于連接部位的樓板,由于溫度應(yīng)力集中,且大震作用時為薄弱部位,考慮溫度應(yīng)力及大震受拉最不利組合配筋,框架梁內(nèi)設(shè)置通長筋并加強其腰筋配置。

(3)盡量避免結(jié)構(gòu)斷面突變產(chǎn)生的應(yīng)力集中。嚴(yán)格控制應(yīng)力集中裂縫,在轉(zhuǎn)角、洞邊作構(gòu)造筋加強,轉(zhuǎn)角處增配斜向鋼筋或網(wǎng)片,在中庭大洞口邊位置設(shè)護(hù)邊角鋼。

(4)采用混凝土低溫入模,低溫養(yǎng)護(hù),使混凝土終凝溫度盡量降低,減少水化熱和混凝土收縮。

3.7 樓板地震應(yīng)力分析

采用PMSAP軟件分析樓板應(yīng)力[20],多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震下樓板應(yīng)力見圖23～26。

圖23 小震樓板應(yīng)力/kPa

圖24 中震樓板應(yīng)力/kPa

多遇地震下,樓板都處于未開裂狀態(tài),樓板主拉應(yīng)力在1.0MPa以下,小于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.01MPa,樓板處于彈性狀態(tài)。設(shè)防地震下,絕大部分樓板都處于未開裂狀態(tài),樓板主拉應(yīng)力大部分在2.0MPa以下,未超過混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.01MPa。罕遇地震下,大部分樓板處于未開裂狀態(tài),洞口、剪力墻周邊及連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中,除洞口和剪力墻周邊的個別位置外,連接部位應(yīng)力大部分在2.5～4.0MPa之間(圖25),此部分樓板結(jié)合溫度應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計,確保樓板整體工作狀態(tài)。罕遇地震下,樓板剪應(yīng)力最大值在2.0MPa以下,出現(xiàn)在剪力墻周邊位置,連接部位的樓板剪應(yīng)力均未超過樓板的抗剪能力0.15fck(fck為混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值)。罕遇地震下,樓板的整體性較好,連接部位樓板未發(fā)生受剪破壞。

圖25 大震樓板應(yīng)力/kPa

圖26 大震樓板剪應(yīng)力/kPa

4 結(jié)論

(1)本工程屬于復(fù)雜超限商業(yè)結(jié)構(gòu),針對結(jié)構(gòu)超限情況及結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵部位,選用合適的抗震性能目標(biāo),整體性能目標(biāo)參照C級考慮。

(2)結(jié)構(gòu)采用多種計算程序進(jìn)行了小震、中震、大震作用下的計算,并補充計算了樓板地震應(yīng)力、結(jié)構(gòu)超長溫度應(yīng)力等計算。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)各項計算指標(biāo)可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求及結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)。

(3)在設(shè)計過程中,遵循安全、經(jīng)濟(jì)、適用的原則,在滿足建筑功能的前提要求下,對各關(guān)鍵部位的解決方案進(jìn)行了計算比較和選型分析,通過合理的結(jié)構(gòu)布置和既定的抗震性能目標(biāo),進(jìn)行了一系列的計算分析,并采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施,取得了良好的效果。