安徽某商業(yè)綜合體超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃金桂

(中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063)

1 工程概況

本工程位于安徽省阜陽(yáng)市，由公寓樓、酒店、綜合商業(yè)及兩層地下車庫(kù)組成，總建筑面積約26.5萬(wàn)m2。本工程建筑集群體量過(guò)大，與方案及業(yè)主積極溝通后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)建筑使用功能及結(jié)構(gòu)合理性通過(guò)設(shè)置抗震縫將綜合商業(yè)上部劃分為五個(gè)受力簡(jiǎn)單、體量相對(duì)較小、經(jīng)濟(jì)性較佳的結(jié)構(gòu)單體，各單體均嵌固于地下室頂板。綜合商業(yè)地上層數(shù)3層～5層、地下2層，平面尺寸270 m×110 m。綜合商業(yè)中段大屋面標(biāo)高約26.400 m，屬高層建筑，左、右段大屋面標(biāo)高為15.900 m，屬多層建筑。綜合商業(yè)中段為超限高層，按照超限加強(qiáng)措施進(jìn)行加強(qiáng)，見(jiàn)圖1。

圖1 阜陽(yáng)穎州萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)（西南角透視圖）

2 場(chǎng)地條件及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別Ⅲ類，設(shè)計(jì)特征周期0.45 s，抗震設(shè)防分類為乙類，按7度計(jì)算地震作用，按8度采取抗震措施。鋼筋混凝土框架抗震等級(jí)為一級(jí)(中段)、二級(jí)(左、右段、大跨度為一級(jí))。

建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。場(chǎng)地內(nèi)地基土層分布較穩(wěn)定，無(wú)液化土層、不良地質(zhì)作用不發(fā)育，屬對(duì)建筑抗震一般地段。

根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，抗浮工況時(shí)考慮高水位，抗壓工況時(shí)不考慮地下室水浮力作用。

采用樁筏基礎(chǔ)，樁基同時(shí)存在抗拔、抗壓兩種工況，以抗拔控制為主，個(gè)別樁以抗壓控制為主時(shí)考慮承臺(tái)效應(yīng)的復(fù)合基樁豎向承載力特征值，以減少樁個(gè)數(shù)。底板厚為0.6 m，承臺(tái)高1.2 m～1.5 m。樁基采用φ400長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁，樁長(zhǎng)11 m，樁基持力層樁端持力層為第⑤層粉質(zhì)粘土，單樁豎向抗壓/拔承載力設(shè)計(jì)值為700 kN/450 kN。

3 上部結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置及主要特點(diǎn)

本工程平面尺度超長(zhǎng)，對(duì)長(zhǎng)度超長(zhǎng)的單體，設(shè)計(jì)中采取適當(dāng)增加地下室底板、頂板及側(cè)墻的貫通鋼筋，設(shè)置伸縮后澆帶及混凝土中摻加抗裂纖維等措施防止由于混凝土收縮和溫度應(yīng)力造成的建筑開(kāi)裂。

綜合商業(yè)室內(nèi)步行街區(qū)域，各樓層均設(shè)置數(shù)個(gè)中庭(形狀或方或圓)，導(dǎo)致樓板在兩個(gè)水平方向均有比較大的削弱，其中中庭洞口尺寸約為25.5 m×7 m，各中庭之間連通道寬度約為4.0 m。對(duì)連通道及其相關(guān)區(qū)域數(shù)個(gè)樓板設(shè)計(jì)中采取如下加強(qiáng)措施，以提高該薄弱區(qū)域在地震時(shí)的抗裂性能并確保地震時(shí)水平力可靠傳遞:

1)該區(qū)域樓板按“小震不裂、中震不屈服”進(jìn)行設(shè)計(jì)，后續(xù)施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，該區(qū)域樓板加厚至130 mm(由于柱網(wǎng)跨度大，為減輕自重，該區(qū)域板厚不宜過(guò)厚)，并采用雙層雙向配筋，防止地震時(shí)樓板過(guò)早屈服，對(duì)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響;

2)該區(qū)域梁設(shè)計(jì)從構(gòu)造上加強(qiáng)，提高配筋率，以提高梁的抗震及防裂性能，確保結(jié)構(gòu)整體安全;

3)主體結(jié)構(gòu)梁、柱配筋取該連通道樓板是否存在時(shí)計(jì)算配筋包絡(luò)值(即確保在該樓板失效時(shí)主體仍安全)。

綜合商業(yè)左、右中段設(shè)置有數(shù)個(gè)影廳，影廳高度為2層高，影廳觀賞區(qū)跨層設(shè)置導(dǎo)致樓板缺失嚴(yán)重，并形成了單方向穿層柱。同時(shí)影廳觀賞區(qū)處框架柱無(wú)法升至屋面，影廳屋面形成大跨梁。為減輕結(jié)構(gòu)自重，屋面板不宜過(guò)厚，并采取結(jié)構(gòu)找坡。穿層柱僅承載影廳屋面荷載，承受的豎向荷載相對(duì)較小，設(shè)計(jì)時(shí)確保穿層柱有足夠的承載能力，對(duì)穿層柱的計(jì)算長(zhǎng)度逐個(gè)予以核實(shí)。對(duì)柱配筋進(jìn)行復(fù)核，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)位置柱子剪力反算柱彎矩。

綜合商業(yè)中段第四層立面收進(jìn)，單向收進(jìn)約44%。對(duì)收進(jìn)層板厚及板配筋均進(jìn)行加強(qiáng)，收進(jìn)層樓板加厚至140 mm，樓板配筋雙層雙向，每層每方向配筋率不小于0.25%，收進(jìn)部位上下層樓板雙層雙向配筋;收進(jìn)部位上下兩層塔樓周圈框柱抗震等級(jí)提高一級(jí)。其余均按規(guī)范要求采取其他相應(yīng)加強(qiáng)措施。

大商業(yè)中庭區(qū)域及影廳屋面受限于方案特點(diǎn)，無(wú)法設(shè)柱，設(shè)置懸挑梁或大跨梁，懸挑長(zhǎng)度最大為7.66 m，大跨梁最大跨度約為17 m～19 m。對(duì)這些大跨懸挑梁、大跨梁在設(shè)計(jì)過(guò)程中予以特別注意，確保強(qiáng)度、裂縫、撓度滿足規(guī)范要求。確保其有足夠的安全設(shè)防及可靠的承載能力。對(duì)于大跨梁處樓蓋，進(jìn)行豎向自振頻率及豎向振動(dòng)加速度值驗(yàn)算，以滿足人行走時(shí)的舒適度要求。

室內(nèi)步行街中庭屋面層設(shè)置有貫通的玻璃頂采光帶或采光頂，此部分均采用鋼結(jié)構(gòu)形式，屋頂鋼構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮屋面支撐結(jié)構(gòu)位移對(duì)其內(nèi)力產(chǎn)生的影響及在既定支座約束條件時(shí)屋蓋結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的相互作用。

鐵鍋易生銹，并且它在生銹過(guò)程中會(huì)釋放對(duì)人體有害的物質(zhì)。炒菜長(zhǎng)時(shí)間放在鍋里，會(huì)導(dǎo)致這些有害物質(zhì)進(jìn)入食物，成為身體健康的一大隱患。

3.2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算及分析

工程整體計(jì)算采用PKPM系列軟件SATWE，為了對(duì)結(jié)構(gòu)整體及關(guān)鍵構(gòu)件做更清晰的分析，建立了多種計(jì)算模型進(jìn)行分析比較。同時(shí)用MIDAS進(jìn)行核算、對(duì)比。

SATWE與MIDAS兩個(gè)軟件的主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。由表中數(shù)據(jù)可以看出，兩種程序計(jì)算結(jié)果差異不大，結(jié)構(gòu)在多遇地震情況下各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范的要求。

表1 兩種程序周期、位移對(duì)比

力學(xué)模型的計(jì)算程序計(jì)算結(jié)果比較接近。計(jì)算結(jié)果在數(shù)值上雖然有一定的差異，但差異均在工程上可接受的范圍內(nèi)。驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)分析的正確性和可靠性。第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比最大為0.751 2(SATWE)，小于規(guī)范限值0.85;考慮5%偶然偏心時(shí)X方向結(jié)構(gòu)位移比最大為1.38，Y方向結(jié)構(gòu)位移比最大為1.32;同時(shí)，剪重比、地震及風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角、框架柱及剪力墻的軸壓比等均滿足規(guī)范要求。

超限高層建筑的抗震設(shè)計(jì)，往往需要采用動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。通過(guò)輸入地震波進(jìn)行動(dòng)力分析可以達(dá)到以下目的:發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，以便事先予以加強(qiáng);能更合理地使用材料，對(duì)反應(yīng)以較確切地估計(jì)地震過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生震害的形態(tài)和部位，及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

地震波時(shí)程特性與CQC對(duì)比如表2所示，時(shí)程法結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計(jì)算結(jié)果與CQC結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 地震波時(shí)程特性與CQC對(duì)比

表3 時(shí)程法結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計(jì)算結(jié)果與CQC結(jié)果對(duì)比

從表2，表3中可以看出，每條地震波的X，Y兩個(gè)方向的基底剪力均不小于反應(yīng)譜法求得的基底剪力的65%，三條地震波的平均基底剪力不小于反應(yīng)譜法求得的基底剪力的80%，因而計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)譜法的結(jié)果在統(tǒng)計(jì)意義上相符。時(shí)程分析的X，Y最大樓層位移和最大層間位移角均小于反應(yīng)譜法的結(jié)果，故采用結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)較大的反應(yīng)譜法作為設(shè)計(jì)依據(jù)是合理的。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震性能化分析

結(jié)構(gòu)整體抗震性能目標(biāo)設(shè)為D級(jí)。

中震:按第4性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行彈塑性計(jì)算分析，在設(shè)計(jì)烈度或預(yù)估的罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力應(yīng)符合下式的規(guī)定:

水平長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件正截面承載力尚應(yīng)符合下式的規(guī)定:

部分豎向構(gòu)件及大部分耗能構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，但鋼筋混凝土豎向構(gòu)件的受剪截面應(yīng)符合下式規(guī)定:

在預(yù)估的罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)薄弱部位的層間位移角應(yīng)不小于1/50的規(guī)定。

大震:按第5性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行彈塑性計(jì)算分析，在預(yù)估的罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力宜符合規(guī)定。

較多的豎向構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，但同一樓層的豎向構(gòu)件不宜全部屈服;豎向構(gòu)件的受剪截面應(yīng)符合規(guī)定。

允許部分耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞，結(jié)構(gòu)薄弱部位的層間位移角應(yīng)不小于1/50的規(guī)定。

本工程關(guān)鍵構(gòu)件為重要的框架柱、梁:大跨梁、大跨懸挑梁的支撐柱，普通豎向構(gòu)件指關(guān)鍵構(gòu)件以外的豎向構(gòu)件，耗能構(gòu)件指框架梁等。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

4 結(jié)語(yǔ)

受限于方案特點(diǎn)，本工程為超限高層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中對(duì)相關(guān)薄弱部位和關(guān)鍵構(gòu)件，采取相應(yīng)的計(jì)算分析和加強(qiáng)措施，使得整體結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，主要的技術(shù)指標(biāo)均能夠滿足規(guī)范要求。在各個(gè)地震水準(zhǔn)下構(gòu)件的承載能力、變形和構(gòu)造措施均能滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。

［1］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.