某商業綜合體項目產品特點分析與加強措施

郟建磊， 陳 柯, 張 兵

(基準方中建筑設計股份有限公司， 四川成都 610000)

目前的商業綜合體項目中，如城市中常見萬達廣場、龍湖天街、吾悅廣場及大悅城系列等 ，商業開發模式、業態形式等可能有所不同，但作為城市購物、娛樂、體驗場景的主要聚集場所，都具有一些共性的產品特點，比如為了更大無遮擋空間，為了更炫酷的外形需要而設計的大跨度框架、大懸挑平臺，為了顧客更好視角、更舒適的購物體驗而全樓通高設置的中庭大開洞，以及為了更大、更高的IMAX影廳而形成的穿層柱、大跨度屋面以及局部轉換等，面對上述產品特點，如何解決大跨度框架、大懸挑樓板的舒適度問題，如何保證因平面多處開洞形成的薄弱樓板連接能夠有效工作，如何解決超長結構的溫度應力可能造成的樓板開裂，如何對屋面大跨度影廳進行結構加強，以及如何解決高烈度區大商業的剛度偏弱和位移比較大而導致的超限問題，都值得我們去進行研究，并采取合適的加強措施來保證重點類設防的大商業安全高效運營，本文將通過一個典型的商業綜合體案例對上述問題一一進行分析，并提供合理有效的加強措施。

1 工程概況

本項目位于四川省某城市中心區域，商業綜合體建筑面積約10萬m2，地下2層，地上6層，局部因影院設計為7層，房屋高度為36.9 m(圖1)。上部結構采用鋼筋混凝土框架結構。基礎形式為機械旋挖樁基承臺+防水板，局部采用天然基礎，樁端持力層為中風化砂質泥巖，天然基礎地基持力層為強風化砂質泥巖及以上(圖2)。根據GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震設計規范》 及 GB 50153-2008《建筑工程抗震設防分類標準》[1]，本工程地震動參數等信息(表1)，根據DB51/T5058《四川省抗震設防超限高層建筑工程界定標準》[2]、建質【2015】67號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[3]，本工程結構存在樓板不連續及其他不規則(局部穿層柱、局部轉換)等2項不規則，屬于一般不規則高層建筑。

表1 地震動參數

圖1 項目總圖

圖2 結構典型平面

2 大跨度、大懸挑樓板舒適度分析

根據GB50010-2010(2015年版)《混凝土結構設計規范》3.4.6條，樓蓋結構應該具有適宜的舒適度，豎向自振頻率大跨度公共建筑不宜低于3 Hz的要求[4]。首先通過YJK軟件計算得到豎向振動頻率，如圖3、表2所示,可以看出各樓層第一～第三豎向振動頻率均滿足規范要求，限于篇幅，僅給出各樓層第一振型及部分樓層豎向振動加速度，如圖4、圖5所示，參考JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》3.7.7條，本工程對樓蓋中最不利位置(頻率小于及接近3 Hz的部位)的峰值加速度進行進一步分析及控制。

圖3 樓板及設備振動-荷載時程類型

表2 各樓層第一～三豎向振動頻率

圖4 4層第一豎向振型

圖5 影廳夾層第一豎向振型

采用YJK選取最不利位置(即結構剛度較小的位置，也就是撓度較大處)進行豎向振動加速度分析。參考JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》附錄A.0.1，樓蓋結構豎向振動加速度宜采用時程分析方法計算[5]。通過人群行走步行荷載進行時程分析以求得樓蓋的豎向振動加速度，采用連續步行工況，如圖6所示。

圖6 連續步行工況

圖7～圖9分別列出了4層、大屋面層、影廳夾層最不利位置對應加速度峰值點的時程曲線。從圖中可以看出，4層最大峰值加速度為0.082 m/s2，屋面層最大峰值加速度為0.076 m/s2，影廳夾層最大峰值加速度為0.058 m/s2，樓蓋豎向振動加速度峰值滿足高規限值0.15 m/s2的要求。

圖7 4層板面加速度峰值點時程曲線

圖8 大屋面加速度峰值點時程曲線

圖9 影廳夾層加速度峰值點時程曲線

若驗算發現樓板舒適度不滿足規范要求，可采取措施進行解決：

(1)調整建筑功能，使得振源遠離結構敏感區域。

(2)改變結構形式：包括改變梁柱布置、增加梁截面，加厚樓板等，對于懸挑結構，可通過增設斜向支撐或拉桿解決。

(3)附加調諧質量阻尼器(TMD)。

3 薄弱連接的樓板專項分析

3.1 樓板連接薄弱處隔離體驗算

結合本工程實際情況，本工程與中庭流線開洞，被分為2個塊體，加之中庭開洞導致結構連接薄弱，為了確保中庭上下、區域協調工作，截取結構平面的上半區(圖10)，作為“隔離體”，計算上半區在中震下的樓板地震作用力，中庭連廊區域展開樓板承擔全部作用力，復核中震作用下，樓板抗拉、抗剪等效應力均小于混凝土抗拉強度標準值。

圖10 平面結構布置圖截取示意

IBC 2003《美國建筑規范》第1620.4.3款，ASCE 7-02《美國建筑設計荷載規范》第9.5.2.6.4.4款，對判別為平面凹凸不規則，樓板不連續不規則結構，專門提出了地震作用下樓板剪力的計算公式見式(1)：

式中：Fpx為地震作用下x層樓板受到平面內剪力；Fi為i層受到的水平地震作用；Wi為i層質量；Wpx為x層質量。

由彈性樓板在中震作用下的應力分析結果，可得：

地上第5層結構質量為W5=27364.6×103kg;

因此，中震作用下，地上第5層樓板受到總剪力為：

=24694.07 kN

依據《復雜高層建筑結構設計》[6]第202～203頁所述，當弱連系樓板兩翼主體質量不等時，可將總水平地震作用按各翼質量比例進行分配，取小值。

則對于本工程中震作用下，5層樓板在薄弱部位受到剪力約為地上5樓板受到總剪力的0.5倍：

27364.6×103=12347.035 kN

即在中震作用下，第5層連接薄弱處樓板按隔離體的等效應力小于ftk(C30混凝土ftk=2.01 MPa)，故中庭樓板連接可靠，經驗算第2～4層連接薄弱處樓板均滿足要求。

3.2 樓板連接薄弱處構造加強措施

針對中庭連廊連接薄弱的情況，根據規范有關要求，為了保證上半區和下半區樓板在中震作用下傳力可靠，采取措施：

(1)連廊處縱向受力鋼筋不得采用綁扎連接，應采用焊接連接或機械連接。

(2)連廊處的縱向鋼筋按抗震錨固長度的要求錨入兩側，連接處梁、板內的鋼筋均應滿足抗震鋼筋的性能高要求。

(3)連廊處的梁內鋼筋通長設置，并兩側設置通長抗扭鋼筋，通長鋼筋在梁端的錨固要求同梁主筋，抗扭鋼筋應滿足構造要求。

(4)連板板厚應加強到150 mm以上，對于連接比較薄弱的部位，施工圖階段根據計算需要適當增加板厚，配筋應雙層雙向配置，在連板端部的同連板寬度范圍內的鋼筋間距適當加密，以增強連板的抗剪能力。

4 超長結構溫度應力分析

4.1 規范要求及項目概況

根據JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.4.12條規定，框架結構伸縮縫最大間距為5 m。

本項目平面尺寸約為208 m×103 m，且不設伸縮縫，橫向及縱向寬度均超過規范要求較多，有必要進行結構的溫度應力分析，以選擇適宜的構造措施。

4.2 溫度作用工況分析

根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》9.3.1條以及附錄E，參考某市地區基本氣溫Ts,max=35 ℃，Ts,min=2 ℃。

假定后澆帶合攏時的溫度為：15 ℃

升溫工況：ΔTk=Ts,max-T0,min=35-15=20℃

降溫工況：ΔTk=Ts,min-T0,max=2-15=-13℃

考慮混凝土收縮當量ΔTs=16 ℃，徐變應力松弛折減系數近似取為0.3，混凝土結構開裂后剛度折減取為0.85，則升溫按(20-16)×0.3×0.85=1.02 ℃，降溫按-(16+13)×0.3×0.85=-7.4 ℃考慮。(注：混凝土收縮的計算方法目前常用的有：①王鐵夢方法[7]；②美國ACI委員會方法(ACI209-82)；③中國建筑科學院方法；④Trost方法。由于規范未給出明確的計算方法，具體結構設計時需根據實際情況選用，本文選用ACI方法，假定90天后封閉后澆帶，混凝土大約可以完成60%的自由變形)。

溫度作用不與地震作用同時組合，但溫度作用與恒載、活載、風荷載同時作用。

4.3 溫度應力計算

本工程采用YJK(2.0.3)計算得到各層樓板在升溫工況及降溫工況作用下的面內應力。

樓板主要基本信息為：樓板混凝土強度為C30；1層板厚為180 mm(人防區最小板厚250 mm)，其余樓層除連橋外均為100 mm，連橋及影廳間連接板均為150 mm，大屋面板厚120 mm。經計算，升溫工況與降溫工況對構件產生的拉壓效應相反，拉壓應力在數值上基本相當，故以下分析結果僅示出降溫工況。分析結果如圖11、圖12所示(篇幅受限只提供部分樓層)。

圖11 降溫工況4層X向樓板應力云圖

圖12 降溫工況大屋面Y向樓板應力云圖

經分析，結論有：

(1)樓板：1層樓板X向溫度應力在0.7～1.6 MPa之間，Y向溫度應力在0.8～1.9 MPa之間；2層樓板X向溫度應力在0.2～1.8 MPa之間，Y向溫度應力在0.2～1.2 MPa之間；其余層樓板X向溫度應力在0.2～0.8 MPa之間，Y向溫度應力在0.1～0.3 MPa之間；大部分樓板在溫度作用下的應力水平不超過樓板混凝土軸心抗拉強度標準值，溫度作用對樓板影響較小，樓板承載力可不考慮溫度作用。

(2)梁柱：溫度作用下，水平構件和豎向構件會產生一定的彎矩和軸力，但溫度作用與地震作用不同時參與組合，最終承載力由地震設計工況控制，梁柱承載力不考慮溫度作用。

4.4 加強措施

以上分析結果表明，在升溫工況和降溫工況下，大部分樓層樓板最大主拉應力均小于混凝土的抗拉強度標準值(C30抗拉強度標準值2.01 MPa)，僅在洞口角點及平面轉角處因存在應力集中，應力相對較大。

針對樓板溫度應力分析結果，采取以下措施應對溫度應力對結構的影響：

(1)1層非人防區最小板厚取為180 mm，采用雙層雙向配筋，配筋率大于0.25%。

(2)將本工程中庭連接處樓板加厚至150 mm，雙層雙向配筋，配筋值不小于φ10@150 mm。

(3)大屋面處最小板厚取為120 mm，雙層雙向配筋，配筋不小于(φ10+φ12)@200 mm。

(4)大商業長邊方向兩端梁柱加強措施：梁內鋼筋通長設置，并兩側設置通長抗扭鋼筋，通長鋼筋在梁端的錨固要求同梁主筋；柱配筋放大1.1倍。

5 屋面大跨影廳及加強措施

本工程中大屋面板面以上設有大跨屋面影廳，該部分的重點問題有：①穿層柱；②大跨框架屋面(超18 m)；③大跨屋頂柱有局部為轉換柱；④大屋面到小屋面有局部體型收進。

根據軟件分析及工程經驗，針對上述情況的加強措施有：

(1)針對穿層柱，采用特征值屈曲分析復核計算長度系數；穿層柱滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服驗算要求；采用穿層柱周圍柱剪力的最大值進行計算復核；箍筋全高加密。

(2)針對大跨度框架(超18 m，除本層外，1～6F均采用該加強措施)，采用框架抗震等級提高到特一級；大跨框架滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服驗算要求；驗算豎向地震作用。

(3)針對大跨屋面柱為被轉換柱的情況，下部轉換梁采用框架抗震等級提高到特一級，轉換次梁按照框架梁全部加密和加強；下部轉換梁滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服驗算要求；下部轉換梁驗算豎向地震作用。

(4)針對大屋面到小屋面有局部體型收進，大屋面收進位置的樓板設置為130 mm、雙層雙向配筋，收進位置柱上下層箍筋全高加密。

(5)影廳屋面弱連接樓板相關范圍內樓板厚度加厚至150 mm，采用雙層雙向配筋，配筋不小于φ10@150 mm。

5.1 穿層柱屈曲分析及加強措施

本工程分別在屋面影廳(大屋面以上)存在11根穿層柱，限于篇幅，下列僅對其典型且最不利框柱進行分析闡述。由于躍層柱缺乏中間樓板的側向支撐，有必要對其實際計算長度及臨界承載力進行分析，穿層柱編號如圖13所示。

圖13 穿層柱編號

KZ6、KZ7柱最大無支撐長度為14.55 m，KZ8、KZ9柱最大無支撐長度為10.25 m，均為鋼筋混凝土柱，其中KZ6、KZ7截面尺寸均為700 mm×700 mm，KZ8、KZ9截面尺寸均為600 mm×600 mm。采用YJK軟件進行屈曲穩定分析，在結構整體模型中考慮柱的彈性約束，得到真實的約束條件。在躍層柱上施加軸線方向上的力，進行屈曲分析后得到柱的屈曲模態以及屈曲荷載系數，即可求得柱的屈曲臨界荷載Pcr。將Pcr與中震下的柱軸力設計值Fex進行對比，若Pcr>Fex，則柱子不會出現失穩破壞(安全)。

按照前述方法，對此7根柱分別進行屈曲分析，計算所得的計算長度系數見表3。

從表3中結果可以看出，臨界力遠大于中震作用下柱軸力設計值，計算長度系數小于施工圖設計時所選用的計算長度系數1.25，穿層柱不會發生屈曲失穩，構件的力學特性在常規范圍內。

表3 穿層柱計算長度系數

加強措施：穿層柱按小震彈性，中震抗剪彈性，抗彎不屈服包絡設計。柱子全高加密，采用周邊柱剪力的最大值對躍層柱子進行復核配筋。

6 屈曲約束支撐的應用

本工程地處7度抗震設防區，由于平面尺寸較大且柱網分布不均勻，造成其側向剛度較弱，考慮偶然偏心下的扭轉位移比大于1.4，考慮到本工程已存在樓板不連續和局部轉換及躍層柱的2項不規則，根據DB 51/T5058《四川省抗震設防超限高層建筑工程界定標準》的相關規定[2]，屬于3項不規則，3項不規則高層建筑需要進行超限審查，考慮到本項目復雜程度不高，且業主時間要求緊張，需避免超限審查環節，故需要消除1項不規則，三者比較看，消除扭轉位移比影響相對較小，故結構方案定案時決定往提升整體結構剛度，將扭轉位移比降到1.4以下的方案進行。

目前提升結構剛度的方法主要有局部增設剪力墻、設置屈曲約束支撐等方案，局部增設剪力墻可以提升結構整體剛度，也能夠控制扭轉位移比到1.4以內，但考慮到本項目屬于重點類設防建筑，存在較多的不規則及特殊做法，對關鍵構件如墻柱等需進行性能化設計，增加的剪力墻在地震作用下吸收的地震剪力過大，中大震下抗震性能較差且不可逆，故予以排除。

屈曲約束支撐(Buckling-restrained Brace，簡稱BRB)既解決了普通鋼支撐的失穩破壞問題，又能保持桿件在受拉和受壓時候工作機制一致。屈曲約束支撐耗能能力強，對主體結構安全起到了很強的保護作用。

本項目在地上5層平面的3個角部位置設置了3道BRB(樓梯間側墻處)，經分析后數據見表4。

表4 屈曲約束支撐小中震應力比及軸力

由這些數據可以看出，小震設計和中震彈性下，屈曲約束支撐均未發生屈曲，應力比均小于1.0，軸力未超過預設的屈服力2 700 kN的限值。因此屈曲約束支撐在小震和中震下均處于彈性工作狀態。大震情況下，屈曲約束支撐能正常工作，未發生受拉破壞。

BRB相連框架為關鍵構件，在小、中、大震下，均能達到預設的性能目標。

7 結論

本文通過對商業綜合體項目的共性特點進行了系統的總結，結合實際工程案例逐一進行了分析，內容涉及大跨度、大懸挑樓板的舒適度，因中庭大開洞造成的樓板薄弱連接部位的抗剪、抗拉承載力，超長結構的溫度應力，屋面大跨度影廳造成的大跨度、穿層柱和局部轉換以及屈曲約束支撐的運用等，并提出了相應的解決辦法和加強措施。