關于結構超限設計的研究
——以南方某商業綜合體為例

劉良賢

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

1 工程概況

本項目坐落在東南沿海城市市中心，具有得天獨厚的區位優勢，它是亞洲最頂尖的商業綜合體，采用復合的結構體系。該工程商業占地總面積接近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 層及以上建筑業態包含星級酒店、總部辦公、精品公寓、研發用房和展覽館等。該工程具有以下特色：①平面較長不設置結構縫。②有3 個功能區在進行屋面設計時必須采用坡屋面。③建筑業態多元化，商業類型分布復雜，對空間使用需求較高。

2 結構布置及特點

針對本項目的實際荷載情況，采用筏形地基，并以強風化巖為基礎，以錨桿為主的抗浮方式。三層以下的樓層布置框架結構，選擇8.4m 柱網，部分空間根據建筑的使用要求調整。負二樓主要為停車場和設備，結合人防工程使用設計450mm 厚的樓板，可滿足空間的凈高要求。由于負一樓具有電影院和商業等多種用途，所以考慮常規的梁板系統。在大廳、劇院等空間抽柱處理，創造寬敞的空間。首層平面與市政公路相鄰，室內外高度差達1m，為確保樓面荷載的高效傳遞，采用了加強邊梁等措施[1]。首層至三層的裙樓包含公交站臺、商業和影院等業態。本項目采用了轉換、大跨度和空腹桁架等不同結構形式，以滿足建筑總體布局的需要。考慮到三層往上的空間被分成5 個部分，故將三層樓板設計為200mm，從而提高抗震能力。A 區的建筑高度為76m，裙樓層數為10 層，坡屋頂設計，采用框架結構形式，既滿足了建筑空間的彈性使用要求，又保證了其扭轉剛度。B 區域采用坡屋頂設計，建筑高度57m，標準層層高4.5m，結構型式為框架結構。C 區域建筑平面不規則，標準層層為高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。室內裝修要求嚴苛，要求立柱的截面尺寸不超過400mm，墻體厚度不超過200mm。D 區域采用坡屋頂設計，建筑高度為61m，標準層層高4.5m，因為立面變化豐富，采用少墻-框架結構，可以有效地降低樓層的剛度突變[2]。

3 結構超限情況及抗震性能目標

依據結構抗震規范要求，對項目進行超限檢查，均為可調整超限項。在前期工作基礎上，通過多遇抗震設計的研究，將該工程設計成D+級，在設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，對重點部位及構件進行加強：①針對關鍵轉換梁柱等關鍵部位，將其抗震性能提升至中震彈性，保證其受力安全。②對重要位置的結構節點，保證結構在地震作用下不會先發生失效，將其抗震性能相應地提高。③在中震作用下，對三層樓板和空腹桁架等重要部位進行加強。

4 結構設計的重難點

4.1 超長結構設計

本項目為超高層建筑，針對其超長跨度且不設置結構縫的特點，進行混凝土變形的總體分析，主要內容有：建筑使用時的設計溫差、建筑施工時的設計溫差和結構應力折減系數等。在進行結構分析、制定合理的結構措施及施工規范的基礎上，在施工圖設計中根據施工方案對整個工程進行全過程的模擬，從而對設計進行修正[3]。

（1）正負零以上高度建筑內壁的應力非常小，而在地下室卻有很高的應力，尤其是在轉角處，但是大多數都低于外墻承載能力的標準值。

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

（3）在地下室，結構的變形因為有限制，所以結構的位移很少，但是在首層和二層的結構架，會產生很大的水平位移。所以，在結構的設計中，要根據結構的受力情況，要綜合考慮熱脹冷縮因素，并根據結構荷載的規定進行合理的組合。

（4）因地下室占地面積大，又有地下室的外墻做限制，容易產生較大的樓面溫度應力，故在樓面上采取了一些加強配筋的方法，以抵抗樓面平面上的非荷作用。首層至三層均需進行加強，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配筋措施。高樓層樓面受力極低，無須再設置溫度設計鋼筋。在選材方面，既要保證混凝土的品質，又要選用收縮率較小的水泥，并加入適當的添加劑。在施工時結合需求設置后澆帶，延遲后澆帶封閉；通過跳倉法來緩解混凝土的收縮變形；在外圍區域內，應采取暫時的保溫措施；對澆筑過程中的溫度進行監控，以保證澆筑完成后澆帶與房間空氣溫度的差異在設計允許范圍，如有必要采取臨時升降溫或保溫等措施。

4.2 大懸挑和轉換大跨結構

大跨度和大懸挑在該項目中應用較多，以商場中庭（圖1）為例，對其進行詳細的分析。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，大跨度達到31m，懸挑達到10m，達到無柱開放式的立體視覺效果。在大跨度懸挑部位設置大跨度主次梁系，借鑒大跨度的空間結構理念，采用連層懸挑式做法。超大跨度型的結構，在滿足功能使用和美觀需求的前提下，有效控制結構構件的變形與開裂是設計的重點。本項目大跨梁的撓度不超過其計算跨度1/400，在重要節點進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。同時借助結構程序對其進行了受力與變形的分析計算，對有關部位進行加強，并盡可能使其成為連續梁，以提高大跨度梁的變形剛度[4]。

圖1 商場中庭

4.3 大跨及懸挑區域樓板舒適度設計

大跨結構中某些樓層的振動周期較長，且有接近行人荷載的頻率。從實際的工程實踐中可以看出，在大跨度情況下，許多大型購物中心的大跨度區域都會發生地板在人群走動時的震動問題，尤其是大跨度的鋼結構建筑，其行人舒適性的評價在高端建筑中尤為重要。在對大跨度和懸挑區樓面舒適性進行研究的基礎上，完善高層建筑樓層的動態行為與步行運動的數值模擬方法，并根據樓層各點的震動加速度值，對高層建筑的舒適性進行評價與優化。對首層進行地震響應的分析，該模式的主要計算內容包括構件的重量及附加的靜荷載。在對首層進行了有限元計算后，發現各樓層的最小振動頻率均大于3Hz 以上，可滿足設計的要求。

4.4 整體坡屋頂專題設計

A、B、D 三個區域的超高層塔樓都采用坡屋面的設計，借助計算軟件對其進行計算與校核，并根據不同的構造特征，給出了合理的抗震加強措施。

（1）通過SATWE 和ETABS 分析地震下結構的變形對比，兩者均具有良好的抗震性能，但在實際工程中，SATWE 中出現了明顯的出入，因此，通過ETABS 對屋面的主要部分進行了數值模擬，得出了該地區的層間位移角能夠滿足設計規范的規定。

（2）利用SATWE 計算坡屋頂的受力特征，發現所得的屋面豎向應力分布規律與ETABS 計算的結果一致，某些部位的受力稍大，而SATWE 則出現了一些不正常的現象。比較而言，采用ETABS 進行整體計算時，得到的計算精度更高，而且能夠反映出更為實際的結構狀態。

（3）坡屋頂的設計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。而在高樓層區域，地震力與層間變形的差異非常微小，根據位移并不能準確地反應其側向剛度。因此，本項目采用ETABS 模型對建筑不同樓層的受力狀態進行靜態計算，發現隨著高度的增加，屋蓋的變形逐漸減小，但沒有出現明顯的突變現象，對地震反應并無顯著的不利作用，故無須進行加強設計。

（4）通過對坡屋頂影響區各樓面層的受力情況進行分析，發現既有樓面在折角和天窗部位均受到著相當大的應力，因此，有必要采用外加的平面內鋼筋來加強。

（5）借助SATWE 與ETABS 兩種軟件計算，研究坡屋頂的受力情況，最終采用坡屋頂抗震加強方法：①確定坡屋頂及下部影響區，對受壓區梁板軸向結構配筋進行相應的加強和合理的設計。②坡屋頂作用區域的結構柱計算跨度不同，與坡屋頂連接的柱按短柱的規定進行構造加強。③對于受力較大的折梁、折板等部位，宜采取加強措施。

4.5 C 區結構轉換體系

（1）因立面變化，且3 層以上樓層有收進和柱網變化，因此在三樓需要設置結構轉換層。

（2）各個單體塔的尺寸都較小，結構荷載小，但尺寸不同，共有28 座小塔，每座小塔都需進行具體的計算與驗證。圖2 為小塔樓俯視圖。

圖2 小塔樓俯視圖

（3）室內設計需要營造寬敞整潔的大空間，因而對墻體厚度、墻體位置和結構梁高等都有較大的限定。

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

結合以上分析，C 區不適合選用框架結構，而應選用剪力墻結構，以提高結構剛度。同時采取以下加強措施：①對轉換層上部和底部的側向剛度進行調整。②為加強整個結構的剛性，采用拉通式結構，將樓板厚度提高到150mm。③由于非規則的豎向剛度在地震作用下是不利的，因此，除了采用構造加強措施，還應考慮到地震作用下的加強措施。

4.6 D 區大跨空腹桁架及吊柱設計施工模擬

D 區域是整個項目的形象展示區域，在首層至四層設置了一個尺度較大的主入口（圖3），也是設計的關鍵點。為配合入口建筑開洞的布置，在此部位的結構布局采取了空腹桁架和吊柱。由于施工會導致結構的內力發生變化，所以，在模擬施工時，應著重考察如下因素：桿件內力受到不同加載順序的影響；在施工中時結構支架對結構的影響；結構荷載對樓面的作用等[5]。在此基礎上，應用MIDAS 軟件做模擬計算。在考慮到主體結構的受力情況及施工進度的情況下，在初步設計階段重點考慮兩個施工方案。

圖3 主入口

（1）A 方案。按照常規施工程序，由下而上，在第三層施工時，首先在安裝臨時支架，然后進行梁板以及吊柱施工。在5 層樓面混凝土梁之間預留后澆節點，當支撐吊柱的梁強度滿足設計要求后，將后澆節點封閉，然后逐級拆除臨時支撐。

（2）B 方案。先空出吊柱區結構，其他區域結構按照下往上進行，在六層結構完成且設計強度達到要求后，進行5 層吊柱和樓面施工，最后進行4 層吊柱及樓面的施工。結合本項目這一部位的結構特點，對這一部位的振動舒適性進行分析，發現這一部位的豎向振動頻率高于3Hz，且最大振動加速度值較小，這表明這一部位的設計能夠滿足減振舒適性的需求。

5 結語

根據本項目復雜的裙房及上部結構特征，工程師對其進行細嚴謹的設計并通過超限評審。結合工程的設計和審查，得出以下3 點結論。

（1）結合混凝土收縮和設計溫差，超長跨度結構的設計需采取合理的構造措施和施工方案，同時加強施工期間的溫度監測。

（2）坡屋頂結構受力復雜，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，并采取適當的抗震措施。

（3）對大懸挑和大跨度的結構形式，其豎向剛度較小，應進行合理的樓面振動設計，保證使用者的舒適度。同時引入整體受力體系，考慮施工對結構受力的影響。