濟南華潤萬象城抗震性能分析與設計

杜 鵬, 楊 壇, 高 斌, 王欲秋

(1 同圓設計集團股份有限公司，濟南 250101；2 濟南市規劃設計研究院，濟南 250101)

1 工程概況及總體設計

濟南華潤中心項目位于山東省濟南市東部新城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(南北高差范圍內的樓層),L1～L5層;結構高度41.2m,主要功能為商業。其中B1層、L1層、L2層局部設置停車夾層。LG層、G層南側設置下沉廣場,北側通過地下車庫及地上過街通道與二期連接。東西兩側室外地面自南至北高差約為11m。

圖1 項目實景圖

萬象城為大型商業建筑,沿主動線設置環形步行街,平面開洞多,樓板不連續;步行街走廊兩側主體結構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層西側設停車夾層,對結構整體剛度影響較大;多部位存在大跨度、大懸挑、連廊、轉換、斜柱等。典型結構平面布置圖見圖2,典型建筑剖面見圖3。

圖3 典型建筑剖面圖

本工程結構設計使用年限為50年;萬象城商業面積超過17 000m2,根據《建筑工程抗震設防分類標準》(GB 50223—2008)[1]第6.0.5條規定,抗震設防類別為重點設防類;結構安全等級為一級。根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)(2016年版)[2](簡稱《抗規》),抗震設防烈度為6度(0.05g),設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》值的1.56倍,依據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質〔2015〕67號)[3]第十二條規定,本工程小震、中震、大震的水平地震影響系數最大值αmax及峰值加速度Amax均按安評報告與《抗規》小震的比值同比放大,放大倍數為1.56倍。地震放大系數、特征周期等參數均按《抗規》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為規范反應譜、安評反應譜以及本工程所采用反應譜對比圖。

圖4 三種反應譜比較

萬象城室外地面南高北低,南北高差約11m,南側室外地面標高接近L1層樓面,北側室外地面標高接近LG層樓面,東西兩側室外地面自南向北逐漸下落。考慮高差與下沉廣場的影響,對南側LG層樓面以上的南北高差范圍內的擋土墻采用了與主體結構脫開剛度的處理方式,使得整體結構能夠以LG層地面作為上部結構嵌固端,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)標高之下整體相連,在嵌固端以上設防震縫脫開。分縫后,萬象城東西方向寬度177.0m,南北方向長度181.50～217.9m。

2 結構體系與抗震性能分析

2.1 結構體系

本工程為重點設防類大型商業建筑,結構體系采用框架-剪力墻結構,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范要求,從而使結構具有雙重抗側力體系。樓蓋體系采用鋼筋混凝土現澆樓蓋。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],根據超限審查意見,關鍵構件的抗震措施提高一級,抗震等級為:剪力墻抗震等級一級,關鍵構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。結構三維模型透視圖見圖5。

圖5 三維模型透視圖

2.2 結構超限情況及抗震性能目標

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

表1 抗震性能目標

2.3 抗震性能分析

2.3.1 阻尼比及周期折減系數

多遇地震計算時,阻尼比取0.05,周期折減系數取0.8,連梁剛度折減系數取0.7;設防地震計算時,阻尼比取0.05,周期折減系數取0.9,連梁剛度折減系數取0.5;罕遇地震計算時,阻尼比取0.07,周期折減系數取1.0,連梁剛度折減系數取0.3。

2.3.2 小震彈性反應譜分析

結構彈性計算分析分別采用盈建科YJK和MIDAS Gen軟件進行。YJK和MIDAS Gen兩個軟件計算的第1階模態與第2階模態均為平動,第一扭轉模態為第3階模態,有效質量系數X、Y向均大于90%,扭轉周期比Tt/T1分別為0.825和0.849,結構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的地震傾覆力矩均不大于總地震傾覆力矩的50%,說明結構能夠有效地形成兩道抗震防線,無軟弱層及薄弱層,結構位移、剪重比等指標均可滿足規范要求。

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條地震波作用下結構基底剪力平均值大于振型分解反應譜法(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《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)[7](簡稱《高規》)第4.3.5條的規定。時程分析法與CQC法的結果對比見表2。結構的地震作用效應取時程分析法計算結果的平均值和CQC法的較大值。

表2 彈性時程分析法與CQC法結果對比

2.3.4 中震作用下構件驗算

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

2.3.5 大震彈塑性分析

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

圖6 X向大震下結構需求譜與能力譜曲線

X、Y兩個方向大震下結構最大層間位移角分別為1/273和1/268,小于《高規》第3.7.5條框架-剪力墻結構彈塑性層間位移角的限值1/100。X、Y兩個方向大震下結構基底剪力分別為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,連梁首先出現塑性鉸,隨著荷載逐步增加,框架梁也出現塑性鉸,加載至大震作用時,除底部加強區個別擋土墻、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塑性鉸。由此可判斷,結構整體損壞輕微,框架-剪力墻結構實現了兩道防線的抗震性能,結構不致發生連續倒塌,抗震性能良好。

3 結構關鍵部位設計

3.1 嵌固端外擋土墻處理

本工程場區地勢南高北低,自南至北高差約11m。結構嵌固端按照北側室外坪最低處統一取在LG層樓面,結構南側有兩層高的擋土墻處于嵌固端以上(剖面關系見圖2)。如采用與主體結構連為一體的常規擋土墻,勢必造成整體結構的扭轉效應過大,需在結構北側補充大量的剪力墻抗扭轉;如采用與主體結構分離的懸臂擋土墻,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:擋土墻與主體結構間設置企口縫斷開,中間填充硬質橡膠,達到與主體結構斷開剛度聯系、但仍以主體結構作為水平支撐的目的。主體結構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勢及特點:1)擋土墻在樓層處側向支撐于主結構,降低了擋土墻本身的截面尺寸和配筋量;2)沿擋土墻長度方向與主體結構通過橡膠層連接,使得擋土墻與主體結構在墻長方向脫開,避免其剛度計入主體結構,引起偏心和扭轉;3)所需的施工工期和施工空間最優。

3.2 中庭與大跨連接部位

商業各層均設置環形步行街走廊,在四個角部位置設置橢圓形中庭,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。大跨連接部位的結構布置原則如下:

(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,其內部盡量采用鋼梁布置,減輕中庭范圍內的結構荷載。

(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)多梁交匯處設置環梁柱帽。

采用鋼梁與混凝土梁混合布置的做法,既能使結構布置靈活,又能達到良好的經濟性,其節點構造也相對簡單。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,避免使樓板產生次內力[12]。典型大跨連接部位的結構布置及柱帽連接節點見圖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 重載區大跨梁布置

圖12 環梁柱帽節點

3.3 大懸挑處理

結構柱布置在步行街走廊內側,走廊結構采用懸挑實現,支撐扶梯處最大懸挑長度約9m。懸挑結構采用如下處理方式:

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

(2)懸挑尺寸6m以內,采用鋼筋混凝土變截面挑梁,減輕結構自重。設備管線集中處采用“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,采用預應力挑梁,示意圖見圖14。

圖14 預應力懸挑梁

(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構自重的減輕控制此種挑梁的結構高度和變形,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)與其至最近豎向構件的距離的比值作為撓度控制值,其值應小于規范規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]。為減小結構重量,在斜柱外側懸挑部位采用了Q390鋼梁,見圖18。主體結構與斜柱相連接的梁內設置型鋼,斜柱產生的拉力全部由型鋼承擔[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層東北角為冰場區域,其屋面為鋼結構屋蓋。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置環形柱帽[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。平面桁架內伸一跨,上下弦桿在內伸段變為型鋼混凝土梁。冰場屋蓋采用雙向三角形空間管桁架(圖21)實現大跨及懸挑。

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 結構超長處理

3.6.1 溫度應力計算原則

本工程結構平面超長,平面尺寸約為210m×180m。溫度計算考慮施工過程的溫度應力[17],參數取值參照《結構設計統一技術措施》[18]規定,計算程序采用MIDAS Gen。后澆帶澆筑時間為兩側主體結構完成后60d。

子結構不考慮溫差影響,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量降溫溫差,與整體溫差疊加。子結構60d混凝土收縮完成量約45%,剩余55%收縮折算為整體結構的當量溫差。整體結構溫差取值±20℃。

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

3.6.2 溫度應力計算結果分析及加強措施

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

圖22 G層Y向溫度應力云圖/MPa

(1)設置樓板通長鋼筋來抵抗溫度應力,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《混凝土結構設計規范》(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,由于溫度應力集中,且大震作用時為薄弱部位,考慮溫度應力及大震受拉最不利組合配筋,框架梁內設置通長筋并加強其腰筋配置。

(3)盡量避免結構斷面突變產生的應力集中。嚴格控制應力集中裂縫,在轉角、洞邊作構造筋加強,轉角處增配斜向鋼筋或網片,在中庭大洞口邊位置設護邊角鋼。

(4)采用混凝土低溫入模,低溫養護,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 樓板地震應力分析

采用PMSAP軟件分析樓板應力[20],多遇地震、設防地震及罕遇地震下樓板應力見圖23～26。

圖23 小震樓板應力/kPa

圖24 中震樓板應力/kPa

多遇地震下,樓板都處于未開裂狀態,樓板主拉應力在1.0MPa以下,小于混凝土抗拉強度標準值2.01MPa,樓板處于彈性狀態。設防地震下,絕大部分樓板都處于未開裂狀態,樓板主拉應力大部分在2.0MPa以下,未超過混凝土抗拉強度標準值2.01MPa。罕遇地震下,大部分樓板處于未開裂狀態,洞口、剪力墻周邊及連接部位出現應力集中,除洞口和剪力墻周邊的個別位置外,連接部位應力大部分在2.5～4.0MPa之間(圖25),此部分樓板結合溫度應力計算結果進行配筋設計,確保樓板整體工作狀態。罕遇地震下,樓板剪應力最大值在2.0MPa以下,出現在剪力墻周邊位置,連接部位的樓板剪應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準值)。罕遇地震下,樓板的整體性較好,連接部位樓板未發生受剪破壞。

圖25 大震樓板應力/kPa

圖26 大震樓板剪應力/kPa

4 結論

(1)本工程屬于復雜超限商業結構,針對結構超限情況及結構設計關鍵部位,選用合適的抗震性能目標,整體性能目標參照C級考慮。

(2)結構采用多種計算程序進行了小震、中震、大震作用下的計算,并補充計算了樓板地震應力、結構超長溫度應力等計算。結果表明結構各項計算指標可以滿足結構設計規范要求及結構抗震性能目標。

(3)在設計過程中,遵循安全、經濟、適用的原則,在滿足建筑功能的前提要求下,對各關鍵部位的解決方案進行了計算比較和選型分析,通過合理的結構布置和既定的抗震性能目標,進行了一系列的計算分析,并采取適當的構造措施,取得了良好的效果。