淺析超長大跨度商業綜合體結構設計難點

陳偉力

(廈門合道工程設計集團有限公司 福建廈門 361000)

引 言

隨著我國經濟發展，大型商業綜合體建設量也越來越多，既有萬達廣場、華潤萬象城等，在全國各地擴張，也有建發、新景地等廈門本地企業的商業綜合體建設。由于建筑功能要求，這些大型商業綜合體一般具有建筑長度較長、內部大開洞造成連接薄弱、連廊及影廳跨度較大、局部位置大懸挑等共同特點，如何合理進行結構設計，值得我們探討。本文以建發海西首座E36地塊的商業購物中心進行相關問題討論。

1 工程概況

海西首座E36地塊項目位于廈門市新開發區－五緣灣片區，金山路西側，云頂北路東側，五緣灣道南北側。整個工程項目由一棟酒店及其配套裙樓，兩棟辦公樓，一棟辦公(整售)以及商業購物中心組成，計容建筑面積176320m2。項目定位為一個集高端酒店，辦公以及中高檔家庭型購物中心的海西標桿綜合體建筑。其中商業購物中心，半地下建筑面積 14810m2，地上建筑面積15900m2。地下2層，地下二層、一層層高分別為3.6m、5.1m;半地下室1層，層高6.3m;地上3層，一～三層層高分別為6.0m、5.2m、5.2m(局部影院處11～15m);結構總高度為22.85m。建筑長度約為248m，寬度約為120～70m。(圖1)為整個項目的效果圖。(圖2)為購物中心的剖面圖。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

2 結構體系

商業購物中心上部結構單體，為鋼筋混凝土框架結構。由于建筑功能需要，建筑內部樓板大開洞，南北區域僅通過連廊連接，聯系薄弱。結構設計可設縫分為多個結構單體，或不設縫為超長結構單體，兩者的比較見(表1)。

表1 設縫與不設縫結構比較

從(表1)可見，設縫與不設縫均有缺點，但單體結構深凹口的解決需要調整建筑平面，為滿足建筑功能要求，最終按主體結構不設縫進行設計，最大長度達248m，在結構設計中采取措施解決超長、弱連接等不利因素。(圖3)為商業購物中心的結構平面圖。本工程于2013年1月6日在廈門召開了專家論證會，同意結構不分縫，按超長單體進行設計，但應采取相應措施。

圖3 結構平面圖

3 相關問題討論

3.1 結構單體超長

根據《混凝土結構設計規范》GB50010－2010[1]第8.1.1條，現澆框架結構伸縮縫最大間距為55m，商業購物中心長度達到248m(半地下室最大長度約為260m)，遠遠超過規范限值。針對結構單體超長，采取的措施為:

(1)計算分析及構造

超長結構在溫度變化、混凝土收縮、徐變作用下對結構的影響是必須考慮的。結構設計中，如果不采取有效的抗裂及裂縫控制措施，樓(屋)面會出現大面積開裂，嚴重影響建筑物使用，有時甚至造成部分結構構件的損傷。因此，進行超長結構在溫度變化、混凝土的收縮和徐變作用下的應力分析，是超長結構設計的核心問題之一。

結構超長引起溫度作用，分為應力和變形兩大問題。其中變形裂縫是我們最為關注的。溫度作用的主要荷載組合如下:

應力控制的主要組合:

①1.2SG+1.4SQ±0.6*1.4ST

②1.2SG±1.4ST+0.7*1.4SQ

③1.2SG±1.4ST+0.5*1.4SQ(活載有利時)

裂縫控制的主要組合:

①1.0SG+1.0SQ±0.6ST

②1.0SG±1.0ST+0.7SQ

③1.0SG±1.0ST+0.5SQ(活載有利時)

采用三維空間分析程序PMSAP，計算溫度作用，根據《建筑結構荷載規范》GB5009－2012[2]，廈門市基本氣溫最高35°，最低5°，溫度作用計算時，結構初始平均溫度取值為:T0，min=10℃;T0，max=20℃，結構均勻溫度作用可按升溫25℃、降溫15℃考慮。施工時要控制后澆帶澆筑合攏時的溫度，盡量減小合攏溫度與低溫時的溫差，溫度控制在10℃ ～20℃之間。

對于梁的配筋，采用PMSAP計算結果及不考慮溫度作用時SATWE計算結果的包絡值

板筋為正常使用下的板筋面積與溫度作用下的附加板筋面積疊加后配置。溫度工況下的樓板應力見“溫度單工況下的等值線圖”(圖4、圖5)，升溫時大部分區域為壓應力，降溫時大部分區域為拉應力。溫度拉應力最大為結構3層(建筑1層)的X向，一般達到1000～1500kN/m2。以上樓層逐層降低，同樓層Y向小于X向。

圖4 第3層溫度單工況下的X向正應力等值線圖

圖5 第3層溫度單工況下的Y向正應力等值線圖

假定溫度應力為1000kN/m2，若不考慮混凝土的抗拉強度，僅由板筋承擔，每米寬度內折算為板筋為333mm2，即跨中板面配置的通長鋼筋不小于333 mm2;支座及板底跨中處，考慮溫度作用的組合系數0.6后為200mm2，正常使用下的板筋面積與溫度作用下的附加板筋面積(200mm2)疊加后配置，支座處實際配置為通長鋼筋+附加筋。在樓板平面頸部、洞邊、凹角部位會存在應力較大的情況，增加板厚，加大通長鋼筋。

屋面層板厚加大為150，雙層雙向配筋率不小于0.3%。樓(屋)面每隔50m左右，設置一道溫度后澆帶，釋放施工階段的大部分溫度應力。

(2)施工要求

要求施工單位在施工過程作好超長結構的施工方案(特別是混凝土的配合比方案、混凝土澆筑溫控方案，養護方案需有專項設計)，并需邀請相關方面專家進行論證，獲得通過后方可施工。施工過程應嚴格執行論證通過的方案。

超長結構的溫度變化和混凝土收縮對結構的影響不可忽略，因此，有必要對超長結構采取一定的技術措施，以減小或避免這些因素對結構的不利影響。現在一般采取的技術措施有以下幾種:采用低水化熱水泥;嚴格控制原材料質量;混凝土(梁、板)采用摻合材料，達到減少水泥用量;嚴格控制入模溫度、水化熱溫升;板中埋設的設備管應采用鋼管;砼澆筑前應對模板進行澆水，充分潤濕，振搗時間適當加長，增加砼密實度;施工過程中及施工后應采取可靠措施加以養護;采用二次壓光;嚴格限制停工暴露時間等。

溫控措施有:應采取有效技術監測措施控制由于水泥水化熱引起的溫度應力、混凝土內外溫差、速度及干燥收縮等因素造成的混凝土開裂，施工前應作出完善的施工組織設計降溫(含合理選擇混凝土配合比，選用水化熱低的水泥，摻入適量的粉煤灰或少量礦粉和外加劑，控制水泥用量和膠凝材料總量，采取現代信息化施工，做好溫控方案等)。

施工及使用過程中的維護措施有:1)主體結構施工完畢后，應加強保養及維護(如防止結構直接處于日光暴曬、氣溫驟降、積水結冰等惡劣環境中)。2)露天梁、板混凝土達到設計強度的75%，應立即按建施圖要求施工防水層。3)使用過程中，未使用房間在高溫夏季，應經常進行通風換氣，不得長期密閉，以確保結構的正常使用。

3.2 內部連接薄弱

建筑內部樓板大開洞，南北區域僅通過連廊連接，聯系薄弱。為了解在地震作用下，特別是罕遇地震作用下的工作性能，采用PAMSP程序對平面大開洞的連廊樓板進行小震、中震和大震下的應力分析(圖6、圖7)，最大拉應力結果見(表2)。

表2 連廊最大拉應力(MPa)

分析結果表明，連廊樓板弱連接處存在應力集中情況，但并不嚴重。這是由于連廊兩側剛度差異不大，連廊承擔兩側框架變形協調的任務并不重。針對內部連接薄弱，采取的措施為:采用符合樓板平面內實際剛度變化的計算模型，連廊周邊設置彈性板。對于起到連接作用的走廊等薄弱部位，加厚樓板，采用雙層雙向通長鋼筋，并結合PMSAP樓板應力計算結果適當提高樓板配筋率。在連廊凹角處設置的弧形挑板也有利于緩解應力集中情況。

圖6 中震(X向)作用下第4層樓板面內X向正應力等值線圖

圖7 中震(Y向)作用下第4層樓板面內Y向正應力等值線圖

3.3 大跨度長懸挑

3.3.1 局部存在大跨度

南北連廊處均為大跨度，最大跨度達到33.2m;IMAX影廳屋蓋短向跨度達到25.8m。可選的結構方案有預應力砼梁、勁性梁、純鋼梁。前兩種方案，結構自重較大，故不建議采用。針對局部存在大跨度，采取的措施為:采用變截面工字鋼梁。

1)與之連接為鋼筋混凝土梁時，內設短鋼骨與大跨度鋼梁鉸接，若梁內剪力較大時，設計為型鋼混凝土梁，與大跨度鋼梁鉸接。鋼筋混凝土梁內設置(短)鋼梁，提高節點錨固的可靠性。典型連接節點見(圖8)。

圖8 大跨度鋼梁與型鋼砼梁簡支連接

2)與之連接為鋼筋混凝土柱時，梁柱節點處設置短型鋼，與大跨度鋼梁鉸接。若為剛接，由于相鄰跨跨度較小，連接框架柱不平衡彎矩大，柱配筋大，甚至需設計為型鋼混凝土柱，加大用鋼量及施工難度;且支座彎矩大，不應在減小型鋼梁截面，會影響建筑凈高，故不采用。與大跨度鋼梁順延的鋼筋混凝土梁內設置一段短鋼梁，提高節點錨固的可靠性。大跨度鋼梁鉸接節點實際上也會存在一小部分彎矩，考慮由柱平衡，經復核，柱實配鋼筋可滿足。典型連接節點見(圖9)。

圖9 大跨度鋼梁與普通鋼筋砼柱簡支連接

3.3.2 局部存在長懸挑:樓層一般走廊懸挑長度達到5.7m;屋面局部最大懸挑長度達到10.4m，且在端部設置鋼立柱支承屋蓋結構。針對局部存在長懸挑，采取的措施為:

樓層一般走廊懸挑長度達到5.7m，盡量采用普通鋼筋混凝土懸挑梁;個別位置荷載較大，如懸挑梁端部還搭接扶梯，可采用型鋼混凝土梁;左邊中庭大開洞周邊的懸挑梁長度更大，局部也有搭接扶梯，屋面局部最大懸挑長度達到10.4m，且在端部設置鋼立柱支承屋蓋結構，均采用工字鋼(或變截面工字鋼)懸挑梁。與框架柱剛接，且型鋼延伸入相鄰跨內約一跨長度。連接的框架柱內均設置整層高度的鋼骨，提高節點錨固的可靠性。典型連接節點見(圖10)。

圖10 大懸挑鋼梁與柱剛性連接

3.4 豎向地震作用

根據《抗震規范》GB50011－2010[3]，大跨度結構和長懸臂結構應進行豎向地震驗算，豎向地震取為重力荷載代表值的0.08進行組合。大跨度連廊和長懸挑內走廊的梁(包括砼梁、勁性梁、純鋼梁)及周邊的豎向構件均驗算豎向地震組合工況下的配筋。

3.5 舒適度分析

樓蓋結構應具有適當的舒適度，對大跨度連廊進行舒適度驗算。截取大跨度位置的鋼梁結構，采用SATWE計算軟件，計算水平和反應譜方法豎向地震，水平振型和豎向振型獨立求解。計算得到鋼梁結構的周期，進而推算出頻率。

參考《高規》JGJ3 －2010[4]第3.7.7 條規定，樓蓋結構的豎向震動頻率不宜小于3Hz，所以應進行驗算樓蓋豎向震動加速度。本項目中的大跨度鋼梁按上述方法得到的頻率均小于3Hz。根據附錄A，計算出的峰值加速度均小于0.22m/s2，滿足峰值加速度限值的要求，所以舒適度可滿足要求。

3.6 其它問題

在本項目中，除計算需要外，與鋼梁的連接的柱內盡量不設置型鋼，僅在梁柱節點區域內設置短鋼骨，再結合采用梁豎向、水平加腋方式，便于鋼筋混凝土梁中縱筋的貫通或錨固，減少縱筋穿翼緣或腹板的情況，也可方便施工，保證節點處的施工質量。

計算需要的型鋼混凝土柱，往下延伸一層，在下一層的梁面(或承臺面)處，采用非埋入式柱腳構造連接，可避免采用埋入式柱腳鋼骨錨入承臺較深的情況。本層及下一層均設置抗剪栓釘。

4 主要計算結果比較及分析

計算得到的前3階模態振型的振動周期結果列于(表3)。兩個程序計算得到的第一、第二周期T1、T2分別為Y、X方向的平動周期，第三周期T3為扭轉第一周期，扭轉周期比T3/T1均小于規范的限值0.90，表明該結構具有良好的抗扭能力，符合抗震概念設計的要求。振型曲線符合正常規律。

計算得到的結構最大響應位移結果列于(表4)，層間位移角以及位移比均滿足要求，地震作用下的剪重比在正常范圍內。

主體結構分析采用SATWE與PMSAP兩種軟件進行計算對比，結果基本吻合，證明軟件計算結果。

表3 結構動力特性

表4 結構響應計算結果

是合理準確的。從計算分析結果上看本工程在7度多遇地震作用下，主體采用鋼筋混凝土框架結構，各項結構反應指標均可滿足規范要求。

5 結論及建議

(1)對于大型商業綜合體，可不設縫形成超長結構，設計為鋼筋混凝土結構體系，通過充分的計算分析、結合構造加強措施，并提出相應的施工要求等方式解決溫度應力的影響。

(2)內部大開洞弱連接，為多層框架結構時，由于連廊兩側剛度差異不大，連廊承擔兩側框架變形協調的任務并不重，可通過加強板厚、配筋來解決。7度多遇地震作用下，整體計算分析時，各項結構反應指標均可滿足規范要求。

(3)局部存在大跨度、大懸挑，選擇變截面鋼梁方案，可減輕結構自重。通過對連接節點的合理設計，對豎向地震、舒適度的控制，即可滿足結構設計要求，又可滿足建筑功能要求。

6 鳴謝

本項目在設計及論文撰寫過程中，得到集團總工楊瑪莎、肖偉等人的悉心指導，在此表示衷心感謝!

[1]GB50010－2010，混凝土結構設計規范[S].

[2]GB50009－2012，建筑結構荷載規范[S].

[3]JGJ3－2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[4]GB50011－2010，建筑抗震設計規范[S].