臨沂某商業綜合體結構分析與設計

韓振林 蘇光學 張兆超

山東省建筑設計研究院有限公司 山東 濟南 250001

1 工程概況

本項目位于臨沂市蘭山區，包括2棟28層和21層辦公樓，2棟15層和28層住宅樓，1棟八層商業SHOPPING MALL及連接各棟樓的三層商業外街（圖1）,總建筑面積為295697.43m2，其中地上174669.12m2，地下121028.31m2；地下三層，各單體地下結構連為一體；八層商業部分地上與三層商業外街相鄰,之間設防震縫,為獨立的結構單元。本文主要介紹此八層商業結構設計。八層商業是以休閑購物為核心，融合商業內外街組織的零售購物中心、超市、餐飲、時尚精品店、影城、休閑商業為一體的城市綜合體，總建筑面積為13276m2，其中地上為81737m2，對應地下為51026m2，結構東西向長119m、南北向長121m，建筑高度41.150m，室內外高差0.150m。

圖1 建筑效果圖

結構設計使用年限為50年，安全等級為一級，結構重要性系數γ0＝1.1。地基基礎的設計等級為甲級。抗震設防類別為重點設防類（乙類建筑），抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第一組，場地土類別為II類，場地特征周期Tg=0.35s。根據本工程的地震安評報告，多遇地震下地震峰值加速度為66cm/s2，《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）（簡稱抗規）規定多遇地震下地震峰值加速度為55 cm/s2，安評所提供地震峰值加速度明顯大于規范值，因此本工程小震計算地震峰值加速度按安評取值，反應譜按規范譜，中震和大震地震影響系數和峰值加速度按安評報告計算的地震影響系數最大值與規范值小震下地震影響系數最大值的比值相應提高，即中震αmax=0.43，大震αmax=0.90，特征周期為0.40s。抗震等級按7度、乙類建筑取值。

2 基礎及地下室結構設計

根據地質工程地勘報告和工程實際情況，基礎以第⑦層中風化石灰巖為持力層，地基承載力特征值fa=2500kPa，考慮到本工程抗浮水位較高，抗浮設防水頭為11.400m，本工程采用筏板基礎（柱下設下柱墩），筏板厚度為750mm。對于純地下室部分及柱底壓力不足以抵抗水浮力的高層部分，采用抗浮錨桿方案；錨桿錨孔直徑D=200mm，錨桿抗拔承載力特征值為290kN, 錨桿錨入第(7)層中風化石灰巖的深度不小于2.0m，錨桿基本間距為1.7m×1.7m。根據勘察報告，場地內存在部分巖溶洞隙，基坑開挖至設計標高后應通過工程物探和鉆探相結合的方法進一步查明基底下一定深度內巖溶分布、規模、形態等特點，根據實際情況考慮對錨桿和基礎的影響。

3 上部結構抗震設計

3.1 結構超限分析

本工程地上平面角部呈弧形，根據功能及造型的需要，二層樓板及以上均有不同大小的洞口、七層以上體型收進，平面布局復雜、立面不規則，對結構設計提出了很高的要求，主要表現在：

（1）地面以上各樓層有大面積開洞，其中七層夾層部分，在樓層中部設置一大洞口，洞口面積達樓面面積的46%，大洞口將本樓層分為僅四周連接的結構形式，其西北及東南側連接薄弱，僅為單跨連接，樓板連接寬度為8.5m；五層影廳部分，樓層開洞面積為樓面面積的35%,且影廳間布置較密集，有效樓板寬度較小。如何確保樓板大開洞的各層結構在地震作用下的安全是結構設計的關鍵問題。

（2）為滿足地下室建筑功能要求，部分剪力墻不落地，需在地下一層及地下二層進行結構轉換，由于剪力墻荷載較大及剪力墻的重要性，同時建筑對地下室凈高的要求，都加大了結構的設計難度。

（3）根據建筑方案要求，本工程入口門廳處為躍層柱，柱高11.15m，且此門廳柱在四、五層影院處也為躍層柱，且支撐影院大跨度框架梁，受力復雜，為結構設計的關鍵構件。

（4）中庭大洞口周邊為商場人流通道，建筑要求大洞口周邊應開闊，不能設柱，結構存在較多的大跨度梁、大懸挑梁，且商場自動扶梯均設置在大懸挑梁上，結構設計應保證大框度梁、大懸挑梁的安全，并控制梁的撓度。

（5）七層夾層處存在局部收進水平尺寸大于相鄰下一層的25%，存在該項不規則。

（6）本工程地上部分屬超長結構，需要通過計算和構造措施，保證結構在地震及溫度作用下的安全及正常使用。

綜上所述，本工程存在平面扭轉不規則，樓板局部不連續，豎向尺寸突變等不規則項，再加上扭轉位移比大于1.2，即存在四項不規則項，屬于抗震超限結構；同時存在大懸挑、大跨度、越層柱、局部結構轉換等不利因素。按照《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質[2006]220號）,本工程進行了抗震設防超限審查。

3.2 結構布置

采用框架-剪力墻結構，根據建筑功能要求并結合結構抗側力的需要，利用樓梯間、電梯井、房間隔墻等位置設置剪力墻，地下室頂板及地下二層頂板分別作為嵌固部位，進行包絡設計。剪力墻的厚度為300～600mm，框架柱截面尺寸為800mm×800mm～1200mm×1200mm，豎向構件的混凝土強度等級為C40～C60，梁板的混凝土強度等級為C30～C40。部分大懸挑梁和大跨度梁采用有粘結預應力梁；對于受拉力較大的，普通豎向鋼筋難以滿足的剪力墻端部暗柱，柱中配置型鋼；部分轉換梁采用型鋼轉換梁，對應框支柱采用型鋼框支柱。五層結構布置圖詳圖2。

圖2 五層結構平面布置圖

3.3 抗震性能目標

針對結構的類型及不規則情況，設計中采用抗震性能化設計進行補充分析計算。參照高規要求，本工程抗震性能目標選用C級，相應的性能水準如表1所示。

抗震設防性能目標 表1

3.4 抗震性能化設計及關鍵構件、薄弱部位加強措施

為保證結構的安全，需要提高重要結構構件的安全度水平，根據前文所述的抗震性能目標，對于底部加強區剪力墻、柱按中震抗彎不屈服，抗剪彈性和大震抗剪不屈服包絡設計；支撐大懸挑、大跨度梁的框架柱，躍層柱，框支柱，IMAX影廳處生斜柱之框架柱按中震抗剪、抗彎彈性和大震抗剪、抗彎不屈服包絡設計；大懸挑梁，支撐大懸挑梁的框架梁，轉換梁按中震抗彎不屈服，抗剪彈性設計；非底部加強區剪力墻、柱正截面承載力按中震不屈服設計，耗能構件按中震受剪不屈服設計。

除了提高關鍵構件的抗震性能水準，對關鍵構件的抗震等級提高一級：躍層柱、框支柱及轉換梁、imax影廳外側框架柱、體型收進處周邊框架柱抗震等級為一級。同時還采取了以下加強措施：

（1）躍層柱：嚴格控制其軸壓比；加強躍層柱柱頂梁板截面剛度，施工圖階段增大其配筋，梁設置抗扭筋等措施，加強連接；躍層柱剪力取值為其直接計算值與本層經過剪力調整后的平均剪力設計值的較大值，并按其較大值復核抗剪截面和抗剪承載力；施工圖設計階段，箍筋設置全高加密；IMAX影廳處框架柱，由于建筑功能要求，框架柱成為躍層柱YCZ2，且有外挑4m連廊，為增強結構的整體性，YCZ2與外連廊柱KZa設置了斜桿，結構平面布置圖及剖面圖見圖3和圖4。計算模型中采用設置斜桿和無斜桿兩種模型，相關構件進行包絡設計。YCZ2滿足中震抗剪、抗彎彈性，大震下抗剪彈性、抗彎不屈服要求。

圖3 IMAX影廳4、5層結構平面布置圖

圖4 IMAX影廳剖面圖（A-A）

（2）結構轉換部位：部分剪力墻不落地，在地下一層及地下二層采用轉換梁進行了結構轉換，部分采用型鋼轉換梁，相應采用了型鋼框支柱。轉換梁及框支柱如上文所述進行相應的抗震性能設計。結構轉換后，對落地剪力墻相距較遠情況，在結構轉換附近增加不影響建筑功能的剪力墻，以使不落地剪力墻所受地震剪力的有效傳遞。其中，建筑東北角交通核處剪力墻從上部通至地下二層車庫時，位于車庫通道處，如剪力墻通至基礎頂，對建筑功能影響較大，此處采用了型鋼轉換梁進行轉換。由于此處轉換墻體較多，轉換墻體所受地震力較大，結構在轉換層及下層增加了兩組工字形墻體，保證了上部剪力墻所受地震作用的有效傳遞。結構布置如圖5所示。

（3）體型收進部位：七層夾層部分存在體型收進，收進位置較高，結構剛度的突然降低使其形成薄弱部位，對結構抗震不利。針對此情況，結構采取措施如下：1）控制收進處底部樓層層間位移角不大于相鄰下部區段最大層間位移角的1.15倍；地震作用下最大層間位移角曲線如圖6所示（收進處相對于計算模型中的第10層），由圖可知，層間位移角變化平緩，且小于下部區段值，滿足設計要求。2）體型收進部位上下各2層周邊框架柱的抗震等級提高為一級，并加強其配筋構造措施；3）此層突變部位樓板加厚為150mm，雙層雙向配筋，控制配筋率不小于0.30%，此層上下層結構的樓板也相應加強構造措施。

圖6 地震作用下最大層間位移角曲線

3.5 大震下結構靜力彈塑性變形驗算

采用PKPM中的EPDA&PUSH模塊進行靜力彈塑性分析，來判定結構整體在大震下的安全性能。側向加載取彈性CQC地震力加載模式。表2給出了大震靜力彈塑性分析得到的性能點相關指標。由表2可知，大震下X、Y向最大位移角均小于1/100（高規規定的限值），滿足大震對應的位移角控制目標。

靜力彈塑性分析得到的性能點相關指標 表2

計算結果還顯示，在兩向側向荷載作用下，多數連梁首先出現鋼筋屈服，并逐步發展成剪切破壞，之后結構剪力墻出現鋼筋屈服，隨之出現剪切塑性鉸，連梁和剪力墻的塑性發展過程符合強剪弱彎，強墻肢弱連梁的原則。隨著荷載的加大，多處連梁以形成剪切破壞而開裂，說明連梁剛度明顯退化；多數剪力墻上的高斯點出現了剪切破壞，剪力墻上發生高斯點破壞的數目還不至于使得剪力墻發生整體破壞，僅在底部個別墻體達到分析所指定的破壞程度。可見大震作用下剪力墻基本滿足抗剪不屈服的要求。在性能點出現時，框架部分僅少數框梁因截面剛度破壞程度指數達到指定要求而出現了塑性鉸，框架柱在上部少數越層柱出現塑性鉸，整體上框架部分形成了較好的強柱弱梁的態勢，并使得框架符合作為整體結構的抗震第二道防線的功能要求。

4 超長結構的應力分析

根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）及臨沂氣象統計資料當地月平均氣溫最低值為-5度，月平均氣溫最高值為31度，本工程要求后澆帶合攏時，溫度為10度左右，計算采用升降溫為±21。采用PMSAP軟件進行溫度作用分析，溫度應力分析采用瞬態彈性方法，為考慮砼的徐變應力松弛，砼構件的溫度內力乘以折減系數0.3；為考慮砼構件裂縫引起的剛度退化, 砼構件的剛度乘以折減系數0.85,考慮季節溫差，同時計入混凝土收縮當量溫差。根據計算結果，升溫工況下，各層樓板壓應力遠小于混凝土抗壓強度；降溫工況下，在剪力墻角部樓板部位出現應力集中現象，而在剪力墻中部樓板區域，由于墻體對樓板約束作用強，樓板應力較大，最大拉應力為5MPa，隨樓層增加，拉應力逐層減小，應力分布情況與結構變形一致，四層及以上樓層樓板拉應力小于混凝土抗拉強度標準值。對于局部拉應力較大區域，根據應力計算結果配置雙層雙向鋼筋。另外，計算結果還顯示，溫度作用對墻、柱、框架梁的影響不可忽視，特別是對外圍墻、柱的剪力和彎矩、對中部框架梁的軸力影響較大，施工圖設計階段，考慮其不利影響。

5 結語

針對本工程的特點和結構不規則情況，采用了兩種不同力學模型的空間分析程序進行計算分析，確保了本工程在各種受力狀態下的結構整體和構件受力的準確性。對結構存在的各種不利情況進行詳細的計算分析，提出相應的處理方案和措施。采用抗震性能化設計的方法對整體結構及構件進行補充分析計算，對關鍵構件的抗震性能水準進行提高，并在設計中對關鍵構件及薄弱部位采取更嚴格的抗震構造措施，有效保證了結構的安全。