某商業(yè)廣場(chǎng)超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張學(xué)深 鄧侶偉

(江西同濟(jì)建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司 江西南昌 330077)

1 工程概況

某商業(yè)廣場(chǎng)位于湖南省長(zhǎng)沙市，建筑主要功能為商業(yè)、影院、公寓等，總建筑面積約384 124 m2。其中88#樓、89#樓為超高層綜合體，裙房部分為商業(yè)，建筑整體效果如圖1所示。88#樓地上55層，地下3層，高度約205.5 m；89#樓地上45層，其中裙房4層，地下3層，高度約206.2 m，本文以89#樓為例，介紹其超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。

圖1 建筑效果圖

89#樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面尺寸為42.0 m×42.0 m，高寬比為4.9，核心筒尺寸14.82 m×23.40 m，核心筒高寬比為13.90，下部設(shè)置三層地下室，底板埋深約14 m，該項(xiàng)目地下室平面尺寸約265.5 m×236.59 m，結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)。

±0.000相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高34.8 m，塔樓基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，筏板及樁基皆以礫砂層為持力層，其中樁基采用樁側(cè)及樁端后注漿技術(shù)，可以有效提高其單樁承載力。地下室抗浮設(shè)計(jì)水位29.5 m，地下室及裙樓局部抗浮不足之處局部設(shè)置抗浮錨桿。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，設(shè)計(jì)使用年限50年。

5層樓面以下安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，5層樓面以上安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，樁基及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，5層樓面以下框架、核心筒抗震等級(jí)為一級(jí)，5層樓面以上框架、核心筒抗震等級(jí)為二級(jí)。

2.2 自然條件

(1)基本風(fēng)壓：0.35 kN/m2(重現(xiàn)期50年)，地面粗糙度類別為C類；基本雪壓：0.45 kN/m2(重現(xiàn)期50年)。

(2)抗震設(shè)防烈度為6度，5層樓面以下抗震措施烈度為7度；5層樓面以上抗震措施烈度為6度；建筑場(chǎng)地類別Ⅲ類；設(shè)計(jì)地震分組為第一組；場(chǎng)地特征周期0.45s。

3 工程地質(zhì)及水文條件

3.1 工程地質(zhì)

自上而下依次為人工填土(分為雜填土①-1和素填土①-2)、粉質(zhì)黏土②、粉質(zhì)黏土③粉土④、粉砂⑤、圓礫⑥、礫砂⑦。該工程地質(zhì)情況如表1所示。

表1 土層設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 水文條件

場(chǎng)地地下水主要為上層滯水和孔隙承壓水，上層滯水賦存于素填土層中，主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，向場(chǎng)地低洼地段蒸發(fā)、排泄。孔隙承壓水主要賦在粉砂、圓礫、礫砂等第四系松散巖類孔隙水，具承壓型，水量較豐。該層地下水與瀏陽(yáng)河水具水力聯(lián)系，在豐水期主要受大氣降水及瀏陽(yáng)河水補(bǔ)給，在枯水季節(jié)則直接被蒸發(fā)或側(cè)向徑流排泄。

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

該工程89#樓為超高層建筑，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，柱底內(nèi)力大，且超高層建筑對(duì)水平荷載敏感、差異沉降敏感。根據(jù)地勘報(bào)告揭示的地質(zhì)情況及報(bào)告建議，基礎(chǔ)擬采用樁筏基礎(chǔ)，因89#底板下部大部分區(qū)域已位于礫砂層，圓礫層局部缺失或?qū)雍癫灰唬瑯痘A(chǔ)持力層采用礫砂⑦，樁長(zhǎng)約25 m～28 m，采用樁側(cè)、樁端后注漿工藝。

該工程地下室底板面標(biāo)高為20.45 m，根據(jù)勘察報(bào)告，基坑開挖后，底板標(biāo)高處的巖土層大部分區(qū)域?yàn)閳A礫層或礫砂層，二者工程力學(xué)性能差異較小，厚度相對(duì)較大，且場(chǎng)地內(nèi)普遍分布，地基土較均勻，皆為良好的天然地基基礎(chǔ)持力層。

5 結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

5.1 結(jié)構(gòu)布置

各層平面結(jié)構(gòu)布置圖如圖2～圖6所示。

圖2 2層平面結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 3層平面結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 4層平面結(jié)構(gòu)布置圖

圖5 5層平面結(jié)構(gòu)布置圖

圖6 標(biāo)準(zhǔn)層平面結(jié)構(gòu)布置圖

5.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)超長(zhǎng)、超寬、超高：地下室長(zhǎng)×寬為265.5 m×236.59 m，89#樓總高度約206.2 m，為B級(jí)高度高層建筑。

(2)大開洞：四層樓面存在樓板大開洞，樓板不連續(xù)。

(3)穿層柱：由于四層樓面存在大開洞，導(dǎo)致南側(cè)、北側(cè)主樓框架柱存在躍層。

(4)型鋼混凝土柱：基礎(chǔ)頂至10層核心筒周邊框架柱采用型鋼混凝土柱，其中角柱內(nèi)部型鋼伸至28層。

(5)由于功能限制，東西兩側(cè)中部框架梁搭在核心筒連梁上。

(6)由于功能限制，主樓四角框架柱皆為超短柱。

6 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

6.1 結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[1]，89#樓存在高度超限、局部穿層柱、樓板不連續(xù)等多項(xiàng)不規(guī)則，為超限高層。不規(guī)則項(xiàng)超限判別如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)超限判別表

6.2 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[2]中關(guān)于結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)方法，該工程抗震性能目標(biāo)定為C級(jí)，具體如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)抗震性能列表

7 整體分析

7.1 小震反應(yīng)譜計(jì)算分析

該工程采用SATWE及YJK兩種軟件進(jìn)行小震彈性對(duì)比分析。采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，并考慮偶然偏心及雙向地震作用，計(jì)算結(jié)果如表4所示。兩種軟件分析得出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本一致，主要計(jì)算指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。

表4 多遇地震下結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果

7.2 小震作用下的彈性時(shí)程分析

該工程采用人工波RH1TG045、RH4TG045和天然波TH010TG045、TH002TG04、TH120TG045、TH001TG045和 TH114TG045共七條，采用SATWE軟件進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程補(bǔ)充分析。每組地震波計(jì)算所得基底剪力均大于反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，基底剪力平均值大于CQC法計(jì)算結(jié)果的80%，滿足規(guī)范[3]對(duì)彈性時(shí)程分析法輸入地震波的基底剪力要求。

彈性時(shí)程分析計(jì)算出的基底剪力、樓層剪力平均值略大于CQC法計(jì)算結(jié)果，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果將CQC法基底剪力、樓層剪力進(jìn)行相應(yīng)放大，包絡(luò)設(shè)計(jì)。

7.3 大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

采用SAUSAGE軟件進(jìn)行大震下的動(dòng)力彈塑性分析，選用了兩組天然波TH049TG045、TH043TG045和一組人工波2TG050，共3組地震波進(jìn)行分析，各組地震波均按地震主方向?yàn)閄向、Y向分別進(jìn)行加載，主方向與次方向的加速度峰值比值為1∶0.85。

所采用地震波滿足國(guó)家《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)第4.3.5條規(guī)定——多組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。

為判斷模型的合理性，列出SATWE模型與SAUSAGE 模型周期與質(zhì)量對(duì)比，如表5所示,大震基底剪力及大震位移如表6～表7所示。

表5 SATWE模型與SAUSAGE模型周期與質(zhì)量對(duì)比

表6 彈塑性大震基底剪力和剪重比表格

表7 彈塑性大震位移表格

對(duì)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析所得整體計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析如下：

(1)由上述數(shù)據(jù)可以看出，各條地震波作用下計(jì)算的結(jié)果最不利X向最大層間位移角達(dá)到1/269，最不利Y向最大層間位移角達(dá)到1/166，均小于彈塑性層間的規(guī)范限值(1/100)，該工程在大震下的變形滿足要求。

(2)罕遇地震下結(jié)構(gòu)底部的地震剪力約為多遇地震下的4～5倍，部分構(gòu)件進(jìn)入了塑性階段；性能分析表明大部分梁、柱處于輕微～輕度損壞狀態(tài)，滿足抗震性能目標(biāo)要求。核心筒剪力墻、框架柱、框架梁損傷如圖7～圖9所示。

圖7 核心筒剪力墻損傷云圖

圖8 框架柱損失云圖

圖9 框架梁損傷云圖

8 關(guān)鍵構(gòu)件抗震措施

(1)穿層柱：柱內(nèi)設(shè)置鋼骨，嚴(yán)格控制小震作用下的軸壓比。設(shè)計(jì)中將穿層柱的抗震等級(jí)提高一級(jí)，箍筋通高加密。

(2)短柱、超短柱：嚴(yán)格控制短柱、超短柱軸壓比，柱內(nèi)設(shè)置型鋼。對(duì)于超短柱，將柱內(nèi)型鋼向上延伸至28層，箍筋規(guī)格不小于d14，箍筋通高加密，并適當(dāng)提高箍筋體積配箍率。

(3)核心筒連梁：部分框架主梁搭接在核心筒連梁上，對(duì)該處連梁進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，按中震彈性進(jìn)行設(shè)計(jì)。連梁內(nèi)設(shè)置交叉暗撐，提高其抗震性能。

9 結(jié)論

本文針對(duì)結(jié)構(gòu)具體特點(diǎn)，設(shè)定了適宜的抗震性能目標(biāo)；并采用多種軟件，針對(duì)各性能水準(zhǔn)進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算分析。針對(duì)該工程樓面大開洞、穿層柱、超短柱等特點(diǎn)，在計(jì)算分析基礎(chǔ)上，采取針對(duì)性的抗震加強(qiáng)措施。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)可以滿足相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)。