某商業廣場超限結構設計研究

張學深 鄧侶偉

(江西同濟建筑設計咨詢有限公司 江西南昌 330077)

1 工程概況

某商業廣場位于湖南省長沙市，建筑主要功能為商業、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，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，介紹其超限結構設計相關內容。

圖1 建筑效果圖

89#樓采用框架-核心筒結構體系，標準層結構平面尺寸為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，下部設置三層地下室，底板埋深約14 m，該項目地下室平面尺寸約265.5 m×236.59 m，結構超長。

±0.000相當于絕對標高34.8 m，塔樓基礎采用樁筏基礎，筏板及樁基皆以礫砂層為持力層，其中樁基采用樁側及樁端后注漿技術，可以有效提高其單樁承載力。地下室抗浮設計水位29.5 m，地下室及裙樓局部抗浮不足之處局部設置抗浮錨桿。

2 設計參數

2.1 設計標準

結構設計基準期50年，設計使用年限50年。

5層樓面以下安全等級為一級，抗震設防類別為重點設防類，5層樓面以上安全等級為二級，抗震設防類別為標準設防類，樁基及基礎設計等級為甲級，5層樓面以下框架、核心筒抗震等級為一級，5層樓面以上框架、核心筒抗震等級為二級。

2.2 自然條件

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

(2)抗震設防烈度為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；建筑場地類別Ⅲ類；設計地震分組為第一組；場地特征周期0.45s。

3 工程地質及水文條件

3.1 工程地質

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

表1 土層設計參數

3.2 水文條件

場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給，向場地低洼地段蒸發、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。該層地下水與瀏陽河水具水力聯系，在豐水期主要受大氣降水及瀏陽河水補給，在枯水季節則直接被蒸發或側向徑流排泄。

4 基礎設計

該工程89#樓為超高層建筑，采用框架-核心筒結構體系，柱底內力大，且超高層建筑對水平荷載敏感、差異沉降敏感。根據地勘報告揭示的地質情況及報告建議，基礎擬采用樁筏基礎，因89#底板下部大部分區域已位于礫砂層，圓礫層局部缺失或層厚不一，樁基礎持力層采用礫砂⑦，樁長約25 m～28 m，采用樁側、樁端后注漿工藝。

該工程地下室底板面標高為20.45 m，根據勘察報告，基坑開挖后，底板標高處的巖土層大部分區域為圓礫層或礫砂層，二者工程力學性能差異較小，厚度相對較大，且場地內普遍分布，地基土較均勻，皆為良好的天然地基基礎持力層。

5 結構布置及設計特點

5.1 結構布置

各層平面結構布置圖如圖2～圖6所示。

圖2 2層平面結構布置圖

圖3 3層平面結構布置圖

圖4 4層平面結構布置圖

圖5 5層平面結構布置圖

圖6 標準層平面結構布置圖

5.2 設計特點

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

(2)大開洞：四層樓面存在樓板大開洞，樓板不連續。

(3)穿層柱：由于四層樓面存在大開洞，導致南側、北側主樓框架柱存在躍層。

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

(5)由于功能限制，東西兩側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 結構超限情況及抗震性能目標

6.1 結構超限情況

根據住房和城鄉建設部印發的《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[1]，89#樓存在高度超限、局部穿層柱、樓板不連續等多項不規則，為超限高層。不規則項超限判別如表2所示。

表2 結構不規則項超限判別表

6.2 抗震性能目標

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)[2]中關于結構抗震性能化設計方法，該工程抗震性能目標定為C級，具體如表3所示。

表3 結構抗震性能列表

7 整體分析

7.1 小震反應譜計算分析

該工程采用SATWE及YJK兩種軟件進行小震彈性對比分析。采用振型分解反應譜法計算，并考慮偶然偏心及雙向地震作用，計算結果如表4所示。兩種軟件分析得出的結構響應基本一致，主要計算指標均能滿足規范要求。

表4 多遇地震下結構彈性分析結果

7.2 小震作用下的彈性時程分析

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軟件進行彈性動力時程補充分析。每組地震波計算所得基底剪力均大于反應譜計算結果的65%，基底剪力平均值大于CQC法計算結果的80%，滿足規范[3]對彈性時程分析法輸入地震波的基底剪力要求。

彈性時程分析計算出的基底剪力、樓層剪力平均值略大于CQC法計算結果，施工圖設計時，根據時程分析計算結果將CQC法基底剪力、樓層剪力進行相應放大，包絡設計。

7.3 大震動力彈塑性時程分析

采用SAUSAGE軟件進行大震下的動力彈塑性分析，選用了兩組天然波TH049TG045、TH043TG045和一組人工波2TG050，共3組地震波進行分析，各組地震波均按地震主方向為X向、Y向分別進行加載，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家《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)第4.3.5條規定——多組時程曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。

為判斷模型的合理性，列出SATWE模型與SAUSAGE 模型周期與質量對比，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模型周期與質量對比

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

對動力彈塑性時程分析所得整體計算結果進行分析如下：

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

(2)罕遇地震下結構底部的地震剪力約為多遇地震下的4～5倍，部分構件進入了塑性階段；性能分析表明大部分梁、柱處于輕微～輕度損壞狀態，滿足抗震性能目標要求。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 關鍵構件抗震措施

(1)穿層柱：柱內設置鋼骨，嚴格控制小震作用下的軸壓比。設計中將穿層柱的抗震等級提高一級，箍筋通高加密。

(2)短柱、超短柱：嚴格控制短柱、超短柱軸壓比，柱內設置型鋼。對于超短柱，將柱內型鋼向上延伸至28層，箍筋規格不小于d14，箍筋通高加密，并適當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，對該處連梁進行性能化設計，按中震彈性進行設計。連梁內設置交叉暗撐，提高其抗震性能。

9 結論

本文針對結構具體特點，設定了適宜的抗震性能目標；并采用多種軟件，針對各性能水準進行了相應計算分析。針對該工程樓面大開洞、穿層柱、超短柱等特點，在計算分析基礎上，采取針對性的抗震加強措施。分析結果表明，結構可以滿足相應的抗震性能目標。