世茂深港國際中心商業MALL復雜結構分析與設計

劉永璨

（1.上海世茂商業投資管理有限公司，上海 200122；2.世茂股份，上海 200122）

1 工程概況

世茂深港國際中心位于深圳市龍崗大運新城，它的建成將為深圳增添鮮明的時代特色，引領全新的商務、休閑、娛樂、購物體驗，成為深港核心區的地標性建筑及商業中心，其效果圖見圖1。商業MALL（以下簡稱本項目）地下室四層，地上七層、局部八層，地下建筑面積約20萬m2，地上建筑面積約11.5萬m2，地上從三層開始局部收進，七層主屋面標高為35.4 m，局部八層屋面標高為40.8 m，幕墻頂點標高為44.8 m。

本項目設計使用年限為50年，為重點設防類建筑，結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級。抗震設防烈度為7度，基本地震動峰值加速度值為0.10g，設計地震分組屬第一組，場地類別為Ⅱ類，基本地震動加速度反應譜特征周期值為0.35 s。50年一遇基本風壓為0.65 kPa。

2 基礎及地下室設計

本項目場地存在人工填土、風化巖和殘積土等特殊性巖土及巖溶發育，基礎底板以下的主要土層為粉質黏土，基巖為石炭系微風化灰巖，灰巖中溶蝕現象較發育，以中/大型充填/半填充溶洞為主，洞隙連通性較好，巖面起伏大。采用天然地基獨立基礎+精軋螺紋鋼抗浮錨桿作為主要基礎形式，輔以鉆孔灌注樁；天然地基粉質黏土層承載力特征值為230～260 kPa、微風化灰巖承載力特征值為5 500 kPa；抗浮錨桿采用高強度精軋螺紋鋼，最大長度按照不超過18 m控制；純抗壓樁樁徑1.5 m/1.8 m、盡量采用一柱一樁，抗壓兼抗拔樁樁徑1.2 m。

每根結構柱下的獨立基礎及灌注樁均通過施工勘察探明巖面埋深、起伏情況，根據超前鉆結果修正天然地基和樁基礎的應用范圍（圖2），確保天然地基落于有效持力層、灌注樁及抗拔錨桿的長度基本合理。當天然地基基底5 m范圍內揭露溶洞時，探明溶洞范圍并以素混凝土灌注回填澆實并達到承載力要求；當灌注樁基底揭露溶洞時，樁身穿越溶洞并嵌入底部巖體，保證樁端以下連續穩定基巖厚度不小于5 m。

圖2 地基土層分布及樁基布置示意圖Fig.2 Foundation soil layer distribution and pile foundation layout

本項目東側10 m地鐵保護區按照土方開挖標高-16.5 m、地下室三層設計；人防區域設置在遠離地鐵的地塊西側，根據結構梁高和建筑凈高要求，土方開挖標高按照-22.4 m控制；其余中間區域土方開挖標高-21.7 m。地下室底板采用鋼筋混凝土筏板，車庫及人防頂板采用無梁樓蓋，中間商業樓層采用單向雙次梁體系以兼顧業態調改的靈活性，地下室頂板室內范圍采用單向單次梁體系、室外覆土范圍采用框架梁加腋大板體系。

圖3 地下室剖面示意圖Fig.3 Sectional drawing of basement section

3 上部結構設計

本地塊東南角設置一幢高約200 m的辦公塔樓，在塔樓北側設置結構縫，將北側商業MALL分割為獨立的結構單體。本項目（北側商業MALL）存在多處的外挑和內收，結合建筑的總高度、建筑功能、體型、平面布局等特點，兼顧商業運營功能的靈活性，主體結構采用鋼筋混凝土框架結構。

本項目常規軸網9.0 m×9.0 m，特殊區域跨度最大約30 m、懸挑最大約10 m；常規框架柱首層截面以900 mm×900 mm為主，框架梁高以700～800 mm為主；中庭大跨度、邊跨大懸挑范圍框架柱截面以1 200 mm×1 200 mm為主，框架梁高按照1 400 mm控制，部分根據計算及構造要求增設型鋼；樓板厚度以110 mm為主，局部中庭連廊位置、退臺及屋面有覆土區域板厚150 mm。根據性能化要求，兼顧施工管理方便，全樓框架柱均采用C60混凝土，梁、板均采用C35混凝土。

圖4 商業MALL典型平面示意圖Fig.4 General floor plan of the MALL

4 抗震超限設計

4.1 抗震超限判別

圖5 商業MALL結構計算模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of structural calculation model

本項目的結構超限情況見表1，存在扭轉不規則、凹凸不規則、樓板不連續、尺寸突變、局部不規則5項不規則項，需進行超限審查。

表1 結構超限判別Table 1 Identification of structure overrun

4.2 小震作用下彈性計算分析

選用YJK軟件進行彈性計算分析，同時應用MIDAS軟件進行復核。結構整體計算豎向荷載工況包括結構自重、附加恒載及活載，豎向荷載工況計算時考慮施工模擬加載，水平荷載工況包括地震作用及風荷載。地震作用計算采用考慮扭轉耦聯的振型分解反應譜法，小震下采用規范反應譜為設計計算參數，同時考慮雙向水平地震作用及偶然偏心的影響，大跨區域和大懸挑區域考慮豎向地震作用影響。

本項目主體結構地震作用的剪力和傾覆彎矩均大于風荷載產生的力（圖6），地震作用起控制作用，整體計算結果見表2，各項宏觀計算指標滿足規范要求，構件截面取值合理，結構體系選擇恰當。

表2 整體計算結果表Table 2 Overall calculation results

圖6 主要計算結果圖Fig.6 Main calculation results

4.3 中震和大震下的抗震性能驗算

本項目中震下結構最大層間位移角分別為1/600（X向）和1/594（Y向），大震下結構最大層間位移角分別為1/66（X向）和1/75（Y向），發生在六層大懸挑/大跨度位置，均滿足規范限值要求。采取結構抗震性能化設計的措施，結構抗震性能目標設定為C級，各部位構件性能化設計滿足表3要求。

表3 結構抗震性能目標及震后性能狀態Table 3 Seismic performance target and post earthquake performance state

采用PKPM-SAUSAGE進行罕遇地震下的彈塑性動力時程分析，在結構變形、混凝土損傷、鋼筋和鋼材塑性應變等各項指標滿足所設定的性能目標，結構可實現“大震不倒”的要求并有一定富余量。以首層框架柱和二層框架梁為例（圖7）：首層總計18個關鍵柱混凝土受壓損傷均小于C60混凝土柱fck對應的損傷因子0.26，鋼筋和型鋼出現輕微的塑性應變，可滿足輕微損壞的性能目標；首層有普通柱21個柱（占比11.4%）混凝土出現超過0.26的損傷因子，但均小于C60混凝土柱剩余0.5fck對應的損傷因子0.67，且鋼筋和型鋼出現輕微的塑性應變，可滿足部分中度損壞的性能目標；二層個別大跨度關鍵梁鋼筋出現輕微的塑性應變，梁端混凝土受壓損傷小于C35混凝土fck對應的損傷因子0.34，可達到輕微損壞的性能設計要求；二層普通梁大部分出現輕微的塑性應變，混凝土的受壓損傷均小于0.34，少量梁端混凝土受壓損傷大于0.34但小于C35混凝土剩余0.5fck對應的損傷因子0.77，可達到輕微-中度損壞的性能要求。

圖7 典型樓層混凝土受壓損傷情況Fig.7 Concrete compressive damage of typical plan

5 專項分析與設計

5.1 超長樓蓋溫度應力分析

本項目平面尺寸約為145 m×87 m/125 m×87 m，結構超長，需對樓板進行溫度應力分析。根據《建筑結構荷載規范》，本項目所在地深圳地區年最高氣溫為35℃，最低氣溫為8℃；參考《工程結構裂縫控制》，混凝土收縮應變當量溫差為-12.9℃，同時考慮混凝土徐變的影響，溫度收縮效應乘以0.3；設定樓蓋后澆帶合攏時溫度為20℃，考慮溫度作用的分項系數1.5、組合系數0.6，由此可得降溫工況溫差ΔTD=1.5×0.6×（8-20-12.9）×0.3=-6.7℃，升溫工況不起控制作用。

由于地上結構的負溫差較大，且二層樓板受到框架柱的約束作用較大，扣除局部應力集中的影響，樓板最大拉應力為2.7 MPa，集中在柱邊、樓板轉角、樓板開大洞處，采用Φ10@100雙層雙向配筋可抵抗負溫差和混凝土收縮產生的拉應力；對于中部樓板面積較大區域，平均樓板應力約為1.0 MPa，采用Φ8@200雙層雙向配筋可抵抗負溫差和混凝土收縮產生的拉應力。三層以上由于樓板受到框架柱的約束作用較小，樓板承受的拉應力應該逐漸變小，樓板應力分析的結果也可以得到同樣的規律，扣除局部應力集中的影響，樓板最大拉應力大部分小于1.0 MPa，采用Φ8@200雙層配筋可抵抗負溫差和混凝土收縮產生的拉應力。

圖8 二層樓板溫度應力分布圖Fig.8 Temperature stress distribution of the second floor

圖9 五層樓板溫度應力分布圖Fig.9 Temperature stress distribution of the fifth floor

5.2 大跨度樓蓋舒適度分析

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》和《建筑樓蓋振動舒適度技術標準》，復核大跨度大懸挑樓蓋薄弱位置的舒適度，采用豎向峰值加速度0.15 m/s2作為控制限值。

選取主入口跨度26 m、懸挑6 m樓蓋為例，附加恒載取3.0 kPa，活載取0.55 kPa，阻尼比取2%，計算得第一階豎向自振頻率為2.69 Hz，需進行加速度驗算。將單人激勵荷載放大1.85倍以模擬多人荷載激勵，激勵荷載形式分別采用步行一步、連續步行，計算得加速度響應均小于0.15 m/s2，滿足舒適度控制限值要求。

5.3 屋頂鋼結構天窗設計

屋頂天窗結構短向跨度33 m、長向跨度48 m、矢高2.1 m，矢跨比約1/16，采用單層橢圓網殼結構，天窗支承在6層樓面中庭封邊梁上。天窗三角形網格尺寸2.1～2.5 m，基本桿件截面為B250×150×8×8矩形鋼管，支座位置網格桿件端部局部加 大 截 面 至B250×150×25×35，封 邊 環 梁 截 面B400×300×14×14，構件材質均為Q355B。

圖10 步行激勵示意圖Fig.10 Walking incentive diagram

圖11 加速度響應示意圖Fig.11 Acceleration response diagram

鋼結構自重通過軟件自動計算，屋面玻璃及龍骨重量按1.0 kPa考慮，不上人屋面活載取0.5 kPa；天窗獨立計算模型樓面譜放大系數考慮2.6倍，豎向地震影響系數采用水平地震影響系數的65%；根據風洞試驗，進行了不同風向角下的結構風振響應分析并計算得到峰值響應，換算得出天窗整體結構設計的等效靜力風荷載，下壓風取0.9 kPa，上吸風取-2.0 kPa。

天窗結構在恒載+活載工況下豎向變形為-36 mm（1/917＜1/400），在風壓力工況下豎向變形為-14 mm（1/2 357＜1/400），在風吸力工況下豎向變形為32 mm（1/1 031＜1/400），在溫度±30℃工況下豎向變形為±21 mm（1/1 571＜1/400），在豎向地震作用下豎向變形為3 mm（1/11 000＜1/400），均滿足規范要求。

天窗環梁最大應力比0.79、網格梁最大應力比0.88，最大桿件應力比均為溫度組合控制，地震組合不起控制作用。分析中，考慮恒、活、風、溫度組合，進行非線性驗算分析，環梁最大應力比0.52、網格梁最大應力比0.89，均滿足設計要求。

圖12 天窗結構布置示意圖Fig.12 Structural layout of skylight

圖13 天窗支座示意圖Fig.13 Schematic diagram of skylight support

采用位移控制非線性全過程穩定分析方法，考慮結構的施工缺陷以及材料缺陷，不考慮材料非線性，對天窗進行整體穩定性分析。取跨度L/300為初始缺陷，采用等比例加載，恒荷載+活荷載等比例逐步加載在雨棚屋面直至結構發生屈曲破壞，提取最大變形點的荷載—位移曲線，得到天窗結構的屈曲荷載和相應的安全系數K，均滿足規范的4.20限值要求。

圖14 天窗整體穩定荷載—位移曲線Fig.14 Overall stability load displacement relationship curve of skylight

5.4 超級碗結構單體設計

超級碗位于本項目場地南側，在地上與其他結構完全脫開，形成一個相對獨立的多層結構，最大樓面標高約16.5 m。配合建筑效果，在屋面重心位置附近布置一個3 m×3 m的巨型獨柱筒來支承整個超級碗結構，獨柱筒貫穿整個地下室錨固于基礎底板；在獨柱筒四面墻肢上設置四道正交的變截面鋼箱梁來懸挑超級碗的屋蓋，屋面長向尺寸約32 m（南北懸挑分別約16.5 m和12.5 m），屋面短向尺寸約27 m（東西懸挑各約12.0 m）；外圍幕墻網格懸掛于屋面封邊梁上。獨柱筒四角分別設置1 m×1 m型鋼混凝土暗柱，南北向懸挑鋼箱 梁 截 面 從B2200×800×14×50分 段 漸 變 為B1000×400×14×25，東西向懸挑鋼箱梁截面從B2200×600×14×40分段漸變為B800×300×14×20，其他屋面梁采用H300～1200不等的常規工字鋼，外圍幕墻網格采用Φ168～203不等的圓鋼管，構件材質均為Q355B。

考慮滿布活載、南側或東側活載等不利布置，在風荷載及地震工況下，獨柱筒最大水平變形小于10 mm（1/1 750＜1/400），懸挑鋼箱梁最大豎向撓度-71 mm（1/460＜1/400），外圍幕墻網格最大水平變形小于40 mm（1/430＜1/400）；獨柱筒墻肢最大拉力950 kN/m，獨柱筒內置型鋼應力比小于0.50，懸挑鋼箱梁最大應力比小于0.70，其余工字鋼及圓鋼管應力比按照0.90控制（圖16），均滿足設計要求。

圖16 超級碗鋼結構應力比Fig.16 Stress ratio of super bowl structure

圖15 超級碗結構三維及拆分示意圖Fig.15 3D and split diagram of super bowl structure

在中震彈性組合下，獨柱筒墻肢拉力增加至1 350 kN/m，混凝土獨柱筒仍不會開裂，懸挑鋼箱梁最大應力比0.7（圖17），結構具有較好的安全冗余度。

圖17 超級碗中震計算結果Fig.17 Medium earthquake elasticity of super bowl structure

6 結論

本文介紹了世茂深港國際中心商業MALL復雜結構設計，主要結論如下：

（1）本項目為復雜商業結構，存在多項不規則項，屬于超限高層建筑。結合建筑的總高度、建筑功能、體型、平面布局等特點，兼顧商業運營的靈活性，主體采用鋼筋混凝土框架結構，主要抗側力體系由框架柱及框架梁組成。

（2）采用天然地基獨立基礎+精軋螺紋鋼抗浮錨桿作為主要基礎形式，輔以鉆孔灌注樁；抗浮錨桿按照最大長度不超過18 m控制，純抗壓樁樁徑1.5 m/1.8 m，盡量采用一柱一樁，抗壓兼抗拔樁樁徑1.2 m。通過施工勘察探明巖面埋深、起伏情況；當天然地基區域基底5 m范圍內揭露溶洞時，探明溶洞范圍并以素混凝土灌注回填澆實并達到承載力要求；當灌注樁基礎區域揭露溶洞時，樁身穿越溶洞并嵌入底部巖體，并保證樁端以下連續穩定基巖厚度不小于5 m。

（3）抗震設計中采用性能化設計方法，除保證結構在小震下完全處于彈性階段外，還提出主要構件在中震、大震下作用下的性能要求，采用不同分析軟件進行了彈性、彈塑性的計算，各項指標均滿足規范的有關要求，各項不規則程度得到有效控制。除滿足豎向荷載和風荷載作用下的有關指標外，抗震性能目標達到C級，對關鍵和重要構件進行適當加強，結合各抗震性能水準的計算結果進行包絡設計，結構具有良好的耗能機制和抗震性能。

（4）對超長樓蓋溫度應力、大跨度樓蓋舒適度進行專項分析，且對屋頂鋼結構天窗、超級碗結構單體進行專項設計，確保結構的合理性和安全性，完美實現建筑功能與效果。