陳偉力

(廈門(mén)合道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 福建廈門(mén) 361000)

引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大型商業(yè)綜合體建設(shè)量也越來(lái)越多，既有萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)、華潤(rùn)萬(wàn)象城等，在全國(guó)各地?cái)U(kuò)張，也有建發(fā)、新景地等廈門(mén)本地企業(yè)的商業(yè)綜合體建設(shè)。由于建筑功能要求，這些大型商業(yè)綜合體一般具有建筑長(zhǎng)度較長(zhǎng)、內(nèi)部大開(kāi)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(diǎn)，如何合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，值得我們探討。本文以建發(fā)海西首座E36地塊的商業(yè)購(gòu)物中心進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題討論。

1 工程概況

海西首座E36地塊項(xiàng)目位于廈門(mén)市新開(kāi)發(fā)區(qū)－五緣灣片區(qū)，金山路西側(cè)，云頂北路東側(cè)，五緣灣道南北側(cè)。整個(gè)工程項(xiàng)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(yè)購(gòu)物中心組成，計(jì)容建筑面積176320m2。項(xiàng)目定位為一個(gè)集高端酒店，辦公以及中高檔家庭型購(gòu)物中心的海西標(biāo)桿綜合體建筑。其中商業(yè)購(gòu)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(jié)構(gòu)總高度為22.85m。建筑長(zhǎng)度約為248m，寬度約為120～70m。(圖1)為整個(gè)項(xiàng)目的效果圖。(圖2)為購(gòu)物中心的剖面圖。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

2 結(jié)構(gòu)體系

商業(yè)購(gòu)物中心上部結(jié)構(gòu)單體，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。由于建筑功能需要，建筑內(nèi)部樓板大開(kāi)洞，南北區(qū)域僅通過(guò)連廊連接，聯(lián)系薄弱。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可設(shè)縫分為多個(gè)結(jié)構(gòu)單體，或不設(shè)縫為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單體，兩者的比較見(jiàn)(表1)。

表1 設(shè)縫與不設(shè)縫結(jié)構(gòu)比較

從(表1)可見(jiàn)，設(shè)縫與不設(shè)縫均有缺點(diǎn)，但單體結(jié)構(gòu)深凹口的解決需要調(diào)整建筑平面，為滿(mǎn)足建筑功能要求，最終按主體結(jié)構(gòu)不設(shè)縫進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大長(zhǎng)度達(dá)248m，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取措施解決超長(zhǎng)、弱連接等不利因素。(圖3)為商業(yè)購(gòu)物中心的結(jié)構(gòu)平面圖。本工程于2013年1月6日在廈門(mén)召開(kāi)了專(zhuān)家論證會(huì)，同意結(jié)構(gòu)不分縫，按超長(zhǎng)單體進(jìn)行設(shè)計(jì)，但應(yīng)采取相應(yīng)措施。

圖3 結(jié)構(gòu)平面圖

3 相關(guān)問(wèn)題討論

3.1 結(jié)構(gòu)單體超長(zhǎng)

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010－2010[1]第8.1.1條，現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為55m，商業(yè)購(gòu)物中心長(zhǎng)度達(dá)到248m(半地下室最大長(zhǎng)度約為260m)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范限值。針對(duì)結(jié)構(gòu)單體超長(zhǎng)，采取的措施為:

(1)計(jì)算分析及構(gòu)造

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在溫度變化、混凝土收縮、徐變作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是必須考慮的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果不采取有效的抗裂及裂縫控制措施，樓(屋)面會(huì)出現(xiàn)大面積開(kāi)裂，嚴(yán)重影響建筑物使用，有時(shí)甚至造成部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷。因此，進(jìn)行超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在溫度變化、混凝土的收縮和徐變作用下的應(yīng)力分析，是超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題之一。

結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)引起溫度作用，分為應(yīng)力和變形兩大問(wèn)題。其中變形裂縫是我們最為關(guān)注的。溫度作用的主要荷載組合如下:

應(yīng)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(shí))

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(shí))

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

對(duì)于梁的配筋，采用PMSAP計(jì)算結(jié)果及不考慮溫度作用時(shí)SATWE計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)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(yīng)力見(jiàn)“溫度單工況下的等值線圖”(圖4、圖5)，升溫時(shí)大部分區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，降溫時(shí)大部分區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力。溫度拉應(yīng)力最大為結(jié)構(gòu)3層(建筑1層)的X向，一般達(dá)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(yīng)力等值線圖

圖5 第3層溫度單工況下的Y向正應(yīng)力等值線圖

假定溫度應(yīng)力為1000kN/m2，若不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度，僅由板筋承擔(dān)，每米寬度內(nèi)折算為板筋為333mm2，即跨中板面配置的通長(zhǎng)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(shù)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(shí)際配置為通長(zhǎng)鋼筋+附加筋。在樓板平面頸部、洞邊、凹角部位會(huì)存在應(yīng)力較大的情況，增加板厚，加大通長(zhǎng)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(shè)置一道溫度后澆帶，釋放施工階段的大部分溫度應(yīng)力。

(2)施工要求

要求施工單位在施工過(guò)程作好超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)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(yǎng)護(hù)方案需有專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì))，并需邀請(qǐng)相關(guān)方面專(zhuān)家進(jìn)行論證，獲得通過(guò)后方可施工。施工過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行論證通過(guò)的方案。

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度變化和混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不可忽略，因此，有必要對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)采取一定的技術(shù)措施，以減小或避免這些因素對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響?，F(xiàn)在一般采取的技術(shù)措施有以下幾種:采用低水化熱水泥;嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量;混凝土(梁、板)采用摻合材料，達(dá)到減少水泥用量;嚴(yán)格控制入模溫度、水化熱溫升;板中埋設(shè)的設(shè)備管應(yīng)采用鋼管;砼澆筑前應(yīng)對(duì)模板進(jìn)行澆水，充分潤(rùn)濕，振搗時(shí)間適當(dāng)加長(zhǎng)，增加砼密實(shí)度;施工過(guò)程中及施工后應(yīng)采取可靠措施加以養(yǎng)護(hù);采用二次壓光;嚴(yán)格限制停工暴露時(shí)間等。

溫控措施有:應(yīng)采取有效技術(shù)監(jiān)測(cè)措施控制由于水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力、混凝土內(nèi)外溫差、速度及干燥收縮等因素造成的混凝土開(kāi)裂，施工前應(yīng)作出完善的施工組織設(shè)計(jì)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(xiàn)代信息化施工，做好溫控方案等)。

施工及使用過(guò)程中的維護(hù)措施有:1)主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，應(yīng)加強(qiáng)保養(yǎng)及維護(hù)(如防止結(jié)構(gòu)直接處于日光暴曬、氣溫驟降、積水結(jié)冰等惡劣環(huán)境中)。2)露天梁、板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，應(yīng)立即按建施圖要求施工防水層。3)使用過(guò)程中，未使用房間在高溫夏季，應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行通風(fēng)換氣，不得長(zhǎng)期密閉，以確保結(jié)構(gòu)的正常使用。

3.2 內(nèi)部連接薄弱

建筑內(nèi)部樓板大開(kāi)洞，南北區(qū)域僅通過(guò)連廊連接，聯(lián)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?qū)ζ矫娲箝_(kāi)洞的連廊樓板進(jìn)行小震、中震和大震下的應(yīng)力分析(圖6、圖7)，最大拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)(表2)。

表2 連廊最大拉應(yīng)力(MPa)

分析結(jié)果表明，連廊樓板弱連接處存在應(yīng)力集中情況，但并不嚴(yán)重。這是由于連廊兩側(cè)剛度差異不大，連廊承擔(dān)兩側(cè)框架變形協(xié)調(diào)的任務(wù)并不重。針對(duì)內(nèi)部連接薄弱，采取的措施為:采用符合樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度變化的計(jì)算模型，連廊周邊設(shè)置彈性板。對(duì)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(zhǎng)鋼筋，并結(jié)合PMSAP樓板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果適當(dāng)提高樓板配筋率。在連廊凹角處設(shè)置的弧形挑板也有利于緩解應(yīng)力集中情況。

圖6 中震(X向)作用下第4層樓板面內(nèi)X向正應(yīng)力等值線圖

圖7 中震(Y向)作用下第4層樓板面內(nèi)Y向正應(yīng)力等值線圖

3.3 大跨度長(zhǎng)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(dá)到33.2m;IMAX影廳屋蓋短向跨度達(dá)到25.8m?？蛇x的結(jié)構(gòu)方案有預(yù)應(yīng)力砼梁、勁性梁、純鋼梁。前兩種方案，結(jié)構(gòu)自重較大，故不建議采用。針對(duì)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(shí)，內(nèi)設(shè)短鋼骨與大跨度鋼梁鉸接，若梁內(nèi)剪力較大時(shí)，設(shè)計(jì)為型鋼混凝土梁，與大跨度鋼梁鉸接。鋼筋混凝土梁內(nèi)設(shè)置(短)鋼梁，提高節(jié)點(diǎn)錨固的可靠性。典型連接節(jié)點(diǎn)見(jiàn)(圖8)。

圖8 大跨度鋼梁與型鋼砼梁簡(jiǎn)支連接

2)與之連接為鋼筋混凝土柱時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)處設(shè)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(shè)計(jì)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(yīng)在減小型鋼梁截面，會(huì)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(nèi)設(shè)置一段短鋼梁，提高節(jié)點(diǎn)錨固的可靠性。大跨度鋼梁鉸接節(jié)點(diǎn)實(shí)際上也會(huì)存在一小部分彎矩，考慮由柱平衡，經(jīng)復(fù)核，柱實(shí)配鋼筋可滿(mǎn)足。典型連接節(jié)點(diǎn)見(jiàn)(圖9)。

圖9 大跨度鋼梁與普通鋼筋砼柱簡(jiǎn)支連接

3.3.2 局部存在長(zhǎng)懸挑:樓層一般走廊懸挑長(zhǎng)度達(dá)到5.7m;屋面局部最大懸挑長(zhǎng)度達(dá)到10.4m，且在端部設(shè)置鋼立柱支承屋蓋結(jié)構(gòu)。針對(duì)局部存在長(zhǎng)懸挑，采取的措施為:

樓層一般走廊懸挑長(zhǎng)度達(dá)到5.7m，盡量采用普通鋼筋混凝土懸挑梁;個(gè)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(kāi)洞周邊的懸挑梁長(zhǎng)度更大，局部也有搭接扶梯，屋面局部最大懸挑長(zhǎng)度達(dá)到10.4m，且在端部設(shè)置鋼立柱支承屋蓋結(jié)構(gòu)，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(nèi)約一跨長(zhǎng)度。連接的框架柱內(nèi)均設(shè)置整層高度的鋼骨，提高節(jié)點(diǎn)錨固的可靠性。典型連接節(jié)點(diǎn)見(jiàn)(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(jù)《抗震規(guī)范》GB50011－2010[3]，大跨度結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行豎向地震驗(yàn)算，豎向地震取為重力荷載代表值的0.08進(jìn)行組合。大跨度連廊和長(zhǎng)懸挑內(nèi)走廊的梁(包括砼梁、勁性梁、純鋼梁)及周邊的豎向構(gòu)件均驗(yàn)算豎向地震組合工況下的配筋。

3.5 舒適度分析

樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)氖孢m度，對(duì)大跨度連廊進(jìn)行舒適度驗(yàn)算。截取大跨度位置的鋼梁結(jié)構(gòu)，采用SATWE計(jì)算軟件，計(jì)算水平和反應(yīng)譜方法豎向地震，水平振型和豎向振型獨(dú)立求解。計(jì)算得到鋼梁結(jié)構(gòu)的周期，進(jìn)而推算出頻率。

參考《高規(guī)》JGJ3 －2010[4]第3.7.7 條規(guī)定，樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向震動(dòng)頻率不宜小于3Hz，所以應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算樓蓋豎向震動(dòng)加速度。本項(xiàng)目中的大跨度鋼梁按上述方法得到的頻率均小于3Hz。根據(jù)附錄A，計(jì)算出的峰值加速度均小于0.22m/s2，滿(mǎn)足峰值加速度限值的要求，所以舒適度可滿(mǎn)足要求。

3.6 其它問(wèn)題

在本項(xiàng)目中，除計(jì)算需要外，與鋼梁的連接的柱內(nèi)盡量不設(shè)置型鋼，僅在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置短鋼骨，再結(jié)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(jié)點(diǎn)處的施工質(zhì)量。

計(jì)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(tái)面)處，采用非埋入式柱腳構(gòu)造連接，可避免采用埋入式柱腳鋼骨錨入承臺(tái)較深的情況。本層及下一層均設(shè)置抗剪栓釘。

4 主要計(jì)算結(jié)果比較及分析

計(jì)算得到的前3階模態(tài)振型的振動(dòng)周期結(jié)果列于(表3)。兩個(gè)程序計(jì)算得到的第一、第二周期T1、T2分別為Y、X方向的平動(dòng)周期，第三周期T3為扭轉(zhuǎn)第一周期，扭轉(zhuǎn)周期比T3/T1均小于規(guī)范的限值0.90，表明該結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭能力，符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求。振型曲線符合正常規(guī)律。

計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位移結(jié)果列于(表4)，層間位移角以及位移比均滿(mǎn)足要求，地震作用下的剪重比在正常范圍內(nèi)。

主體結(jié)構(gòu)分析采用SATWE與PMSAP兩種軟件進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，結(jié)果基本吻合，證明軟件計(jì)算結(jié)果。

表3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

表4 結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

是合理準(zhǔn)確的。從計(jì)算分析結(jié)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(jié)構(gòu)，各項(xiàng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)指標(biāo)均可滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 結(jié)論及建議

(1)對(duì)于大型商業(yè)綜合體，可不設(shè)縫形成超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)充分的計(jì)算分析、結(jié)合構(gòu)造加強(qiáng)措施，并提出相應(yīng)的施工要求等方式解決溫度應(yīng)力的影響。

(2)內(nèi)部大開(kāi)洞弱連接，為多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，由于連廊兩側(cè)剛度差異不大，連廊承擔(dān)兩側(cè)框架變形協(xié)調(diào)的任務(wù)并不重，可通過(guò)加強(qiáng)板厚、配筋來(lái)解決。7度多遇地震作用下，整體計(jì)算分析時(shí)，各項(xiàng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)指標(biāo)均可滿(mǎn)足規(guī)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(jié)構(gòu)自重。通過(guò)對(duì)連接節(jié)點(diǎn)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)豎向地震、舒適度的控制，即可滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，又可滿(mǎn)足建筑功能要求。

6 鳴謝

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)及論文撰寫(xiě)過(guò)程中，得到集團(tuán)總工楊瑪莎、肖偉等人的悉心指導(dǎo)，在此表示衷心感謝!

[1]GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3]JGJ3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]GB50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].