韓振林 蘇光學(xué) 張兆超

山東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 山東 濟(jì)南 250001

1 工程概況

本項(xiàng)目位于臨沂市蘭山區(qū)，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(yè)SHOPPING MALL及連接各棟樓的三層商業(yè)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(jié)構(gòu)連為一體；八層商業(yè)部分地上與三層商業(yè)外街相鄰,之間設(shè)防震縫,為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。本文主要介紹此八層商業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。八層商業(yè)是以休閑購(gòu)物為核心，融合商業(yè)內(nèi)外街組織的零售購(gòu)物中心、超市、餐飲、時(shí)尚精品店、影城、休閑商業(yè)為一體的城市綜合體，總建筑面積為13276m2，其中地上為81737m2，對(duì)應(yīng)地下為51026m2，結(jié)構(gòu)東西向長(zhǎng)119m、南北向長(zhǎng)121m，建筑高度41.150m，室內(nèi)外高差0.150m。

圖1 建筑效果圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0＝1.1。地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)?？拐鹪O(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類建筑），抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地土類別為II類，場(chǎng)地特征周期Tg=0.35s。根據(jù)本工程的地震安評(píng)報(bào)告，多遇地震下地震峰值加速度為66cm/s2，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（簡(jiǎn)稱抗規(guī)）規(guī)定多遇地震下地震峰值加速度為55 cm/s2，安評(píng)所提供地震峰值加速度明顯大于規(guī)范值，因此本工程小震計(jì)算地震峰值加速度按安評(píng)取值，反應(yīng)譜按規(guī)范譜，中震和大震地震影響系數(shù)和峰值加速度按安評(píng)報(bào)告計(jì)算的地震影響系數(shù)最大值與規(guī)范值小震下地震影響系數(shù)最大值的比值相應(yīng)提高，即中震αmax=0.43，大震αmax=0.90，特征周期為0.40s?？拐鸬燃?jí)按7度、乙類建筑取值。

2 基礎(chǔ)及地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)工程地勘報(bào)告和工程實(shí)際情況，基礎(chǔ)以第⑦層中風(fēng)化石灰?guī)r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(shè)防水頭為11.400m，本工程采用筏板基礎(chǔ)（柱下設(shè)下柱墩），筏板厚度為750mm。對(duì)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(fēng)化石灰?guī)r的深度不小于2.0m，錨桿基本間距為1.7m×1.7m。根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)存在部分巖溶洞隙，基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后應(yīng)通過(guò)工程物探和鉆探相結(jié)合的方法進(jìn)一步查明基底下一定深度內(nèi)巖溶分布、規(guī)模、形態(tài)等特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況考慮對(duì)錨桿和基礎(chǔ)的影響。

3 上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)超限分析

本工程地上平面角部呈弧形，根據(jù)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(jìn)，平面布局復(fù)雜、立面不規(guī)則，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很高的要求，主要表現(xiàn)在：

（1）地面以上各樓層有大面積開(kāi)洞，其中七層夾層部分，在樓層中部設(shè)置一大洞口，洞口面積達(dá)樓面面積的46%，大洞口將本樓層分為僅四周連接的結(jié)構(gòu)形式，其西北及東南側(cè)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(kāi)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(kāi)洞的各層結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，由于剪力墻荷載較大及剪力墻的重要性，同時(shí)建筑對(duì)地下室凈高的要求，都加大了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。

（3）根據(jù)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(fù)雜，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵構(gòu)件。

（4）中庭大洞口周邊為商場(chǎng)人流通道，建筑要求大洞口周邊應(yīng)開(kāi)闊，不能設(shè)柱，結(jié)構(gòu)存在較多的大跨度梁、大懸挑梁，且商場(chǎng)自動(dòng)扶梯均設(shè)置在大懸挑梁上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)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(jìn)水平尺寸大于相鄰下一層的25%，存在該項(xiàng)不規(guī)則。

（6）本工程地上部分屬超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，需要通過(guò)計(jì)算和構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)不規(guī)則，樓板局部不連續(xù)，豎向尺寸突變等不規(guī)則項(xiàng)，再加上扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，即存在四項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)，屬于抗震超限結(jié)構(gòu)；同時(shí)存在大懸挑、大跨度、越層柱、局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換等不利因素。按照《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2006]220號(hào)）,本工程進(jìn)行了抗震設(shè)防超限審查。

3.2 結(jié)構(gòu)布置

采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑功能要求并結(jié)合結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的需要，利用樓梯間、電梯井、房間隔墻等位置設(shè)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(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。剪力墻的厚度為300～600mm，框架柱截面尺寸為800mm×800mm～1200mm×1200mm，豎向構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40～C60，梁板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C40。部分大懸挑梁和大跨度梁采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁；對(duì)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(zhuǎn)換梁采用型鋼轉(zhuǎn)換梁，對(duì)應(yīng)框支柱采用型鋼框支柱。五層結(jié)構(gòu)布置圖詳圖2。

圖2 五層結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.3 抗震性能目標(biāo)

針對(duì)結(jié)構(gòu)的類型及不規(guī)則情況，設(shè)計(jì)中采用抗震性能化設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)充分析計(jì)算。參照高規(guī)要求，本工程抗震性能目標(biāo)選用C級(jí)，相應(yīng)的性能水準(zhǔn)如表1所示。

抗震設(shè)防性能目標(biāo) 表1

3.4 抗震性能化設(shè)計(jì)及關(guān)鍵構(gòu)件、薄弱部位加強(qiáng)措施

為保證結(jié)構(gòu)的安全，需要提高重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度水平，根據(jù)前文所述的抗震性能目標(biāo)，對(duì)于底部加強(qiáng)區(qū)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(luò)設(shè)計(jì)；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(luò)設(shè)計(jì)；大懸挑梁，支撐大懸挑梁的框架梁，轉(zhuǎn)換梁按中震抗彎不屈服，抗剪彈性設(shè)計(jì)；非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、柱正截面承載力按中震不屈服設(shè)計(jì)，耗能構(gòu)件按中震受剪不屈服設(shè)計(jì)。

除了提高關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能水準(zhǔn)，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的抗震等級(jí)提高一級(jí)：躍層柱、框支柱及轉(zhuǎn)換梁、imax影廳外側(cè)框架柱、體型收進(jìn)處周邊框架柱抗震等級(jí)為一級(jí)。同時(shí)還采取了以下加強(qiáng)措施：

（1）躍層柱：嚴(yán)格控制其軸壓比；加強(qiáng)躍層柱柱頂梁板截面剛度，施工圖階段增大其配筋，梁設(shè)置抗扭筋等措施，加強(qiáng)連接；躍層柱剪力取值為其直接計(jì)算值與本層經(jīng)過(guò)剪力調(diào)整后的平均剪力設(shè)計(jì)值的較大值，并按其較大值復(fù)核抗剪截面和抗剪承載力；施工圖設(shè)計(jì)階段，箍筋設(shè)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(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，YCZ2與外連廊柱KZa設(shè)置了斜桿，結(jié)構(gòu)平面布置圖及剖面圖見(jiàn)圖3和圖4。計(jì)算模型中采用設(shè)置斜桿和無(wú)斜桿兩種模型，相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。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(jié)構(gòu)平面布置圖

圖4 IMAX影廳剖面圖（A-A）

（2）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換部位：部分剪力墻不落地，在地下一層及地下二層采用轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，部分采用型鋼轉(zhuǎn)換梁，相應(yīng)采用了型鋼框支柱。轉(zhuǎn)換梁及框支柱如上文所述進(jìn)行相應(yīng)的抗震性能設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換后，對(duì)落地剪力墻相距較遠(yuǎn)情況，在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(kù)時(shí)，位于車庫(kù)通道處，如剪力墻通至基礎(chǔ)頂，對(duì)建筑功能影響較大，此處采用了型鋼轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于此處轉(zhuǎn)換墻體較多，轉(zhuǎn)換墻體所受地震力較大，結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

（3）體型收進(jìn)部位：七層夾層部分存在體型收進(jìn)，收進(jìn)位置較高，結(jié)構(gòu)剛度的突然降低使其形成薄弱部位，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。針對(duì)此情況，結(jié)構(gòu)采取措施如下：1）控制收進(jìn)處底部樓層層間位移角不大于相鄰下部區(qū)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(jìn)處相對(duì)于計(jì)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(qū)段值，滿足設(shè)計(jì)要求。2）體型收進(jìn)部位上下各2層周邊框架柱的抗震等級(jí)提高為一級(jí)，并加強(qiáng)其配筋構(gòu)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(jié)構(gòu)的樓板也相應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)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(jié)構(gòu)靜力彈塑性變形驗(yàn)算

采用PKPM中的EPDA&PUSH模塊進(jìn)行靜力彈塑性分析，來(lái)判定結(jié)構(gòu)整體在大震下的安全性能。側(cè)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(diǎn)相關(guān)指標(biāo)。由表2可知，大震下X、Y向最大位移角均小于1/100（高規(guī)規(guī)定的限值），滿足大震對(duì)應(yīng)的位移角控制目標(biāo)。

靜力彈塑性分析得到的性能點(diǎn)相關(guān)指標(biāo) 表2

計(jì)算結(jié)果還顯示，在兩向側(cè)向荷載作用下，多數(shù)連梁首先出現(xiàn)鋼筋屈服，并逐步發(fā)展成剪切破壞，之后結(jié)構(gòu)剪力墻出現(xiàn)鋼筋屈服，隨之出現(xiàn)剪切塑性鉸，連梁和剪力墻的塑性發(fā)展過(guò)程符合強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)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(kāi)裂，說(shuō)明連梁剛度明顯退化；多數(shù)剪力墻上的高斯點(diǎn)出現(xiàn)了剪切破壞，剪力墻上發(fā)生高斯點(diǎn)破壞的數(shù)目還不至于使得剪力墻發(fā)生整體破壞，僅在底部個(gè)別墻體達(dá)到分析所指定的破壞程度?？梢?jiàn)大震作用下剪力墻基本滿足抗剪不屈服的要求。在性能點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，框架部分僅少數(shù)框梁因截面剛度破壞程度指數(shù)達(dá)到指定要求而出現(xiàn)了塑性鉸，框架柱在上部少數(shù)越層柱出現(xiàn)塑性鉸，整體上框架部分形成了較好的強(qiáng)柱弱梁的態(tài)勢(shì)，并使得框架符合作為整體結(jié)構(gòu)的抗震第二道防線的功能要求。

4 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）及臨沂氣象統(tǒng)計(jì)資料當(dāng)?shù)卦缕骄鶜鉁刈畹椭禐?5度，月平均氣溫最高值為31度，本工程要求后澆帶合攏時(shí)，溫度為10度左右，計(jì)算采用升降溫為±21。采用PMSAP軟件進(jìn)行溫度作用分析，溫度應(yīng)力分析采用瞬態(tài)彈性方法，為考慮砼的徐變應(yīng)力松弛，砼構(gòu)件的溫度內(nèi)力乘以折減系數(shù)0.3；為考慮砼構(gòu)件裂縫引起的剛度退化, 砼構(gòu)件的剛度乘以折減系數(shù)0.85,考慮季節(jié)溫差，同時(shí)計(jì)入混凝土收縮當(dāng)量溫差。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，升溫工況下，各層樓板壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度；降溫工況下，在剪力墻角部樓板部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在剪力墻中部樓板區(qū)域，由于墻體對(duì)樓板約束作用強(qiáng)，樓板應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力為5MPa，隨樓層增加，拉應(yīng)力逐層減小，應(yīng)力分布情況與結(jié)構(gòu)變形一致，四層及以上樓層樓板拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于局部拉應(yīng)力較大區(qū)域，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果配置雙層雙向鋼筋。另外，計(jì)算結(jié)果還顯示，溫度作用對(duì)墻、柱、框架梁的影響不可忽視，特別是對(duì)外圍墻、柱的剪力和彎矩、對(duì)中部框架梁的軸力影響較大，施工圖設(shè)計(jì)階段，考慮其不利影響。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本工程的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況，采用了兩種不同力學(xué)模型的空間分析程序進(jìn)行計(jì)算分析，確保了本工程在各種受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件受力的準(zhǔn)確性。對(duì)結(jié)構(gòu)存在的各種不利情況進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，提出相應(yīng)的處理方案和措施。采用抗震性能化設(shè)計(jì)的方法對(duì)整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)充分析計(jì)算，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能水準(zhǔn)進(jìn)行提高，并在設(shè)計(jì)中對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件及薄弱部位采取更嚴(yán)格的抗震構(gòu)造措施，有效保證了結(jié)構(gòu)的安全。