劉一斌， 熊繼業(yè)， 莫林輝， 王海霖

(中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 長(zhǎng)沙 410007)

1 工程概況

本項(xiàng)目位于長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)，是集創(chuàng)業(yè)、居住、購物、休閑、娛樂為一體的綜合性開發(fā)項(xiàng)目，項(xiàng)目總用地面積77 491m2，總建筑面積約294 473m2。其中商業(yè)建筑分為東商、西商兩部分，兩者之間的地下結(jié)構(gòu)功能為軌道交通，上部結(jié)構(gòu)為大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊。東商、西商的地上2層均有過街連廊，并與本項(xiàng)目住宅、公寓相連。東商地上共六層、地下共四層，地下4層、地下3層層高分別為3.9，4.8m，地下2層至地上2層層高均為5.6m，地上3～6層層高均為5.4m，東商總建筑面積約16萬m2，其中地上建筑面積約11萬m2。西商地上共六層、地下共兩層，地下2層至地上2層層高均為5.6m，地上3～6層層高均為5.4m，西商總建筑面積約8萬m2，其中地上建筑面積約6萬m2，建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

本項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別為乙類，地震設(shè)防烈度為6度(0.05g)[1]，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，基本雪壓為0.45kN/m2。基礎(chǔ)形式主要為筏板+下柱墩基礎(chǔ)，部分區(qū)域采用旋挖樁基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)尺寸為8.5m×11.0m，中庭、影院區(qū)域主要梁跨度為20～26m。

本項(xiàng)目跨地鐵連廊與西商之間設(shè)變形縫(防震縫)，結(jié)合建筑功能，變形縫位置在跨地鐵連廊西側(cè)一跨至兩跨的范圍內(nèi)，跨地鐵連廊與東商之間不設(shè)縫，二者為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元。結(jié)構(gòu)存在豎向構(gòu)件不連續(xù)、樓板大開洞、大跨度、大懸挑、跨地鐵連廊、結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)、多梁交匯等設(shè)計(jì)難點(diǎn)，地上3層平面布置見圖2。

圖2 地上3層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題

2.1 豎向構(gòu)件不連續(xù)

由于建筑需要，中庭每層走廊均不對(duì)齊，導(dǎo)致中庭區(qū)域洞口邊柱豎向不連續(xù)，本工程采用斜柱和轉(zhuǎn)換柱解決豎向構(gòu)件不連續(xù)的問題。中庭區(qū)域轉(zhuǎn)換柱和斜柱如圖3所示。

圖3 中庭區(qū)域局部斜柱、轉(zhuǎn)換柱示意圖

(1)轉(zhuǎn)換柱

東商在地上3層存在兩個(gè)轉(zhuǎn)換柱，由于被轉(zhuǎn)換柱荷載較大，根據(jù)轉(zhuǎn)換柱間轉(zhuǎn)換梁凈跨不同，采用型鋼梁轉(zhuǎn)換和鋼筋混凝土支撐轉(zhuǎn)換兩種方式。

型鋼梁轉(zhuǎn)換見圖4，轉(zhuǎn)換柱間轉(zhuǎn)換梁凈跨5 450mm，由于荷載很大，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為1 200×1 500時(shí)，抗彎承載力仍不滿足要求，故在梁中增設(shè)型鋼，型鋼截面為H1 100×500×20×50。為使型鋼梁可靠工作，在與其相連的框支柱內(nèi)設(shè)置構(gòu)造型鋼，構(gòu)造型鋼截面為H700×600×20×40，計(jì)算時(shí)不考慮其作用。

圖4 型鋼梁轉(zhuǎn)換

鋼筋混凝土支撐轉(zhuǎn)換見圖5，轉(zhuǎn)換柱間轉(zhuǎn)換梁凈跨為7 300mm，因荷載較大，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為1 200×1 400時(shí)，抗彎承載力仍不滿足要求。結(jié)合建筑布置，此處增設(shè)兩根截面為900×900的鋼筋混凝土支撐。

圖5 鋼筋混凝土支撐轉(zhuǎn)換

(2)斜柱

中庭區(qū)域洞口邊斜柱均向遠(yuǎn)離洞口方向傾斜，典型部位斜柱如圖6所示。取節(jié)點(diǎn)隔離體分析可知，與斜柱上端相連的框架梁受壓，與斜柱下端相連的框架梁受拉。

圖6 典型部位斜柱示意圖

對(duì)斜柱采取如下加強(qiáng)措施，斜柱相鄰樓板板厚不小于150mm，按彈性板計(jì)算，配筋不小于雙層雙向10@200；傾斜角度15°以內(nèi)的斜柱采用普通鋼筋混凝土柱，傾斜角度15°～30°的斜柱采用型鋼混凝土柱；與斜柱相連框架梁采用型鋼梁或鋼筋混凝土梁，當(dāng)梁受拉時(shí)，縱筋采用機(jī)械連接；當(dāng)斜柱傾斜角度大于30°時(shí)，柱內(nèi)設(shè)型鋼，平衡斜柱的拉力不考慮樓板作用，全部由框架梁承擔(dān)；與斜柱相連的框架梁受拉時(shí)梁頂通長(zhǎng)筋面積不小于支座筋的50%，腰筋不小于16@200。

2.2 大跨度與大懸挑結(jié)構(gòu)

根據(jù)建筑方案要求，本項(xiàng)目中庭區(qū)域不能出現(xiàn)框架柱，因此在中庭區(qū)域存在較多的大跨度與大懸挑結(jié)構(gòu)，典型中庭布置見圖7。對(duì)跨度大于18m或懸挑長(zhǎng)度大于5m且計(jì)算配筋率大于1.8%的框架梁或柱邊懸挑梁采用型鋼梁方案，次梁采用預(yù)應(yīng)力梁方案，并復(fù)核次梁的撓度及裂縫。采用預(yù)應(yīng)力梁方案時(shí)，連續(xù)梁支座處預(yù)應(yīng)力矢高為180mm，梁底矢高為150mm，預(yù)應(yīng)力筋線型為二次拋物線，懸挑梁預(yù)應(yīng)力筋線型為直線。為保證大跨度與大懸挑結(jié)構(gòu)的安全及舒適度，設(shè)計(jì)采取了如下措施：

圖7 典型中庭布置

(1)大跨度梁高跨比不小于1/20，懸挑梁梁高與凈挑出長(zhǎng)度比不小于1/6，挑梁間距小于梁截面平均寬度8倍時(shí)，梁高與挑出長(zhǎng)度比適當(dāng)放寬，但不得小于1/8。為減輕懸挑結(jié)構(gòu)自重并增加走廊凈高，大跨度梁與懸挑梁采用變截面梁，如圖8所示。

圖8 典型位置變截面梁示意圖

(2)根據(jù)《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 138—2016)[2]規(guī)定，本項(xiàng)目型鋼梁箍筋直徑不小于10mm。懸挑型鋼梁中鋼骨伸入內(nèi)跨長(zhǎng)度不小于1.2倍懸挑長(zhǎng)度，并不小于計(jì)算需要長(zhǎng)度與鋼骨截面高度之和。

(3)懸挑長(zhǎng)度大于5.5m的梁，構(gòu)造設(shè)計(jì)加腋，腋高300mm，腋長(zhǎng)1 500mm，柱邊、主梁邊懸挑梁構(gòu)造加腋分別如圖9，10所示。

圖9 柱邊懸挑梁構(gòu)造加腋

圖10 主梁邊懸挑梁構(gòu)造加腋

(4)預(yù)應(yīng)力梁預(yù)應(yīng)力度不宜大于0.7，不應(yīng)大于0.75，并復(fù)核開裂彎矩。

(5)大跨度梁底筋、大懸挑梁面筋實(shí)際配筋率較計(jì)算放大1.2倍。

(6)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支承扶梯時(shí)，振動(dòng)頻率不小于4Hz，其他區(qū)域不小于3.5Hz，鋼梁支撐混凝土樓板區(qū)域振動(dòng)頻率也按不小于3.5Hz控制。

東商5層為電影院，5層的北側(cè)中庭洞口需要封閉，樓蓋最大跨度為22.5m，結(jié)構(gòu)采用鋼梁加鋼筋桁架樓承板，經(jīng)計(jì)算此處為樓板振動(dòng)舒適度最不利位置，如圖11所示，其振動(dòng)頻率為3.55Hz，滿足振動(dòng)舒適度要求。

圖11 5層樓板最不利振動(dòng)位置示意圖

2.3 東、西商跨地鐵連廊

東、西商間跨地鐵連廊采用鋼結(jié)構(gòu)桁架方案，桁架最大跨度為60.3m，與西商設(shè)縫脫開，與東商連接成一個(gè)整體，鋼結(jié)構(gòu)桁架兩端為型鋼混凝土柱，柱截面尺寸為1 400×1 400，內(nèi)設(shè)方鋼骨，鋼骨截面尺寸為800×50，跨地鐵連廊模型如圖12所示。第二榀桁架由于建筑功能需要不能在4層設(shè)置豎桿及斜桿，故在2層樓面至4層樓面、5層樓面至屋面層樓面形成了X形桁架，其立面示意如圖13所示。

圖12 東、西商間跨地鐵連廊模型

圖13 東、西商間跨地鐵連廊桁架立面示意

2.4 中庭采光頂設(shè)計(jì)

中庭采光頂采用鋼結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)殼，網(wǎng)殼桿件為矩形鋼管，截面為□350×120×10×12，最大采光頂跨度為36m，采光頂網(wǎng)格劃分示意見圖14。為使采光頂立柱與主體結(jié)構(gòu)可靠連接，在采光頂周邊混凝土梁中設(shè)置了型鋼鋼骨。采光頂網(wǎng)殼立柱與主體結(jié)構(gòu)連接如圖15所示。

圖14 采光頂網(wǎng)格劃分示意

圖15 采光頂與主體結(jié)構(gòu)連接

2.5 控制周期比

東商由于平面不規(guī)則，周期比難以滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]的要求，經(jīng)多次試算在平面北側(cè)和東側(cè)樓梯間隔墻處增設(shè)混凝土斜撐以增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，控制結(jié)構(gòu)周期比在0.9以內(nèi)，與斜撐相連的框架柱按中震彈性設(shè)計(jì)，并滿足大震抗剪不屈服的要求。混凝土斜撐在受拉開裂時(shí)剛度退化，其剛度按折減0.5倍考慮。

2.6 多梁交匯節(jié)點(diǎn)

由于本項(xiàng)目平面布置復(fù)雜，不可避免存在多梁交匯節(jié)點(diǎn)。當(dāng)型鋼混凝土柱與多根混凝土梁連接時(shí)，在交匯節(jié)點(diǎn)處增設(shè)環(huán)梁，與型鋼混凝土柱正交的梁縱筋采用套筒連接或穿孔貫通，斜交方向梁縱筋通過環(huán)梁錨固，見圖16。本項(xiàng)目屋面層存在6根鋼筋混凝土梁與型鋼混凝土柱交匯，見圖17。即使設(shè)置環(huán)梁，鋼筋錨固和混凝土澆筑也較困難，設(shè)計(jì)時(shí)在頂層將型鋼混凝土柱變換為鋼管混凝土柱，見圖18。6根鋼筋混凝土梁端部全部改用短鋼梁與鋼管混凝土柱連接，6根鋼筋混凝土梁縱筋焊接于短鋼梁上。

圖16 環(huán)梁錨固框架梁節(jié)點(diǎn)示意圖

圖17 梁柱交匯示意圖

圖18 型鋼混凝土柱變鋼管混凝土柱示意

2.7 過街連廊

本項(xiàng)目過街連廊布置如圖19所示，采用單跨鋼梁方案，一端采用固定支座，一端采用滑動(dòng)支座，見圖20所示。為保證弧度較大的弧形連廊的穩(wěn)定性，增設(shè)了鋼拉桿與主體結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件相連，見圖21。

圖19 2層過街連廊布置示意

圖20 過街連廊端支座示意圖

圖21 弧形連廊鋼拉桿大樣

3 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力

3.1 溫度荷載取值

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[4]及長(zhǎng)沙市氣象資料，考慮實(shí)際施工合攏時(shí)間，選取結(jié)構(gòu)后澆帶合攏時(shí)間是春秋季節(jié)，連續(xù)五日平均氣溫不高于15℃。長(zhǎng)沙市區(qū)統(tǒng)計(jì)春秋季節(jié)最高氣溫38℃，最低氣溫-3℃。季節(jié)溫差最大降溫值ΔT1=-3-15=-18℃，季節(jié)溫差最大升溫值ΔT2=38-15=23℃。

(1)混凝土收縮當(dāng)量溫差計(jì)算

參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)[5]附錄F，混凝土收縮計(jì)算公式如下：

εcs(t,ts)=εcso·βs(t-ts)

εcso=εs(fcm)·βRH

εs(fcm)=[160+10βsc(9-fcm/fcmo)]×10-6

βRH=1.55[1-(RH/RH0)3]

式中各個(gè)字符的含義見《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)[5]，混凝土線膨脹系數(shù)取1×10-5，得到各層板混凝土收縮當(dāng)量溫差ΔT3約為-20℃，其值與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[4]9.1.3條文相近。

(2)混凝土綜合溫差計(jì)算

由于混凝土收縮應(yīng)力是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，混凝土的徐變特性對(duì)收縮溫度應(yīng)力均有一定的有利作用[6]。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)[7-8]，本項(xiàng)目混凝土收縮徐變應(yīng)力松弛系數(shù)φ0取0.3，彈性計(jì)算中沒有考慮混凝土開裂后剛度下降的影響，在進(jìn)行溫度分析時(shí)，可適當(dāng)降低構(gòu)件剛度來考慮開裂后剛度下降的影響。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈性剛度折減系數(shù)α取0.85?；炷辆C合降溫差ΔT降溫=αφ0(ΔT1+ΔT3)，則綜合降溫差ΔT降溫=-9.7℃；混凝土綜合升溫差ΔT升溫=αφ0ΔT2，則綜合升溫差ΔT升溫=5.9℃。

3.2 樓板溫度應(yīng)力分析

一般認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)在溫降工況下混凝土受拉易開裂，為溫度作用下重點(diǎn)考察的工況，溫升工況主要影響的是邊柱的彎矩和剪力。東商在溫降工況下的結(jié)構(gòu)變形如圖22所示，從圖中可看出結(jié)構(gòu)端部變形大，中間變形小。在溫度作用下的樓板應(yīng)力隨著樓層層數(shù)增大而遞減，這是由于框架結(jié)構(gòu)的剛度較弱，其構(gòu)件間相對(duì)變形能迅速減弱溫度應(yīng)力，溫降工況下2層樓板應(yīng)力云圖如圖23所示。2層樓板最大應(yīng)力部位為跨地鐵連廊桁架西側(cè)端部型鋼混凝土柱附近，由于型鋼混凝土柱截面尺寸為1 400×1 400，且桁架的剛度也較大，此處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，最大達(dá)4MPa，桁架東側(cè)型鋼混凝土柱附近也產(chǎn)生了應(yīng)力集中，約為2.4MPa，溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度的部位采用加強(qiáng)配筋的方式抵抗應(yīng)力集中。雖然中庭洞口間的連廊樓板寬度較小，但產(chǎn)生的溫度應(yīng)力并不大，約為0.8～1.3MPa，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度。3層樓板溫度應(yīng)力比2層小得多，主要在跨地鐵連廊兩側(cè)型鋼混凝土柱處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，最大為1.7MPa，其余部位拉應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度。

圖22 東商在溫降工況下結(jié)構(gòu)變形/mm

圖23 溫降工況下2層樓板應(yīng)力云圖/MPa

3.3 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)措施

本工程針對(duì)結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)采取了如下加強(qiáng)措施：

1)設(shè)置伸縮后澆帶，釋放早期混凝土收縮應(yīng)力。后澆帶間距為40m，局部考慮施工因素用膨脹加強(qiáng)帶代替后澆帶。后澆帶封閉時(shí)間不少于兩側(cè)混凝土澆筑后90d，且后澆帶封閉時(shí)的連續(xù)5日平均氣溫應(yīng)在15℃以下。2)梁板采用補(bǔ)償收縮混凝土，限值膨脹率不低于0.015%，后澆帶、膨脹加強(qiáng)帶處限制膨脹率不低于0.025%。膨脹劑選用高性能膨脹防水抗裂劑，其施工配合比應(yīng)通過試驗(yàn)確定。3)樓板采用雙層雙向配筋，首層樓面雙層雙向配筋10@170；2～6層樓板面筋配筋為10@200，底筋配筋為8@150；屋面層面筋配筋為10@150，底筋配筋為8@150。雖然中庭區(qū)域連廊計(jì)算溫度應(yīng)力不大，但偏于安全依然采用雙層雙向配筋不小于10@150。4)在2層樓面每隔60m設(shè)置一道誘導(dǎo)縫。5)采用普通硅酸鹽水泥，減小水化熱，控制砂的含泥量小于3%，在混凝土中摻入粉煤灰，減小水泥用量。敦促施工單位結(jié)合結(jié)構(gòu)及混凝土材料特性制定專項(xiàng)施工方案，施工過程中加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)，覆蓋養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7d。

4 大震彈塑性時(shí)程分析

為確保結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能，采用YJK-EP程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了大震彈塑性時(shí)程分析。為了解結(jié)構(gòu)在地震波激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)以及剛度退化情況[9]，對(duì)結(jié)構(gòu)頂部某代表節(jié)點(diǎn)在大震彈塑性與大震彈性時(shí)程響應(yīng)下的位移曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖24所示，從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程曲線與彈性時(shí)程曲線出現(xiàn)了分離現(xiàn)象，最大幅值和振動(dòng)頻率均不同步，但彈塑性時(shí)程曲線相對(duì)彈性時(shí)程曲線無明顯拉長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)周期無明顯增長(zhǎng)，說明結(jié)構(gòu)在地震波激勵(lì)作用下雖有部分構(gòu)件累積損傷，但結(jié)構(gòu)整體剛度退化不明顯，結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性狀態(tài)的程度較低。

圖24 大震作用下頂點(diǎn)位移時(shí)程響應(yīng)

東商豎向構(gòu)件在大震作用下混凝土受壓損傷和鋼筋受拉損傷分別如圖25、圖26所示，可以看出混凝土和鋼筋損傷程度均較低，最大損傷發(fā)生在跨地鐵連廊西側(cè)型鋼混凝土柱，混凝土受壓損傷值約為0.5，鋼筋受拉損傷值約為0.3，柱處于基本完好的狀態(tài)。

圖25 大震作用下混凝土受壓損傷

圖26 大震作用下鋼筋受拉損傷

東商在大震作用下X向、Y向的最大層間位移角分別為1/254，1/245，小于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]規(guī)定的1/50的限值要求，結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入非線性的程度較低，豎向構(gòu)件處于基本完好的狀態(tài)，能確保在大震作用下結(jié)構(gòu)的安全。

5 結(jié)語

(1)對(duì)豎向構(gòu)件不連續(xù)，可采用斜柱或轉(zhuǎn)換柱處理，當(dāng)斜柱傾斜角度大于15°時(shí)可增設(shè)型鋼保證重要構(gòu)件的安全度。對(duì)抬柱轉(zhuǎn)換也不必拘泥于一種形式，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)換梁跨度和被轉(zhuǎn)換柱荷載采用合適的轉(zhuǎn)換方式，跨度、荷載較小時(shí)可采用梁式轉(zhuǎn)換，跨度、荷載較大時(shí)可采用梁加支撐方式轉(zhuǎn)換。

(2)對(duì)大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)可采用型鋼梁和預(yù)應(yīng)力梁結(jié)合的方式處理，框架部位采用型鋼梁，非框架部位采用預(yù)應(yīng)力梁。

(3)在框架結(jié)構(gòu)中樓梯間部位增設(shè)普通混凝土支撐可以改善結(jié)構(gòu)的周期比，但必須考慮普通混凝土支撐在往復(fù)地震作用下混凝土開裂，受拉剛度退化的影響。

(4)對(duì)多梁交匯節(jié)點(diǎn)可增設(shè)環(huán)梁改善節(jié)點(diǎn)混凝澆筑質(zhì)量。對(duì)型鋼混凝土柱多梁交匯，也可將型鋼混凝土柱變成鋼管混凝土柱，混凝土梁采用短鋼梁與鋼管混凝土柱連接。

(5)框架結(jié)構(gòu)在溫度作用下底部樓層溫度應(yīng)力較大，上部樓層溫度應(yīng)力迅速減小，根據(jù)溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)構(gòu)加強(qiáng)應(yīng)力集中部位的配筋，采取合適的施工措施可有效解決結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)問題。