長沙某商業(yè)綜合體結構設計

劉一斌， 熊繼業(yè)， 莫林輝， 王海霖

(中機國際工程設計研究院有限責任公司， 長沙 410007)

1 工程概況

本項目位于長沙市岳麓區(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)項目，項目總用地面積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，兩者之間的地下結構功能為軌道交通，上部結構為大跨度鋼結構連廊。東商、西商的地上2層均有過街連廊，并與本項目住宅、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

本項目建筑結構安全等級為一級，地基基礎設計等級為甲級，建筑抗震設防類別為乙類，地震設防烈度為6度(0.05g)[1]，場地類別為Ⅱ類，基本風壓為0.35kN/m2，基本雪壓為0.45kN/m2?；A形式主要為筏板+下柱墩基礎，部分區(qū)域采用旋挖樁基礎，上部結構為框架結構，標準柱網(wǎng)尺寸為8.5m×11.0m，中庭、影院區(qū)域主要梁跨度為20～26m。

本項目跨地鐵連廊與西商之間設變形縫(防震縫)，結合建筑功能，變形縫位置在跨地鐵連廊西側一跨至兩跨的范圍內，跨地鐵連廊與東商之間不設縫，二者為一個結構單元。結構存在豎向構件不連續(xù)、樓板大開洞、大跨度、大懸挑、跨地鐵連廊、結構超長、多梁交匯等設計難點，地上3層平面布置見圖2。

圖2 地上3層結構平面布置圖

2 結構設計中的關鍵問題

2.1 豎向構件不連續(xù)

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

圖3 中庭區(qū)域局部斜柱、轉換柱示意圖

(1)轉換柱

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

型鋼梁轉換見圖4，轉換柱間轉換梁凈跨5 450mm，由于荷載很大，轉換梁截面尺寸為1 200×1 500時，抗彎承載力仍不滿足要求，故在梁中增設型鋼，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設置構造型鋼，構造型鋼截面為H700×600×20×40，計算時不考慮其作用。

圖4 型鋼梁轉換

鋼筋混凝土支撐轉換見圖5，轉換柱間轉換梁凈跨為7 300mm，因荷載較大，轉換梁截面尺寸為1 200×1 400時，抗彎承載力仍不滿足要求。結合建筑布置，此處增設兩根截面為900×900的鋼筋混凝土支撐。

圖5 鋼筋混凝土支撐轉換

(2)斜柱

中庭區(qū)域洞口邊斜柱均向遠離洞口方向傾斜，典型部位斜柱如圖6所示。取節(jié)點隔離體分析可知，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

對斜柱采取如下加強措施，斜柱相鄰樓板板厚不小于150mm，按彈性板計算，配筋不小于雙層雙向10@200；傾斜角度15°以內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，當梁受拉時，縱筋采用機械連接；當斜柱傾斜角度大于30°時，柱內設型鋼，平衡斜柱的拉力不考慮樓板作用，全部由框架梁承擔；與斜柱相連的框架梁受拉時梁頂通長筋面積不小于支座筋的50%，腰筋不小于16@200。

2.2 大跨度與大懸挑結構

根據(jù)建筑方案要求，本項目中庭區(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構，典型中庭布置見圖7。對跨度大于18m或懸挑長度大于5m且計算配筋率大于1.8%的框架梁或柱邊懸挑梁采用型鋼梁方案，次梁采用預應力梁方案，并復核次梁的撓度及裂縫。采用預應力梁方案時，連續(xù)梁支座處預應力矢高為180mm，梁底矢高為150mm，預應力筋線型為二次拋物線，懸挑梁預應力筋線型為直線。為保證大跨度與大懸挑結構的安全及舒適度，設計采取了如下措施：

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度比不小于1/6，挑梁間距小于梁截面平均寬度8倍時，梁高與挑出長度比適當放寬，但不得小于1/8。為減輕懸挑結構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)《組合結構設計規(guī)范》(JGJ 138—2016)[2]規(guī)定，本項目型鋼梁箍筋直徑不小于10mm。懸挑型鋼梁中鋼骨伸入內跨長度不小于1.2倍懸挑長度，并不小于計算需要長度與鋼骨截面高度之和。

(3)懸挑長度大于5.5m的梁，構造設計加腋，腋高300mm，腋長1 500mm，柱邊、主梁邊懸挑梁構造加腋分別如圖9，10所示。

圖9 柱邊懸挑梁構造加腋

圖10 主梁邊懸挑梁構造加腋

(4)預應力梁預應力度不宜大于0.7，不應大于0.75，并復核開裂彎矩。

(5)大跨度梁底筋、大懸挑梁面筋實際配筋率較計算放大1.2倍。

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

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

圖11 5層樓板最不利振動位置示意圖

2.3 東、西商跨地鐵連廊

東、西商間跨地鐵連廊采用鋼結構桁架方案，桁架最大跨度為60.3m，與西商設縫脫開，與東商連接成一個整體，鋼結構桁架兩端為型鋼混凝土柱，柱截面尺寸為1 400×1 400，內設方鋼骨，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 中庭采光頂設計

中庭采光頂采用鋼結構單層網(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構可靠連接，在采光頂周邊混凝土梁中設置了型鋼鋼骨。采光頂網(wǎng)殼立柱與主體結構連接如圖15所示。

圖14 采光頂網(wǎng)格劃分示意

圖15 采光頂與主體結構連接

2.5 控制周期比

東商由于平面不規(guī)則，周期比難以滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]的要求，經(jīng)多次試算在平面北側和東側樓梯間隔墻處增設混凝土斜撐以增大結構的抗扭剛度，控制結構周期比在0.9以內，與斜撐相連的框架柱按中震彈性設計，并滿足大震抗剪不屈服的要求?；炷列睋卧谑芾_裂時剛度退化，其剛度按折減0.5倍考慮。

2.6 多梁交匯節(jié)點

由于本項目平面布置復雜，不可避免存在多梁交匯節(jié)點。當型鋼混凝土柱與多根混凝土梁連接時，在交匯節(jié)點處增設環(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。即使設置環(huán)梁，鋼筋錨固和混凝土澆筑也較困難，設計時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，增設了鋼拉桿與主體結構豎向構件相連，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 超長結構溫度應力

3.1 溫度荷載取值

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[4]及長沙市氣象資料，考慮實際施工合攏時間，選取結構后澆帶合攏時間是春秋季節(jié)，連續(xù)五日平均氣溫不高于15℃。長沙市區(qū)統(tǒng)計春秋季節(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)混凝土收縮當量溫差計算

參照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62—2004)[5]附錄F，混凝土收縮計算公式如下：

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]

式中各個字符的含義見《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(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量溫差ΔT3約為-20℃，其值與《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[4]9.1.3條文相近。

(2)混凝土綜合溫差計算

由于混凝土收縮應力是一個長期的過程，混凝土的徐變特性對收縮溫度應力均有一定的有利作用[6]。根據(jù)類似工程經(jīng)驗[7-8]，本項目混凝土收縮徐變應力松弛系數(shù)φ0取0.3，彈性計算中沒有考慮混凝土開裂后剛度下降的影響，在進行溫度分析時，可適當降低構件剛度來考慮開裂后剛度下降的影響。本項目結構構件彈性剛度折減系數(shù)α取0.85。混凝土綜合降溫差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 樓板溫度應力分析

一般認為混凝土結構在溫降工況下混凝土受拉易開裂，為溫度作用下重點考察的工況，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構變形如圖22所示，從圖中可看出結構端部變形大，中間變形小。在溫度作用下的樓板應力隨著樓層層數(shù)增大而遞減，這是由于框架結構的剛度較弱，其構件間相對變形能迅速減弱溫度應力，溫降工況下2層樓板應力云圖如圖23所示。2層樓板最大應力部位為跨地鐵連廊桁架西側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)生了較大的應力集中，最大達4MPa，桁架東側型鋼混凝土柱附近也產(chǎn)生了應力集中，約為2.4MPa，溫度應力超過混凝土抗拉強度的部位采用加強配筋的方式抵抗應力集中。雖然中庭洞口間的連廊樓板寬度較小，但產(chǎn)生的溫度應力并不大，約為0.8～1.3MPa，小于混凝土的抗拉強度。3層樓板溫度應力比2層小得多，主要在跨地鐵連廊兩側型鋼混凝土柱處產(chǎn)生了應力集中，最大為1.7MPa，其余部位拉應力均小于混凝土的抗拉強度。

圖22 東商在溫降工況下結構變形/mm

圖23 溫降工況下2層樓板應力云圖/MPa

3.3 超長結構的加強措施

本工程針對結構超長采取了如下加強措施：

1)設置伸縮后澆帶，釋放早期混凝土收縮應力。后澆帶間距為40m，局部考慮施工因素用膨脹加強帶代替后澆帶。后澆帶封閉時間不少于兩側混凝土澆筑后90d，且后澆帶封閉時的連續(xù)5日平均氣溫應在15℃以下。2)梁板采用補償收縮混凝土，限值膨脹率不低于0.015%，后澆帶、膨脹加強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，其施工配合比應通過試驗確定。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)域連廊計算溫度應力不大，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設置一道誘導縫。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。敦促施工單位結合結構及混凝土材料特性制定專項施工方案，施工過程中加強混凝土的養(yǎng)護，覆蓋養(yǎng)護時間不少于7d。

4 大震彈塑性時程分析

為確保結構在罕遇地震作用下的抗震性能，采用YJK-EP程序對結構進行了大震彈塑性時程分析。為了解結構在地震波激勵下，結構的位移反應以及剛度退化情況[9]，對結構頂部某代表節(jié)點在大震彈塑性與大震彈性時程響應下的位移曲線進行對比分析，如圖24所示，從圖中可以看出，結構彈塑性時程曲線與彈性時程曲線出現(xiàn)了分離現(xiàn)象，最大幅值和振動頻率均不同步，但彈塑性時程曲線相對彈性時程曲線無明顯拉長，結構周期無明顯增長，說明結構在地震波激勵作用下雖有部分構件累積損傷，但結構整體剛度退化不明顯，結構進入非線性狀態(tài)的程度較低。

圖24 大震作用下頂點位移時程響應

東商豎向構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《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]規(guī)定的1/50的限值要求，結構整體進入非線性的程度較低，豎向構件處于基本完好的狀態(tài)，能確保在大震作用下結構的安全。

5 結語

(1)對豎向構件不連續(xù)，可采用斜柱或轉換柱處理，當斜柱傾斜角度大于15°時可增設型鋼保證重要構件的安全度。對抬柱轉換也不必拘泥于一種形式，應根據(jù)轉換梁跨度和被轉換柱荷載采用合適的轉換方式，跨度、荷載較小時可采用梁式轉換，跨度、荷載較大時可采用梁加支撐方式轉換。

(2)對大跨度、大懸挑結構可采用型鋼梁和預應力梁結合的方式處理，框架部位采用型鋼梁，非框架部位采用預應力梁。

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

(4)對多梁交匯節(jié)點可增設環(huán)梁改善節(jié)點混凝澆筑質量。對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)框架結構在溫度作用下底部樓層溫度應力較大，上部樓層溫度應力迅速減小，根據(jù)溫度應力計算結構加強應力集中部位的配筋，采取合適的施工措施可有效解決結構超長問題。