某商業(yè)綜合體項(xiàng)目產(chǎn)品特點(diǎn)分析與加強(qiáng)措施

郟建磊， 陳 柯, 張 兵

(基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)股份有限公司， 四川成都 610000)

目前的商業(yè)綜合體項(xiàng)目中，如城市中常見(jiàn)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)、龍湖天街、吾悅廣場(chǎng)及大悅城系列等 ，商業(yè)開(kāi)發(fā)模式、業(yè)態(tài)形式等可能有所不同，但作為城市購(gòu)物、娛樂(lè)、體驗(yàn)場(chǎng)景的主要聚集場(chǎng)所，都具有一些共性的產(chǎn)品特點(diǎn)，比如為了更大無(wú)遮擋空間，為了更炫酷的外形需要而設(shè)計(jì)的大跨度框架、大懸挑平臺(tái)，為了顧客更好視角、更舒適的購(gòu)物體驗(yàn)而全樓通高設(shè)置的中庭大開(kāi)洞，以及為了更大、更高的IMAX影廳而形成的穿層柱、大跨度屋面以及局部轉(zhuǎn)換等，面對(duì)上述產(chǎn)品特點(diǎn)，如何解決大跨度框架、大懸挑樓板的舒適度問(wèn)題，如何保證因平面多處開(kāi)洞形成的薄弱樓板連接能夠有效工作，如何解決超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力可能造成的樓板開(kāi)裂，如何對(duì)屋面大跨度影廳進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，以及如何解決高烈度區(qū)大商業(yè)的剛度偏弱和位移比較大而導(dǎo)致的超限問(wèn)題，都值得我們?nèi)ミM(jìn)行研究，并采取合適的加強(qiáng)措施來(lái)保證重點(diǎn)類設(shè)防的大商業(yè)安全高效運(yùn)營(yíng)，本文將通過(guò)一個(gè)典型的商業(yè)綜合體案例對(duì)上述問(wèn)題一一進(jìn)行分析，并提供合理有效的加強(qiáng)措施。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于四川省某城市中心區(qū)域，商業(yè)綜合體建筑面積約10萬(wàn)m2，地下2層，地上6層，局部因影院設(shè)計(jì)為7層，房屋高度為36.9 m(圖1)。上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)形式為機(jī)械旋挖樁基承臺(tái)+防水板，局部采用天然基礎(chǔ)，樁端持力層為中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，天然基礎(chǔ)地基持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖及以上(圖2)。根據(jù)GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 及 GB 50153-2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[1]，本工程地震動(dòng)參數(shù)等信息(表1)，根據(jù)DB51/T5058《四川省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)》[2]、建質(zhì)【2015】67號(hào)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[3]，本工程結(jié)構(gòu)存在樓板不連續(xù)及其他不規(guī)則(局部穿層柱、局部轉(zhuǎn)換)等2項(xiàng)不規(guī)則，屬于一般不規(guī)則高層建筑。

表1 地震動(dòng)參數(shù)

圖1 項(xiàng)目總圖

圖2 結(jié)構(gòu)典型平面

2 大跨度、大懸挑樓板舒適度分析

根據(jù)GB50010-2010(2015年版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》3.4.6條，樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有適宜的舒適度，豎向自振頻率大跨度公共建筑不宜低于3 Hz的要求[4]。首先通過(guò)YJK軟件計(jì)算得到豎向振動(dòng)頻率，如圖3、表2所示,可以看出各樓層第一～第三豎向振動(dòng)頻率均滿足規(guī)范要求，限于篇幅，僅給出各樓層第一振型及部分樓層豎向振動(dòng)加速度，如圖4、圖5所示，參考JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.7.7條，本工程對(duì)樓蓋中最不利位置(頻率小于及接近3 Hz的部位)的峰值加速度進(jìn)行進(jìn)一步分析及控制。

圖3 樓板及設(shè)備振動(dòng)-荷載時(shí)程類型

表2 各樓層第一～三豎向振動(dòng)頻率

圖4 4層第一豎向振型

圖5 影廳夾層第一豎向振型

采用YJK選取最不利位置(即結(jié)構(gòu)剛度較小的位置，也就是撓度較大處)進(jìn)行豎向振動(dòng)加速度分析。參考JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄A.0.1，樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度宜采用時(shí)程分析方法計(jì)算[5]。通過(guò)人群行走步行荷載進(jìn)行時(shí)程分析以求得樓蓋的豎向振動(dòng)加速度，采用連續(xù)步行工況，如圖6所示。

圖6 連續(xù)步行工況

圖7～圖9分別列出了4層、大屋面層、影廳夾層最不利位置對(duì)應(yīng)加速度峰值點(diǎn)的時(shí)程曲線。從圖中可以看出，4層最大峰值加速度為0.082 m/s2，屋面層最大峰值加速度為0.076 m/s2，影廳夾層最大峰值加速度為0.058 m/s2，樓蓋豎向振動(dòng)加速度峰值滿足高規(guī)限值0.15 m/s2的要求。

圖7 4層板面加速度峰值點(diǎn)時(shí)程曲線

圖8 大屋面加速度峰值點(diǎn)時(shí)程曲線

圖9 影廳夾層加速度峰值點(diǎn)時(shí)程曲線

若驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)樓板舒適度不滿足規(guī)范要求，可采取措施進(jìn)行解決：

(1)調(diào)整建筑功能，使得振源遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)敏感區(qū)域。

(2)改變結(jié)構(gòu)形式：包括改變梁柱布置、增加梁截面，加厚樓板等，對(duì)于懸挑結(jié)構(gòu)，可通過(guò)增設(shè)斜向支撐或拉桿解決。

(3)附加調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)。

3 薄弱連接的樓板專項(xiàng)分析

3.1 樓板連接薄弱處隔離體驗(yàn)算

結(jié)合本工程實(shí)際情況，本工程與中庭流線開(kāi)洞，被分為2個(gè)塊體，加之中庭開(kāi)洞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連接薄弱，為了確保中庭上下、區(qū)域協(xié)調(diào)工作，截取結(jié)構(gòu)平面的上半?yún)^(qū)(圖10)，作為“隔離體”，計(jì)算上半?yún)^(qū)在中震下的樓板地震作用力，中庭連廊區(qū)域展開(kāi)樓板承擔(dān)全部作用力，復(fù)核中震作用下，樓板抗拉、抗剪等效應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

圖10 平面結(jié)構(gòu)布置圖截取示意

IBC 2003《美國(guó)建筑規(guī)范》第1620.4.3款，ASCE 7-02《美國(guó)建筑設(shè)計(jì)荷載規(guī)范》第9.5.2.6.4.4款，對(duì)判別為平面凹凸不規(guī)則，樓板不連續(xù)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，專門提出了地震作用下樓板剪力的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

式中：Fpx為地震作用下x層樓板受到平面內(nèi)剪力；Fi為i層受到的水平地震作用；Wi為i層質(zhì)量；Wpx為x層質(zhì)量。

由彈性樓板在中震作用下的應(yīng)力分析結(jié)果，可得：

地上第5層結(jié)構(gòu)質(zhì)量為W5=27364.6×103kg;

因此，中震作用下，地上第5層樓板受到總剪力為：

=24694.07 kN

依據(jù)《復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》[6]第202～203頁(yè)所述，當(dāng)弱連系樓板兩翼主體質(zhì)量不等時(shí)，可將總水平地震作用按各翼質(zhì)量比例進(jìn)行分配，取小值。

則對(duì)于本工程中震作用下，5層樓板在薄弱部位受到剪力約為地上5樓板受到總剪力的0.5倍：

27364.6×103=12347.035 kN

即在中震作用下，第5層連接薄弱處樓板按隔離體的等效應(yīng)力小于ftk(C30混凝土ftk=2.01 MPa)，故中庭樓板連接可靠，經(jīng)驗(yàn)算第2～4層連接薄弱處樓板均滿足要求。

3.2 樓板連接薄弱處構(gòu)造加強(qiáng)措施

針對(duì)中庭連廊連接薄弱的情況，根據(jù)規(guī)范有關(guān)要求，為了保證上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)樓板在中震作用下傳力可靠，采取措施：

(1)連廊處縱向受力鋼筋不得采用綁扎連接，應(yīng)采用焊接連接或機(jī)械連接。

(2)連廊處的縱向鋼筋按抗震錨固長(zhǎng)度的要求錨入兩側(cè)，連接處梁、板內(nèi)的鋼筋均應(yīng)滿足抗震鋼筋的性能高要求。

(3)連廊處的梁內(nèi)鋼筋通長(zhǎng)設(shè)置，并兩側(cè)設(shè)置通長(zhǎng)抗扭鋼筋，通長(zhǎng)鋼筋在梁端的錨固要求同梁主筋，抗扭鋼筋應(yīng)滿足構(gòu)造要求。

(4)連板板厚應(yīng)加強(qiáng)到150 mm以上，對(duì)于連接比較薄弱的部位，施工圖階段根據(jù)計(jì)算需要適當(dāng)增加板厚，配筋應(yīng)雙層雙向配置，在連板端部的同連板寬度范圍內(nèi)的鋼筋間距適當(dāng)加密，以增強(qiáng)連板的抗剪能力。

4 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

4.1 規(guī)范要求及項(xiàng)目概況

根據(jù)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.4.12條規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為5 m。

本項(xiàng)目平面尺寸約為208 m×103 m，且不設(shè)伸縮縫，橫向及縱向?qū)挾染^(guò)規(guī)范要求較多，有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析，以選擇適宜的構(gòu)造措施。

4.2 溫度作用工況分析

根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》9.3.1條以及附錄E，參考某市地區(qū)基本氣溫Ts,max=35 ℃，Ts,min=2 ℃。

假定后澆帶合攏時(shí)的溫度為：15 ℃

升溫工況：ΔTk=Ts,max-T0,min=35-15=20℃

降溫工況：ΔTk=Ts,min-T0,max=2-15=-13℃

考慮混凝土收縮當(dāng)量ΔTs=16 ℃，徐變應(yīng)力松弛折減系數(shù)近似取為0.3，混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后剛度折減取為0.85，則升溫按(20-16)×0.3×0.85=1.02 ℃，降溫按-(16+13)×0.3×0.85=-7.4 ℃考慮。(注：混凝土收縮的計(jì)算方法目前常用的有：①王鐵夢(mèng)方法[7]；②美國(guó)ACI委員會(huì)方法(ACI209-82)；③中國(guó)建筑科學(xué)院方法；④Trost方法。由于規(guī)范未給出明確的計(jì)算方法，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況選用，本文選用ACI方法，假定90天后封閉后澆帶，混凝土大約可以完成60%的自由變形)。

溫度作用不與地震作用同時(shí)組合，但溫度作用與恒載、活載、風(fēng)荷載同時(shí)作用。

4.3 溫度應(yīng)力計(jì)算

本工程采用YJK(2.0.3)計(jì)算得到各層樓板在升溫工況及降溫工況作用下的面內(nèi)應(yīng)力。

樓板主要基本信息為：樓板混凝土強(qiáng)度為C30；1層板厚為180 mm(人防區(qū)最小板厚250 mm)，其余樓層除連橋外均為100 mm，連橋及影廳間連接板均為150 mm，大屋面板厚120 mm。經(jīng)計(jì)算，升溫工況與降溫工況對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的拉壓效應(yīng)相反，拉壓應(yīng)力在數(shù)值上基本相當(dāng)，故以下分析結(jié)果僅示出降溫工況。分析結(jié)果如圖11、圖12所示(篇幅受限只提供部分樓層)。

圖11 降溫工況4層X(jué)向樓板應(yīng)力云圖

圖12 降溫工況大屋面Y向樓板應(yīng)力云圖

經(jīng)分析，結(jié)論有：

(1)樓板：1層樓板X向溫度應(yīng)力在0.7～1.6 MPa之間，Y向溫度應(yīng)力在0.8～1.9 MPa之間；2層樓板X向溫度應(yīng)力在0.2～1.8 MPa之間，Y向溫度應(yīng)力在0.2～1.2 MPa之間；其余層樓板X向溫度應(yīng)力在0.2～0.8 MPa之間，Y向溫度應(yīng)力在0.1～0.3 MPa之間；大部分樓板在溫度作用下的應(yīng)力水平不超過(guò)樓板混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，溫度作用對(duì)樓板影響較小，樓板承載力可不考慮溫度作用。

(2)梁柱：溫度作用下，水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生一定的彎矩和軸力，但溫度作用與地震作用不同時(shí)參與組合，最終承載力由地震設(shè)計(jì)工況控制，梁柱承載力不考慮溫度作用。

4.4 加強(qiáng)措施

以上分析結(jié)果表明，在升溫工況和降溫工況下，大部分樓層樓板最大主拉應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(C30抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa)，僅在洞口角點(diǎn)及平面轉(zhuǎn)角處因存在應(yīng)力集中，應(yīng)力相對(duì)較大。

針對(duì)樓板溫度應(yīng)力分析結(jié)果，采取以下措施應(yīng)對(duì)溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響：

(1)1層非人防區(qū)最小板厚取為180 mm，采用雙層雙向配筋，配筋率大于0.25%。

(2)將本工程中庭連接處樓板加厚至150 mm，雙層雙向配筋，配筋值不小于φ10@150 mm。

(3)大屋面處最小板厚取為120 mm，雙層雙向配筋，配筋不小于(φ10+φ12)@200 mm。

(4)大商業(yè)長(zhǎng)邊方向兩端梁柱加強(qiáng)措施：梁內(nèi)鋼筋通長(zhǎng)設(shè)置，并兩側(cè)設(shè)置通長(zhǎng)抗扭鋼筋，通長(zhǎng)鋼筋在梁端的錨固要求同梁主筋；柱配筋放大1.1倍。

5 屋面大跨影廳及加強(qiáng)措施

本工程中大屋面板面以上設(shè)有大跨屋面影廳，該部分的重點(diǎn)問(wèn)題有：①穿層柱；②大跨框架屋面(超18 m)；③大跨屋頂柱有局部為轉(zhuǎn)換柱；④大屋面到小屋面有局部體型收進(jìn)。

根據(jù)軟件分析及工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)上述情況的加強(qiáng)措施有：

(1)針對(duì)穿層柱，采用特征值屈曲分析復(fù)核計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)；穿層柱滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服驗(yàn)算要求；采用穿層柱周圍柱剪力的最大值進(jìn)行計(jì)算復(fù)核；箍筋全高加密。

(2)針對(duì)大跨度框架(超18 m，除本層外，1～6F均采用該加強(qiáng)措施)，采用框架抗震等級(jí)提高到特一級(jí)；大跨框架滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服驗(yàn)算要求；驗(yàn)算豎向地震作用。

(3)針對(duì)大跨屋面柱為被轉(zhuǎn)換柱的情況，下部轉(zhuǎn)換梁采用框架抗震等級(jí)提高到特一級(jí)，轉(zhuǎn)換次梁按照框架梁全部加密和加強(qiáng)；下部轉(zhuǎn)換梁滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服驗(yàn)算要求；下部轉(zhuǎn)換梁驗(yàn)算豎向地震作用。

(4)針對(duì)大屋面到小屋面有局部體型收進(jìn)，大屋面收進(jìn)位置的樓板設(shè)置為130 mm、雙層雙向配筋，收進(jìn)位置柱上下層箍筋全高加密。

(5)影廳屋面弱連接樓板相關(guān)范圍內(nèi)樓板厚度加厚至150 mm，采用雙層雙向配筋，配筋不小于φ10@150 mm。

5.1 穿層柱屈曲分析及加強(qiáng)措施

本工程分別在屋面影廳(大屋面以上)存在11根穿層柱，限于篇幅，下列僅對(duì)其典型且最不利框柱進(jìn)行分析闡述。由于躍層柱缺乏中間樓板的側(cè)向支撐，有必要對(duì)其實(shí)際計(jì)算長(zhǎng)度及臨界承載力進(jìn)行分析，穿層柱編號(hào)如圖13所示。

圖13 穿層柱編號(hào)

KZ6、KZ7柱最大無(wú)支撐長(zhǎng)度為14.55 m，KZ8、KZ9柱最大無(wú)支撐長(zhǎng)度為10.25 m，均為鋼筋混凝土柱，其中KZ6、KZ7截面尺寸均為700 mm×700 mm，KZ8、KZ9截面尺寸均為600 mm×600 mm。采用YJK軟件進(jìn)行屈曲穩(wěn)定分析，在結(jié)構(gòu)整體模型中考慮柱的彈性約束，得到真實(shí)的約束條件。在躍層柱上施加軸線方向上的力，進(jìn)行屈曲分析后得到柱的屈曲模態(tài)以及屈曲荷載系數(shù)，即可求得柱的屈曲臨界荷載Pcr。將Pcr與中震下的柱軸力設(shè)計(jì)值Fex進(jìn)行對(duì)比，若Pcr>Fex，則柱子不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞(安全)。

按照前述方法，對(duì)此7根柱分別進(jìn)行屈曲分析，計(jì)算所得的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)見(jiàn)表3。

從表3中結(jié)果可以看出，臨界力遠(yuǎn)大于中震作用下柱軸力設(shè)計(jì)值，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)小于施工圖設(shè)計(jì)時(shí)所選用的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)1.25，穿層柱不會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn)，構(gòu)件的力學(xué)特性在常規(guī)范圍內(nèi)。

表3 穿層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)

加強(qiáng)措施：穿層柱按小震彈性，中震抗剪彈性，抗彎不屈服包絡(luò)設(shè)計(jì)。柱子全高加密，采用周邊柱剪力的最大值對(duì)躍層柱子進(jìn)行復(fù)核配筋。

6 屈曲約束支撐的應(yīng)用

本工程地處7度抗震設(shè)防區(qū)，由于平面尺寸較大且柱網(wǎng)分布不均勻，造成其側(cè)向剛度較弱，考慮偶然偏心下的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.4，考慮到本工程已存在樓板不連續(xù)和局部轉(zhuǎn)換及躍層柱的2項(xiàng)不規(guī)則，根據(jù)DB 51/T5058《四川省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定[2]，屬于3項(xiàng)不規(guī)則，3項(xiàng)不規(guī)則高層建筑需要進(jìn)行超限審查，考慮到本項(xiàng)目復(fù)雜程度不高，且業(yè)主時(shí)間要求緊張，需避免超限審查環(huán)節(jié)，故需要消除1項(xiàng)不規(guī)則，三者比較看，消除扭轉(zhuǎn)位移比影響相對(duì)較小，故結(jié)構(gòu)方案定案時(shí)決定往提升整體結(jié)構(gòu)剛度，將扭轉(zhuǎn)位移比降到1.4以下的方案進(jìn)行。

目前提升結(jié)構(gòu)剛度的方法主要有局部增設(shè)剪力墻、設(shè)置屈曲約束支撐等方案，局部增設(shè)剪力墻可以提升結(jié)構(gòu)整體剛度，也能夠控制扭轉(zhuǎn)位移比到1.4以內(nèi)，但考慮到本項(xiàng)目屬于重點(diǎn)類設(shè)防建筑，存在較多的不規(guī)則及特殊做法，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件如墻柱等需進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，增加的剪力墻在地震作用下吸收的地震剪力過(guò)大，中大震下抗震性能較差且不可逆，故予以排除。

屈曲約束支撐(Buckling-restrained Brace，簡(jiǎn)稱BRB)既解決了普通鋼支撐的失穩(wěn)破壞問(wèn)題，又能保持桿件在受拉和受壓時(shí)候工作機(jī)制一致。屈曲約束支撐耗能能力強(qiáng)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)安全起到了很強(qiáng)的保護(hù)作用。

本項(xiàng)目在地上5層平面的3個(gè)角部位置設(shè)置了3道BRB(樓梯間側(cè)墻處)，經(jīng)分析后數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 屈曲約束支撐小中震應(yīng)力比及軸力

由這些數(shù)據(jù)可以看出，小震設(shè)計(jì)和中震彈性下，屈曲約束支撐均未發(fā)生屈曲，應(yīng)力比均小于1.0，軸力未超過(guò)預(yù)設(shè)的屈服力2 700 kN的限值。因此屈曲約束支撐在小震和中震下均處于彈性工作狀態(tài)。大震情況下，屈曲約束支撐能正常工作，未發(fā)生受拉破壞。

BRB相連框架為關(guān)鍵構(gòu)件，在小、中、大震下，均能達(dá)到預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)商業(yè)綜合體項(xiàng)目的共性特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，結(jié)合實(shí)際工程案例逐一進(jìn)行了分析，內(nèi)容涉及大跨度、大懸挑樓板的舒適度，因中庭大開(kāi)洞造成的樓板薄弱連接部位的抗剪、抗拉承載力，超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，屋面大跨度影廳造成的大跨度、穿層柱和局部轉(zhuǎn)換以及屈曲約束支撐的運(yùn)用等，并提出了相應(yīng)的解決辦法和加強(qiáng)措施。