临沂某商业综合体结构分析与设计

韩振林 苏光学 张兆超

山东省建筑设计研究院有限公司 山东 济南 250001

1 工程概况

本项目位于临沂市兰山区，包括2栋28层和21层办公楼，2栋15层和28层住宅楼，1栋八层商业SHOPPING MALL及连接各栋楼的三层商业外街（图1）,总建筑面积为295697.43m2，其中地上174669.12m2，地下121028.31m2；地下三层，各单体地下结构连为一体；八层商业部分地上与三层商业外街相邻,之间设防震缝,为独立的结构单元。本文主要介绍此八层商业结构设计。八层商业是以休闲购物为核心，融合商业内外街组织的零售购物中心、超市、餐饮、时尚精品店、影城、休闲商业为一体的城市综合体，总建筑面积为13276m2，其中地上为81737m2，对应地下为51026m2，结构东西向长119m、南北向长121m，建筑高度41.150m，室内外高差0.150m。

图1 建筑效果图

结构设计使用年限为50年，安全等级为一级，结构重要性系数γ0＝1.1。地基基础的设计等级为甲级。抗震设防类别为重点设防类（乙类建筑），抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组，场地土类别为II类，场地特征周期Tg=0.35s。根据本工程的地震安评报告，多遇地震下地震峰值加速度为66cm/s2，《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（简称抗规）规定多遇地震下地震峰值加速度为55 cm/s2，安评所提供地震峰值加速度明显大于规范值，因此本工程小震计算地震峰值加速度按安评取值，反应谱按规范谱，中震和大震地震影响系数和峰值加速度按安评报告计算的地震影响系数最大值与规范值小震下地震影响系数最大值的比值相应提高，即中震αmax=0.43，大震αmax=0.90，特征周期为0.40s。抗震等级按7度、乙类建筑取值。

2 基础及地下室结构设计

根据地质工程地勘报告和工程实际情况，基础以第⑦层中风化石灰岩为持力层，地基承载力特征值fa=2500kPa，考虑到本工程抗浮水位较高，抗浮设防水头为11.400m，本工程采用筏板基础（柱下设下柱墩），筏板厚度为750mm。对于纯地下室部分及柱底压力不足以抵抗水浮力的高层部分，采用抗浮锚杆方案；锚杆锚孔直径D=200mm，锚杆抗拔承载力特征值为290kN, 锚杆锚入第(7)层中风化石灰岩的深度不小于2.0m，锚杆基本间距为1.7m×1.7m。根据勘察报告，场地内存在部分岩溶洞隙，基坑开挖至设计标高后应通过工程物探和钻探相结合的方法进一步查明基底下一定深度内岩溶分布、规模、形态等特点，根据实际情况考虑对锚杆和基础的影响。

3 上部结构抗震设计

3.1 结构超限分析

本工程地上平面角部呈弧形，根据功能及造型的需要，二层楼板及以上均有不同大小的洞口、七层以上体型收进，平面布局复杂、立面不规则，对结构设计提出了很高的要求，主要表现在：

（1）地面以上各楼层有大面积开洞，其中七层夹层部分，在楼层中部设置一大洞口，洞口面积达楼面面积的46%，大洞口将本楼层分为仅四周连接的结构形式，其西北及东南侧连接薄弱，仅为单跨连接，楼板连接宽度为8.5m；五层影厅部分，楼层开洞面积为楼面面积的35%,且影厅间布置较密集，有效楼板宽度较小。如何确保楼板大开洞的各层结构在地震作用下的安全是结构设计的关键问题。

（2）为满足地下室建筑功能要求，部分剪力墙不落地，需在地下一层及地下二层进行结构转换，由于剪力墙荷载较大及剪力墙的重要性，同时建筑对地下室净高的要求，都加大了结构的设计难度。

（3）根据建筑方案要求，本工程入口门厅处为跃层柱，柱高11.15m，且此门厅柱在四、五层影院处也为跃层柱，且支撑影院大跨度框架梁，受力复杂，为结构设计的关键构件。

（4）中庭大洞口周边为商场人流通道，建筑要求大洞口周边应开阔，不能设柱，结构存在较多的大跨度梁、大悬挑梁，且商场自动扶梯均设置在大悬挑梁上，结构设计应保证大框度梁、大悬挑梁的安全，并控制梁的挠度。

（5）七层夹层处存在局部收进水平尺寸大于相邻下一层的25%，存在该项不规则。

（6）本工程地上部分属超长结构，需要通过计算和构造措施，保证结构在地震及温度作用下的安全及正常使用。

综上所述，本工程存在平面扭转不规则，楼板局部不连续，竖向尺寸突变等不规则项，再加上扭转位移比大于1.2，即存在四项不规则项，属于抗震超限结构；同时存在大悬挑、大跨度、越层柱、局部结构转换等不利因素。按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2006]220号）,本工程进行了抗震设防超限审查。

3.2 结构布置

采用框架-剪力墙结构，根据建筑功能要求并结合结构抗侧力的需要，利用楼梯间、电梯井、房间隔墙等位置设置剪力墙，地下室顶板及地下二层顶板分别作为嵌固部位，进行包络设计。剪力墙的厚度为300～600mm，框架柱截面尺寸为800mm×800mm～1200mm×1200mm，竖向构件的混凝土强度等级为C40～C60，梁板的混凝土强度等级为C30～C40。部分大悬挑梁和大跨度梁采用有粘结预应力梁；对于受拉力较大的，普通竖向钢筋难以满足的剪力墙端部暗柱，柱中配置型钢；部分转换梁采用型钢转换梁，对应框支柱采用型钢框支柱。五层结构布置图详图2。

图2 五层结构平面布置图

3.3 抗震性能目标

针对结构的类型及不规则情况，设计中采用抗震性能化设计进行补充分析计算。参照高规要求，本工程抗震性能目标选用C级，相应的性能水准如表1所示。

抗震设防性能目标 表1

3.4 抗震性能化设计及关键构件、薄弱部位加强措施

为保证结构的安全，需要提高重要结构构件的安全度水平，根据前文所述的抗震性能目标，对于底部加强区剪力墙、柱按中震抗弯不屈服，抗剪弹性和大震抗剪不屈服包络设计；支撑大悬挑、大跨度梁的框架柱，跃层柱，框支柱，IMAX影厅处生斜柱之框架柱按中震抗剪、抗弯弹性和大震抗剪、抗弯不屈服包络设计；大悬挑梁，支撑大悬挑梁的框架梁，转换梁按中震抗弯不屈服，抗剪弹性设计；非底部加强区剪力墙、柱正截面承载力按中震不屈服设计，耗能构件按中震受剪不屈服设计。

除了提高关键构件的抗震性能水准，对关键构件的抗震等级提高一级：跃层柱、框支柱及转换梁、imax影厅外侧框架柱、体型收进处周边框架柱抗震等级为一级。同时还采取了以下加强措施：

（1）跃层柱：严格控制其轴压比；加强跃层柱柱顶梁板截面刚度，施工图阶段增大其配筋，梁设置抗扭筋等措施，加强连接；跃层柱剪力取值为其直接计算值与本层经过剪力调整后的平均剪力设计值的较大值，并按其较大值复核抗剪截面和抗剪承载力；施工图设计阶段，箍筋设置全高加密；IMAX影厅处框架柱，由于建筑功能要求，框架柱成为跃层柱YCZ2，且有外挑4m连廊，为增强结构的整体性，YCZ2与外连廊柱KZa设置了斜杆，结构平面布置图及剖面图见图3和图4。计算模型中采用设置斜杆和无斜杆两种模型，相关构件进行包络设计。YCZ2满足中震抗剪、抗弯弹性，大震下抗剪弹性、抗弯不屈服要求。

图3 IMAX影厅4、5层结构平面布置图

图4 IMAX影厅剖面图（A-A）

（2）结构转换部位：部分剪力墙不落地，在地下一层及地下二层采用转换梁进行了结构转换，部分采用型钢转换梁，相应采用了型钢框支柱。转换梁及框支柱如上文所述进行相应的抗震性能设计。结构转换后，对落地剪力墙相距较远情况，在结构转换附近增加不影响建筑功能的剪力墙，以使不落地剪力墙所受地震剪力的有效传递。其中，建筑东北角交通核处剪力墙从上部通至地下二层车库时，位于车库通道处，如剪力墙通至基础顶，对建筑功能影响较大，此处采用了型钢转换梁进行转换。由于此处转换墙体较多，转换墙体所受地震力较大，结构在转换层及下层增加了两组工字形墙体，保证了上部剪力墙所受地震作用的有效传递。结构布置如图5所示。

（3）体型收进部位：七层夹层部分存在体型收进，收进位置较高，结构刚度的突然降低使其形成薄弱部位，对结构抗震不利。针对此情况，结构采取措施如下：1）控制收进处底部楼层层间位移角不大于相邻下部区段最大层间位移角的1.15倍；地震作用下最大层间位移角曲线如图6所示（收进处相对于计算模型中的第10层），由图可知，层间位移角变化平缓，且小于下部区段值，满足设计要求。2）体型收进部位上下各2层周边框架柱的抗震等级提高为一级，并加强其配筋构造措施；3）此层突变部位楼板加厚为150mm，双层双向配筋，控制配筋率不小于0.30%，此层上下层结构的楼板也相应加强构造措施。

图6 地震作用下最大层间位移角曲线

3.5 大震下结构静力弹塑性变形验算

采用PKPM中的EPDA&PUSH模块进行静力弹塑性分析，来判定结构整体在大震下的安全性能。侧向加载取弹性CQC地震力加载模式。表2给出了大震静力弹塑性分析得到的性能点相关指标。由表2可知，大震下X、Y向最大位移角均小于1/100（高规规定的限值），满足大震对应的位移角控制目标。

静力弹塑性分析得到的性能点相关指标 表2

计算结果还显示，在两向侧向荷载作用下，多数连梁首先出现钢筋屈服，并逐步发展成剪切破坏，之后结构剪力墙出现钢筋屈服，随之出现剪切塑性铰，连梁和剪力墙的塑性发展过程符合强剪弱弯，强墙肢弱连梁的原则。随着荷载的加大，多处连梁以形成剪切破坏而开裂，说明连梁刚度明显退化；多数剪力墙上的高斯点出现了剪切破坏，剪力墙上发生高斯点破坏的数目还不至于使得剪力墙发生整体破坏，仅在底部个别墙体达到分析所指定的破坏程度。可见大震作用下剪力墙基本满足抗剪不屈服的要求。在性能点出现时，框架部分仅少数框梁因截面刚度破坏程度指数达到指定要求而出现了塑性铰，框架柱在上部少数越层柱出现塑性铰，整体上框架部分形成了较好的强柱弱梁的态势，并使得框架符合作为整体结构的抗震第二道防线的功能要求。

4 超长结构的应力分析

根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）及临沂气象统计资料当地月平均气温最低值为-5度，月平均气温最高值为31度，本工程要求后浇带合拢时，温度为10度左右，计算采用升降温为±21。采用PMSAP软件进行温度作用分析，温度应力分析采用瞬态弹性方法，为考虑砼的徐变应力松弛，砼构件的温度内力乘以折减系数0.3；为考虑砼构件裂缝引起的刚度退化, 砼构件的刚度乘以折减系数0.85,考虑季节温差，同时计入混凝土收缩当量温差。根据计算结果，升温工况下，各层楼板压应力远小于混凝土抗压强度；降温工况下，在剪力墙角部楼板部位出现应力集中现象，而在剪力墙中部楼板区域，由于墙体对楼板约束作用强，楼板应力较大，最大拉应力为5MPa，随楼层增加，拉应力逐层减小，应力分布情况与结构变形一致，四层及以上楼层楼板拉应力小于混凝土抗拉强度标准值。对于局部拉应力较大区域，根据应力计算结果配置双层双向钢筋。另外，计算结果还显示，温度作用对墙、柱、框架梁的影响不可忽视，特别是对外围墙、柱的剪力和弯矩、对中部框架梁的轴力影响较大，施工图设计阶段，考虑其不利影响。

5 结语

针对本工程的特点和结构不规则情况，采用了两种不同力学模型的空间分析程序进行计算分析，确保了本工程在各种受力状态下的结构整体和构件受力的准确性。对结构存在的各种不利情况进行详细的计算分析，提出相应的处理方案和措施。采用抗震性能化设计的方法对整体结构及构件进行补充分析计算，对关键构件的抗震性能水准进行提高，并在设计中对关键构件及薄弱部位采取更严格的抗震构造措施，有效保证了结构的安全。