许昌建安文化广场结构设计

张建亮，马敬友，周 冰，张 晧

(北京市建筑设计研究院有限公司， 北京 100045)

1 工程概况

许昌建安文化广场位于河南省许昌市东城区，毗邻市政府和许都公园，主要使用功能为酒店、公寓、商业、影厅等，其造型奇特、雄伟，线条流畅自然(图1)，总建筑面积约15.4万m2，包括两层地下室，5层裙房(局部4层)和出裙房的酒店、公寓两栋塔楼。该建筑地下部分长202.4m，宽127.3m，地下1层和地下2层层高分别为6.3m和4.8m；地上部分长181.3m，宽101.5m，4层裙房顶标高为20.4m，5层裙房顶标高主要为25.4m，布置东南影厅处标高为32.2m。裙房中部设有悬挑式内廊环街，西南侧两栋塔楼之间设置通高天窗，南侧及东南各层均设有大开洞中庭，并且影厅布置在东南侧大开洞中庭顶部；裙房北侧各层均通过连桥与南侧各层连接，连桥最大跨度为27.5m。酒店(塔1)出裙房14层，结构高度76.3m，标准层层高3.7m；公寓(塔2)出裙房12层，结构高度68.87m，标准层层高3.3m，塔1和塔2均在出裙房首层设有设备转换层(图2)。

图1 许昌建安文化广场效果图

图2 建安文化广场典型平面布置和剖面图

2 结构体系及关键部位概念设计

由于该建筑体型较为复杂且超长，连接南北侧的连桥刚度较弱，较难将两侧的主体建筑协同起来，故根据其建筑使用功能及体型，兼顾经济性，地上部分在⑨轴和轴处设置两道永久性结构缝，连桥则采用北侧端简支、南侧端滑动的钢连桥，从而将整个建筑划分为三部分：西南双塔部分、东南影厅部分和北面多层部分(图2(a))。限于建筑艺术追求及功能使用要求，该建筑无法再设置其他结构缝。本工程地下室部分不设结构缝。

2.1 西南双塔部分

西南双塔部分采用现浇混凝土框剪结构，楼盖采用现浇混凝土梁板体系，是典型的大底盘多塔结构，其存在一系列平面不规则和竖向不规则项，属于特别不规则的超限高层(图3)，存在多个设计难点和关键点。

图3 西南双塔部分

该部分平面投影大体呈L形，两肢平面尺寸分别约为64.6m×99.6m和117.3×63.6m，西肢北端略向东突出与北面多层部分相接，是典型的凹凸不规则平面；出裙房双塔呈端部垂直布置，导致两塔在同方向动力特性差别较大，加大了凹凸裙房连接部位的应力集中现象，设计时对该连接部位予以一定加强，并真实考虑了楼板的面内刚度和面内变形。裙房顶层为刚度突变部位，对楼板予以加强，塔楼周边竖向构件上下各两层抗震等级提高一级；该部分塔楼均为偏心收进，裙房周边框架柱和剪力墙采取加强配筋构造措施。

根据概念判断，西南双塔部分体型复杂，局部剪力墙设置受限，其扭转位移比难以控制在1.2以内，极可能存在扭转不规则，事实上计算结果也表明如此，故该部分计算时考虑双向扭转地震作用。

裙房较多楼层由于中庭、通高天窗等开有较大的洞口，多处楼板有效宽度小于50%，形成了薄弱楼板连接，属楼板不连续平面，这些部位均采取了加厚楼板、设置双层双向通长配筋并适当提高配筋率等加强措施；整体计算时采用弹性膜单元考虑楼板的面内真实刚度和面内变形[1]。

塔1首层为大开间通透的酒店大堂，其上三根柱子均无法落地，需进行梁托柱转换，属构件间断，故塔1竖向不规则；该单向转换梁跨度达16.8m，裙房各层均难以满足梁高和净高要求，故最终将转换梁设置于设备层，转换梁截面高3.200m，其下标高同裙房顶层一般梁，其余高度上返至设备层；该梁内置型钢，考虑当地供货能力和施工工艺水平，型钢腹板和翼缘不宜太厚，钢材强度不宜太高，以免给焊接带来困难，综合考虑后采用双翼缘“王”字钢截面(图4)。

图4 转换梁、转换柱截面示意

对于位于裙房顶层的电影院，其售票厅和两个播放厅布置在西南双塔部分，形成了局部错层剪力墙；影厅通高两层将使南侧首层公寓无法采光，故该处采用折梁和折板结构，跨度12.4m，折梁低端支承于设备层顶标高处，以尽量减小对公寓的采光影响，由此也形成了局部错层柱。错层处框架柱和剪力墙抗震等级均提高为一级。

两栋塔楼出裙房首层为设备层，层高均为1.8m，而5层(设备层下层)裙房层高为5.0m，若按常规设计设备层为一单独计算层，则其下层易为薄弱层和软弱层，为减弱尺寸突变和层高变化带来的不利影响，使该部位的刚度和层间受剪承载力变化容易满足规范规定，塔楼出裙房计算首层均为设备转换层和首层功能层(酒店或公寓)合并而成的计算层[2]，层高分别为5.5m和5.1m，与下层5.0m层高接近。设备转换层采用钢结构架空夹层进行设计，生根于裙房顶板上，与周边主体框架柱、剪力墙间设30mm结构缝脱开，使其刚度对主体结构不产生任何影响。

西南双塔部分按嵌固于地下1层顶板计算。地下1层顶板存在多处梁托柱转换现象，考虑这些梁、柱支承着上部多层跨度较大的不规则结构，均按转换梁、转化柱设计，地震内力按规定进行放大，并采用性能化方法进行抗震设计。

2.2 东南影厅部分

东南影厅部分采用现浇混凝土框剪结构(共5层)，其下面4层设有圆形大开洞中庭，柱网呈不规则环状布置；而其顶层布置影厅，需要方正布置的柱网支撑影厅屋盖；常规做法是在影厅底部采用28m的大跨度厚板封闭中庭，然后在厚板上布置影厅所需要的规则柱网。本工程巧妙地将不规则轴网上影响影厅布置的柱子全部拔掉，而将不影响影厅布置的柱子均伸到顶层，支承一下正交正放四角锥平板网架，从而形成大空间，供影厅设计自行分割使用(图5)。该结构方案相对于常规厚板转换做法经济性较好，结构计算分析也简单易行。

图5 东南影厅结构模型

2.3 北面多层部分

北面多层部分为普通3层框架结构，局部4层，与西南双塔部分西肢北端相接。此部分为常规结构，不涉及结构超限问题，本文不再详细描述。

3 结构分析与设计

本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，结构阻尼比取值采用CCQC方法计算，小震时混凝土结构取5%，钢结构取2%[3-4]，采用等效弹性方法进行大震不屈服性能化计算时各乘以放大系数1.4。

3.1 抗震等级确定

西南双塔部分是大底盘多塔结构，且裙房部分局部4层，部分局部5层，该部分的影厅尚存在局部错层现象，故各构件抗震等级确定较为复杂。

该部分裙房层属乙类建筑，框架和剪力墙抗震等级按抗震设防烈度提高一度确定，均为一级；而出裙房塔楼部分设防类别为丙类，故该部分(6层及以上部分)框架和剪力墙抗震等级均按7度确定，为二级；本工程裙房部分均在塔楼相关范围内，故裙房框架和剪力墙抗震等级均同西南双塔主楼，为一级；塔楼体型收进部位上下各两层周边竖向构件抗震等级均提高一级，即塔楼在裙房部分4，5层两层周圈竖向构件为特一级，出裙房6,7层两层周圈竖向构件为一级；考虑塔1在4层裙房顶和5层裙房顶均存在体型收进现象，故塔1在裙房部分3层周圈竖向构件抗震等级也提高为特一级。

根据该计算模型后续的最大层间位移角计算结果，上部收进结构的底部楼层层间位移角大于相邻下部区段最大层间位移角的1.15倍，即塔1和塔2在6层的层间位移角与大底盘5层的层间位移角比值大于1.15，故将塔1和塔2在6层的抗侧构件再提高一级，以加强其抗震能力，减小刚度突变带来的不利影响[5]，这样塔1和塔2在6层的周圈竖向构件抗震等级为特一级，中间竖向构件和所有框架梁抗震等级为一级。西南双塔部分的影厅错层框架柱和剪力墙抗震等级再提高一级，为特一级；影厅与公寓错层柱因已为特一级，不再提高。

地下室2层框架和剪力墙的构造措施抗震等级降低为二级。西南双塔部分各构件最终抗震等级见表1和图6。

图6 西南双塔各构件抗震等级示意

3.2 常规小震弹性分析

本工程西南双塔部分和东南影厅部分均为超限高层，计算分析时以PKPM-PMSAP软件为主，主要采用BIAD-Paco作为第二软件进行辅助对比校核[6]。按照大底盘多塔结构的设计要求，对西南双塔部分分别建立整体(多塔)模型和两栋高层单塔模型进行结构计算分析[7-8]，整体模型不与东南影厅部分、北面多层部分重叠使用地下室刚度，单塔模型也不互相重叠使用地下室刚度；整体模型计算时补充45o方向地震作用计算。

西南双塔部分抗震等级 表1

整体模型主要计算结果见表2。由表2可知，两个软件的计算结果比较接近，工程各指标计算结果能够满足现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[1]、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[5](简称高规)等相关规范要求，说明结构布置较为合理。各单塔模型和东南影厅部分计算结果与此类似。

结构整体模型总体指标多软件分析结果比较 表2

3.3 小震弹性时程分析

在PKPM-PMSAP软件自带地震波库中分别选用5条天然波和2条人工波对西南双塔部分各分塔进行小震弹性时程分析。7条地震波作用下西南双塔部分结构基底剪力均大于规范反应谱法的65%，不大于规范反应谱的135%，且平均值大于规范反应谱法的80%，不大于规范反应谱的120%；这7条地震波的平均地震影响系数在对应于结构主要振型的周期点上与规范反应谱相差均不大于20%，满足“统计意义上相符”。将弹性时程分析的7条地震波作用下各楼层剪力平均值与规范反应谱分析结构进行对比，并将整体模型反应谱分析所得的楼层剪力进行放大，采用放大后的楼层剪力进行设计。东南影厅部分与此类似。

3.4 性能化设计

综合考虑该工程的重要性、当地的经济发展水平、业主方的需求及相关规范的规定要求，对该工程的抗震性能化目标进行设定，如表3所示，该目标整体处于高规规定的性能目标C和D之间。

西南双塔部分结构抗震性能目标 表3

除此之外，本工程裙房多处存在薄弱楼板连接，故采用PKPM-PMSAP软件进行薄弱部位楼板应力分析，楼板定义为具有真实面内刚度、不考虑面外刚度的“弹性膜”单元，以进行楼板面内应力计算。控制指标为小震标准组合作用下，楼层薄弱部位楼板混凝土核心层不开裂，即混凝土核心层主拉应力σt满足σt≤ftk(ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值)。为满足中震作用下剪力墙与框架能协同工作，对薄弱部位楼板进行了中震下的应力分析，抗拉钢筋的抗拉承载力按标准值取用[9-10]，楼板实配钢筋为常规设计的抗弯钢筋量和根据1.0恒载+0.5活载+1.0地震组合作用下楼板应力配置的钢筋量的包络值。

3.5 大震动力弹塑性分析

采用PKPM-SAUSAGE软件对西南双塔部分和东南影厅部分进行了大震动力弹塑性分析，其结构基底剪力同大震弹性分析结果相比有着明显的下降，地震能量耗散中结构塑性耗能约占15%，这表明西南双塔部分和东南影厅部分均具有良好的耗能体系。剪力墙墙体损伤主要集中在连梁部位，约40%的连梁混凝土受压损伤因子超过0.6，达到重度破坏水准，形成了铰机制，充分发挥了屈服耗能的作用(图7)；墙体本身基本上均处于无损坏、轻微损坏或轻度损坏状态，表明剪力墙承受竖向荷载拥有较大的安全裕度；框架柱中钢筋的塑性应变及混凝土受压损伤均较小，绝大部分处于无损坏、轻微损坏、轻度破坏，仅少数框架柱达到中度损坏，西南双塔部分达到中度损坏的框架柱主要位于塔楼上部楼层，东南影厅部分达到中度损坏的框架柱主要位于4层，裙房5层空旷结构支撑网架的框架柱均未达到中度损坏；框架梁中钢筋的塑性应变及混凝土受压损伤较显著，大部分框架梁进入塑性阶段，但仅少数框架梁达到中度损坏，托柱转换梁均处于无损坏或轻微损坏状态，西南双塔酒店设备层大跨度转换梁为轻微损坏。

图7 某地震波作用下西南双塔部分剪力墙性能计算结果

西南双塔部分和东南影厅部分在大震作用下的弹塑性变形均小于1/100，满足规范规定及本工程预设性能化设计要求。

4 结语

许昌建安文化广场项目西南双塔部分和东南影厅部分均属超限高层，西南双塔部分是大底盘双塔结构，存在凹凸不规则、扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变、构件间断、局部错层等多项不规则项，东南影厅部分情况与此类似。针对结构的复杂超限情况，通过合理的结构概念设计，提出一系列针对性技术措施，并通过后续的一系列详细计算分析，使结构设计中存在的关键问题和难点问题得以安全、经济、有效地解决，从而保证了结构整体具有良好的抗震性能。