世茂深港国际中心商业MALL复杂结构分析与设计

刘永璨

（1.上海世茂商业投资管理有限公司，上海 200122；2.世茂股份，上海 200122）

1 工程概况

世茂深港国际中心位于深圳市龙岗大运新城，它的建成将为深圳增添鲜明的时代特色，引领全新的商务、休闲、娱乐、购物体验，成为深港核心区的地标性建筑及商业中心，其效果图见图1。商业MALL（以下简称本项目）地下室四层，地上七层、局部八层，地下建筑面积约20万m2，地上建筑面积约11.5万m2，地上从三层开始局部收进，七层主屋面标高为35.4 m，局部八层屋面标高为40.8 m，幕墙顶点标高为44.8 m。

本项目设计使用年限为50年，为重点设防类建筑，结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为7度，基本地震动峰值加速度值为0.10g，设计地震分组属第一组，场地类别为Ⅱ类，基本地震动加速度反应谱特征周期值为0.35 s。50年一遇基本风压为0.65 kPa。

2 基础及地下室设计

本项目场地存在人工填土、风化岩和残积土等特殊性岩土及岩溶发育，基础底板以下的主要土层为粉质黏土，基岩为石炭系微风化灰岩，灰岩中溶蚀现象较发育，以中/大型充填/半填充溶洞为主，洞隙连通性较好，岩面起伏大。采用天然地基独立基础+精轧螺纹钢抗浮锚杆作为主要基础形式，辅以钻孔灌注桩；天然地基粉质黏土层承载力特征值为230～260 kPa、微风化灰岩承载力特征值为5 500 kPa；抗浮锚杆采用高强度精轧螺纹钢，最大长度按照不超过18 m控制；纯抗压桩桩径1.5 m/1.8 m、尽量采用一柱一桩，抗压兼抗拔桩桩径1.2 m。

每根结构柱下的独立基础及灌注桩均通过施工勘察探明岩面埋深、起伏情况，根据超前钻结果修正天然地基和桩基础的应用范围（图2），确保天然地基落于有效持力层、灌注桩及抗拔锚杆的长度基本合理。当天然地基基底5 m范围内揭露溶洞时，探明溶洞范围并以素混凝土灌注回填浇实并达到承载力要求；当灌注桩基底揭露溶洞时，桩身穿越溶洞并嵌入底部岩体，保证桩端以下连续稳定基岩厚度不小于5 m。

图2 地基土层分布及桩基布置示意图Fig.2 Foundation soil layer distribution and pile foundation layout

本项目东侧10 m地铁保护区按照土方开挖标高-16.5 m、地下室三层设计；人防区域设置在远离地铁的地块西侧，根据结构梁高和建筑净高要求，土方开挖标高按照-22.4 m控制；其余中间区域土方开挖标高-21.7 m。地下室底板采用钢筋混凝土筏板，车库及人防顶板采用无梁楼盖，中间商业楼层采用单向双次梁体系以兼顾业态调改的灵活性，地下室顶板室内范围采用单向单次梁体系、室外覆土范围采用框架梁加腋大板体系。

图3 地下室剖面示意图Fig.3 Sectional drawing of basement section

3 上部结构设计

本地块东南角设置一幢高约200 m的办公塔楼，在塔楼北侧设置结构缝，将北侧商业MALL分割为独立的结构单体。本项目（北侧商业MALL）存在多处的外挑和内收，结合建筑的总高度、建筑功能、体型、平面布局等特点，兼顾商业运营功能的灵活性，主体结构采用钢筋混凝土框架结构。

本项目常规轴网9.0 m×9.0 m，特殊区域跨度最大约30 m、悬挑最大约10 m；常规框架柱首层截面以900 mm×900 mm为主，框架梁高以700～800 mm为主；中庭大跨度、边跨大悬挑范围框架柱截面以1 200 mm×1 200 mm为主，框架梁高按照1 400 mm控制，部分根据计算及构造要求增设型钢；楼板厚度以110 mm为主，局部中庭连廊位置、退台及屋面有覆土区域板厚150 mm。根据性能化要求，兼顾施工管理方便，全楼框架柱均采用C60混凝土，梁、板均采用C35混凝土。

图4 商业MALL典型平面示意图Fig.4 General floor plan of the MALL

4 抗震超限设计

4.1 抗震超限判别

图5 商业MALL结构计算模型示意图Fig.5 Schematic diagram of structural calculation model

本项目的结构超限情况见表1，存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、尺寸突变、局部不规则5项不规则项，需进行超限审查。

表1 结构超限判别Table 1 Identification of structure overrun

4.2 小震作用下弹性计算分析

选用YJK软件进行弹性计算分析，同时应用MIDAS软件进行复核。结构整体计算竖向荷载工况包括结构自重、附加恒载及活载，竖向荷载工况计算时考虑施工模拟加载，水平荷载工况包括地震作用及风荷载。地震作用计算采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法，小震下采用规范反应谱为设计计算参数，同时考虑双向水平地震作用及偶然偏心的影响，大跨区域和大悬挑区域考虑竖向地震作用影响。

本项目主体结构地震作用的剪力和倾覆弯矩均大于风荷载产生的力（图6），地震作用起控制作用，整体计算结果见表2，各项宏观计算指标满足规范要求，构件截面取值合理，结构体系选择恰当。

表2 整体计算结果表Table 2 Overall calculation results

图6 主要计算结果图Fig.6 Main calculation results

4.3 中震和大震下的抗震性能验算

本项目中震下结构最大层间位移角分别为1/600（X向）和1/594（Y向），大震下结构最大层间位移角分别为1/66（X向）和1/75（Y向），发生在六层大悬挑/大跨度位置，均满足规范限值要求。采取结构抗震性能化设计的措施，结构抗震性能目标设定为C级，各部位构件性能化设计满足表3要求。

表3 结构抗震性能目标及震后性能状态Table 3 Seismic performance target and post earthquake performance state

采用PKPM-SAUSAGE进行罕遇地震下的弹塑性动力时程分析，在结构变形、混凝土损伤、钢筋和钢材塑性应变等各项指标满足所设定的性能目标，结构可实现“大震不倒”的要求并有一定富余量。以首层框架柱和二层框架梁为例（图7）：首层总计18个关键柱混凝土受压损伤均小于C60混凝土柱fck对应的损伤因子0.26，钢筋和型钢出现轻微的塑性应变，可满足轻微损坏的性能目标；首层有普通柱21个柱（占比11.4%）混凝土出现超过0.26的损伤因子，但均小于C60混凝土柱剩余0.5fck对应的损伤因子0.67，且钢筋和型钢出现轻微的塑性应变，可满足部分中度损坏的性能目标；二层个别大跨度关键梁钢筋出现轻微的塑性应变，梁端混凝土受压损伤小于C35混凝土fck对应的损伤因子0.34，可达到轻微损坏的性能设计要求；二层普通梁大部分出现轻微的塑性应变，混凝土的受压损伤均小于0.34，少量梁端混凝土受压损伤大于0.34但小于C35混凝土剩余0.5fck对应的损伤因子0.77，可达到轻微-中度损坏的性能要求。

图7 典型楼层混凝土受压损伤情况Fig.7 Concrete compressive damage of typical plan

5 专项分析与设计

5.1 超长楼盖温度应力分析

本项目平面尺寸约为145 m×87 m/125 m×87 m，结构超长，需对楼板进行温度应力分析。根据《建筑结构荷载规范》，本项目所在地深圳地区年最高气温为35℃，最低气温为8℃；参考《工程结构裂缝控制》，混凝土收缩应变当量温差为-12.9℃，同时考虑混凝土徐变的影响，温度收缩效应乘以0.3；设定楼盖后浇带合拢时温度为20℃，考虑温度作用的分项系数1.5、组合系数0.6，由此可得降温工况温差ΔTD=1.5×0.6×（8-20-12.9）×0.3=-6.7℃，升温工况不起控制作用。

由于地上结构的负温差较大，且二层楼板受到框架柱的约束作用较大，扣除局部应力集中的影响，楼板最大拉应力为2.7 MPa，集中在柱边、楼板转角、楼板开大洞处，采用Φ10@100双层双向配筋可抵抗负温差和混凝土收缩产生的拉应力；对于中部楼板面积较大区域，平均楼板应力约为1.0 MPa，采用Φ8@200双层双向配筋可抵抗负温差和混凝土收缩产生的拉应力。三层以上由于楼板受到框架柱的约束作用较小，楼板承受的拉应力应该逐渐变小，楼板应力分析的结果也可以得到同样的规律，扣除局部应力集中的影响，楼板最大拉应力大部分小于1.0 MPa，采用Φ8@200双层配筋可抵抗负温差和混凝土收缩产生的拉应力。

图8 二层楼板温度应力分布图Fig.8 Temperature stress distribution of the second floor

图9 五层楼板温度应力分布图Fig.9 Temperature stress distribution of the fifth floor

5.2 大跨度楼盖舒适度分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑楼盖振动舒适度技术标准》，复核大跨度大悬挑楼盖薄弱位置的舒适度，采用竖向峰值加速度0.15 m/s2作为控制限值。

选取主入口跨度26 m、悬挑6 m楼盖为例，附加恒载取3.0 kPa，活载取0.55 kPa，阻尼比取2%，计算得第一阶竖向自振频率为2.69 Hz，需进行加速度验算。将单人激励荷载放大1.85倍以模拟多人荷载激励，激励荷载形式分别采用步行一步、连续步行，计算得加速度响应均小于0.15 m/s2，满足舒适度控制限值要求。

5.3 屋顶钢结构天窗设计

屋顶天窗结构短向跨度33 m、长向跨度48 m、矢高2.1 m，矢跨比约1/16，采用单层椭圆网壳结构，天窗支承在6层楼面中庭封边梁上。天窗三角形网格尺寸2.1～2.5 m，基本杆件截面为B250×150×8×8矩形钢管，支座位置网格杆件端部局部加 大 截 面 至B250×150×25×35，封 边 环 梁 截 面B400×300×14×14，构件材质均为Q355B。

图10 步行激励示意图Fig.10 Walking incentive diagram

图11 加速度响应示意图Fig.11 Acceleration response diagram

钢结构自重通过软件自动计算，屋面玻璃及龙骨重量按1.0 kPa考虑，不上人屋面活载取0.5 kPa；天窗独立计算模型楼面谱放大系数考虑2.6倍，竖向地震影响系数采用水平地震影响系数的65%；根据风洞试验，进行了不同风向角下的结构风振响应分析并计算得到峰值响应，换算得出天窗整体结构设计的等效静力风荷载，下压风取0.9 kPa，上吸风取-2.0 kPa。

天窗结构在恒载+活载工况下竖向变形为-36 mm（1/917＜1/400），在风压力工况下竖向变形为-14 mm（1/2 357＜1/400），在风吸力工况下竖向变形为32 mm（1/1 031＜1/400），在温度±30℃工况下竖向变形为±21 mm（1/1 571＜1/400），在竖向地震作用下竖向变形为3 mm（1/11 000＜1/400），均满足规范要求。

天窗环梁最大应力比0.79、网格梁最大应力比0.88，最大杆件应力比均为温度组合控制，地震组合不起控制作用。分析中，考虑恒、活、风、温度组合，进行非线性验算分析，环梁最大应力比0.52、网格梁最大应力比0.89，均满足设计要求。

图12 天窗结构布置示意图Fig.12 Structural layout of skylight

图13 天窗支座示意图Fig.13 Schematic diagram of skylight support

采用位移控制非线性全过程稳定分析方法，考虑结构的施工缺陷以及材料缺陷，不考虑材料非线性，对天窗进行整体稳定性分析。取跨度L/300为初始缺陷，采用等比例加载，恒荷载+活荷载等比例逐步加载在雨棚屋面直至结构发生屈曲破坏，提取最大变形点的荷载—位移曲线，得到天窗结构的屈曲荷载和相应的安全系数K，均满足规范的4.20限值要求。

图14 天窗整体稳定荷载—位移曲线Fig.14 Overall stability load displacement relationship curve of skylight

5.4 超级碗结构单体设计

超级碗位于本项目场地南侧，在地上与其他结构完全脱开，形成一个相对独立的多层结构，最大楼面标高约16.5 m。配合建筑效果，在屋面重心位置附近布置一个3 m×3 m的巨型独柱筒来支承整个超级碗结构，独柱筒贯穿整个地下室锚固于基础底板；在独柱筒四面墙肢上设置四道正交的变截面钢箱梁来悬挑超级碗的屋盖，屋面长向尺寸约32 m（南北悬挑分别约16.5 m和12.5 m），屋面短向尺寸约27 m（东西悬挑各约12.0 m）；外围幕墙网格悬挂于屋面封边梁上。独柱筒四角分别设置1 m×1 m型钢混凝土暗柱，南北向悬挑钢箱 梁 截 面 从B2200×800×14×50分 段 渐 变 为B1000×400×14×25，东西向悬挑钢箱梁截面从B2200×600×14×40分段渐变为B800×300×14×20，其他屋面梁采用H300～1200不等的常规工字钢，外围幕墙网格采用Φ168～203不等的圆钢管，构件材质均为Q355B。

考虑满布活载、南侧或东侧活载等不利布置，在风荷载及地震工况下，独柱筒最大水平变形小于10 mm（1/1 750＜1/400），悬挑钢箱梁最大竖向挠度-71 mm（1/460＜1/400），外围幕墙网格最大水平变形小于40 mm（1/430＜1/400）；独柱筒墙肢最大拉力950 kN/m，独柱筒内置型钢应力比小于0.50，悬挑钢箱梁最大应力比小于0.70，其余工字钢及圆钢管应力比按照0.90控制（图16），均满足设计要求。

图16 超级碗钢结构应力比Fig.16 Stress ratio of super bowl structure

图15 超级碗结构三维及拆分示意图Fig.15 3D and split diagram of super bowl structure

在中震弹性组合下，独柱筒墙肢拉力增加至1 350 kN/m，混凝土独柱筒仍不会开裂，悬挑钢箱梁最大应力比0.7（图17），结构具有较好的安全冗余度。

图17 超级碗中震计算结果Fig.17 Medium earthquake elasticity of super bowl structure

6 结论

本文介绍了世茂深港国际中心商业MALL复杂结构设计，主要结论如下：

（1）本项目为复杂商业结构，存在多项不规则项，属于超限高层建筑。结合建筑的总高度、建筑功能、体型、平面布局等特点，兼顾商业运营的灵活性，主体采用钢筋混凝土框架结构，主要抗侧力体系由框架柱及框架梁组成。

（2）采用天然地基独立基础+精轧螺纹钢抗浮锚杆作为主要基础形式，辅以钻孔灌注桩；抗浮锚杆按照最大长度不超过18 m控制，纯抗压桩桩径1.5 m/1.8 m，尽量采用一柱一桩，抗压兼抗拔桩桩径1.2 m。通过施工勘察探明岩面埋深、起伏情况；当天然地基区域基底5 m范围内揭露溶洞时，探明溶洞范围并以素混凝土灌注回填浇实并达到承载力要求；当灌注桩基础区域揭露溶洞时，桩身穿越溶洞并嵌入底部岩体，并保证桩端以下连续稳定基岩厚度不小于5 m。

（3）抗震设计中采用性能化设计方法，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还提出主要构件在中震、大震下作用下的性能要求，采用不同分析软件进行了弹性、弹塑性的计算，各项指标均满足规范的有关要求，各项不规则程度得到有效控制。除满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，抗震性能目标达到C级，对关键和重要构件进行适当加强，结合各抗震性能水准的计算结果进行包络设计，结构具有良好的耗能机制和抗震性能。

（4）对超长楼盖温度应力、大跨度楼盖舒适度进行专项分析，且对屋顶钢结构天窗、超级碗结构单体进行专项设计，确保结构的合理性和安全性，完美实现建筑功能与效果。