关于结构超限设计的研究——以南方某商业综合体为例

刘良贤

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

1 工程概况

本项目坐落在东南沿海城市市中心，具有得天独厚的区位优势，它是亚洲最顶尖的商业综合体，采用复合的结构体系。该工程商业占地总面积接近30 万m2，裙楼建筑面积为86400m2，其中包括3 层地下车库和3层高档商场。3 层及以上建筑业态包含星级酒店、总部办公、精品公寓、研发用房和展览馆等。该工程具有以下特色：①平面较长不设置结构缝。②有3 个功能区在进行屋面设计时必须采用坡屋面。③建筑业态多元化，商业类型分布复杂，对空间使用需求较高。

2 结构布置及特点

针对本项目的实际荷载情况，采用筏形地基，并以强风化岩为基础，以锚杆为主的抗浮方式。三层以下的楼层布置框架结构，选择8.4m 柱网，部分空间根据建筑的使用要求调整。负二楼主要为停车场和设备，结合人防工程使用设计450mm 厚的楼板，可满足空间的净高要求。由于负一楼具有电影院和商业等多种用途，所以考虑常规的梁板系统。在大厅、剧院等空间抽柱处理，创造宽敞的空间。首层平面与市政公路相邻，室内外高度差达1m，为确保楼面荷载的高效传递，采用了加强边梁等措施[1]。首层至三层的裙楼包含公交站台、商业和影院等业态。本项目采用了转换、大跨度和空腹桁架等不同结构形式，以满足建筑总体布局的需要。考虑到三层往上的空间被分成5 个部分，故将三层楼板设计为200mm，从而提高抗震能力。A 区的建筑高度为76m，裙楼层数为10 层，坡屋顶设计，采用框架结构形式，既满足了建筑空间的弹性使用要求，又保证了其扭转刚度。B 区域采用坡屋顶设计，建筑高度57m，标准层层高4.5m，结构型式为框架结构。C 区域建筑平面不规则，标准层层为高4.5m，建筑高度为38m，整体高度较矮，但是形体变化丰富，空间层次感强。室内装修要求严苛，要求立柱的截面尺寸不超过400mm，墙体厚度不超过200mm。D 区域采用坡屋顶设计，建筑高度为61m，标准层层高4.5m，因为立面变化丰富，采用少墙-框架结构，可以有效地降低楼层的刚度突变[2]。

3 结构超限情况及抗震性能目标

依据结构抗震规范要求，对项目进行超限检查，均为可调整超限项。在前期工作基础上，通过多遇抗震设计的研究，将该工程设计成D+级，在设防烈度中震作用下的抗震能力等级为4，按照“小震不坏，中震可修，大震不倒”的原则，对重点部位及构件进行加强：①针对关键转换梁柱等关键部位，将其抗震性能提升至中震弹性，保证其受力安全。②对重要位置的结构节点，保证结构在地震作用下不会先发生失效，将其抗震性能相应地提高。③在中震作用下，对三层楼板和空腹桁架等重要部位进行加强。

4 结构设计的重难点

4.1 超长结构设计

本项目为超高层建筑，针对其超长跨度且不设置结构缝的特点，进行混凝土变形的总体分析，主要内容有：建筑使用时的设计温差、建筑施工时的设计温差和结构应力折减系数等。在进行结构分析、制定合理的结构措施及施工规范的基础上，在施工图设计中根据施工方案对整个工程进行全过程的模拟，从而对设计进行修正[3]。

（1）正负零以上高度建筑内壁的应力非常小，而在地下室却有很高的应力，尤其是在转角处，但是大多数都低于外墙承载能力的标准值。

（2）在地下室中，以负2 层楼板应力为最小，而首层楼板应力为最大。地面以上，楼面的受力从上往下有升高趋势，而在开洞楼层，则出现了明显的突变现象。尽管3 层楼板为一个超长的板面，但其应力较小。

（3）在地下室，结构的变形因为有限制，所以结构的位移很少，但是在首层和二层的结构架，会产生很大的水平位移。所以，在结构的设计中，要根据结构的受力情况，要综合考虑热胀冷缩因素，并根据结构荷载的规定进行合理的组合。

（4）因地下室占地面积大，又有地下室的外墙做限制，容易产生较大的楼面温度应力，故在楼面上采取了一些加强配筋的方法，以抵抗楼面平面上的非荷作用。首层至三层均需进行加强，其中需确保楼板双向配筋，并在楼板开洞易受力部位采取加强配筋措施。高楼层楼面受力极低，无须再设置温度设计钢筋。在选材方面，既要保证混凝土的品质，又要选用收缩率较小的水泥，并加入适当的添加剂。在施工时结合需求设置后浇带，延迟后浇带封闭；通过跳仓法来缓解混凝土的收缩变形；在外围区域内，应采取暂时的保温措施；对浇筑过程中的温度进行监控，以保证浇筑完成后浇带与房间空气温度的差异在设计允许范围，如有必要采取临时升降温或保温等措施。

4.2 大悬挑和转换大跨结构

大跨度和大悬挑在该项目中应用较多，以商场中庭（图1）为例，对其进行详细的分析。首层至三层的裙楼购物中庭，通过悬挑和大跨劲性梁的形式，大跨度达到31m，悬挑达到10m，达到无柱开放式的立体视觉效果。在大跨度悬挑部位设置大跨度主次梁系，借鉴大跨度的空间结构理念，采用连层悬挑式做法。超大跨度型的结构，在满足功能使用和美观需求的前提下，有效控制结构构件的变形与开裂是设计的重点。本项目大跨梁的挠度不超过其计算跨度1/400，在重要节点进行承载力及抗震措施分析。对20m 以上的大跨度梁，选用了C45 等级的混凝土。同时借助结构程序对其进行了受力与变形的分析计算，对有关部位进行加强，并尽可能使其成为连续梁，以提高大跨度梁的变形刚度[4]。

图1 商场中庭

4.3 大跨及悬挑区域楼板舒适度设计

大跨结构中某些楼层的振动周期较长，且有接近行人荷载的频率。从实际的工程实践中可以看出，在大跨度情况下，许多大型购物中心的大跨度区域都会发生地板在人群走动时的震动问题，尤其是大跨度的钢结构建筑，其行人舒适性的评价在高端建筑中尤为重要。在对大跨度和悬挑区楼面舒适性进行研究的基础上，完善高层建筑楼层的动态行为与步行运动的数值模拟方法，并根据楼层各点的震动加速度值，对高层建筑的舒适性进行评价与优化。对首层进行地震响应的分析，该模式的主要计算内容包括构件的重量及附加的静荷载。在对首层进行了有限元计算后，发现各楼层的最小振动频率均大于3Hz 以上，可满足设计的要求。

4.4 整体坡屋顶专题设计

A、B、D 三个区域的超高层塔楼都采用坡屋面的设计，借助计算软件对其进行计算与校核，并根据不同的构造特征，给出了合理的抗震加强措施。

（1）通过SATWE 和ETABS 分析地震下结构的变形对比，两者均具有良好的抗震性能，但在实际工程中，SATWE 中出现了明显的出入，因此，通过ETABS 对屋面的主要部分进行了数值模拟，得出了该地区的层间位移角能够满足设计规范的规定。

（2）利用SATWE 计算坡屋顶的受力特征，发现所得的屋面竖向应力分布规律与ETABS 计算的结果一致，某些部位的受力稍大，而SATWE 则出现了一些不正常的现象。比较而言，采用ETABS 进行整体计算时，得到的计算精度更高，而且能够反映出更为实际的结构状态。

（3）坡屋顶的设计使每一楼层的刚性与重量都从底部向顶部递减，从而对地震荷载引起的位移都有很大的影响。而在高楼层区域，地震力与层间变形的差异非常微小，根据位移并不能准确地反应其侧向刚度。因此，本项目采用ETABS 模型对建筑不同楼层的受力状态进行静态计算，发现随着高度的增加，屋盖的变形逐渐减小，但没有出现明显的突变现象，对地震反应并无显著的不利作用，故无须进行加强设计。

（4）通过对坡屋顶影响区各楼面层的受力情况进行分析，发现既有楼面在折角和天窗部位均受到着相当大的应力，因此，有必要采用外加的平面内钢筋来加强。

（5）借助SATWE 与ETABS 两种软件计算，研究坡屋顶的受力情况，最终采用坡屋顶抗震加强方法：①确定坡屋顶及下部影响区，对受压区梁板轴向结构配筋进行相应的加强和合理的设计。②坡屋顶作用区域的结构柱计算跨度不同，与坡屋顶连接的柱按短柱的规定进行构造加强。③对于受力较大的折梁、折板等部位，宜采取加强措施。

4.5 C 区结构转换体系

（1）因立面变化，且3 层以上楼层有收进和柱网变化，因此在三楼需要设置结构转换层。

（2）各个单体塔的尺寸都较小，结构荷载小，但尺寸不同，共有28 座小塔，每座小塔都需进行具体的计算与验证。图2 为小塔楼俯视图。

图2 小塔楼俯视图

（3）室内设计需要营造宽敞整洁的大空间，因而对墙体厚度、墙体位置和结构梁高等都有较大的限定。

（4）C 区部分楼层的立面因采用不同的处理方式，造成外侧轮廓处侧柱有偏心，因此，在变化处做搭接处理，并采用增设的压杆来抵消其偏心弯矩。

结合以上分析，C 区不适合选用框架结构，而应选用剪力墙结构，以提高结构刚度。同时采取以下加强措施：①对转换层上部和底部的侧向刚度进行调整。②为加强整个结构的刚性，采用拉通式结构，将楼板厚度提高到150mm。③由于非规则的竖向刚度在地震作用下是不利的，因此，除了采用构造加强措施，还应考虑到地震作用下的加强措施。

4.6 D 区大跨空腹桁架及吊柱设计施工模拟

D 区域是整个项目的形象展示区域，在首层至四层设置了一个尺度较大的主入口（图3），也是设计的关键点。为配合入口建筑开洞的布置，在此部位的结构布局采取了空腹桁架和吊柱。由于施工会导致结构的内力发生变化，所以，在模拟施工时，应着重考察如下因素：杆件内力受到不同加载顺序的影响；在施工中时结构支架对结构的影响；结构荷载对楼面的作用等[5]。在此基础上，应用MIDAS 软件做模拟计算。在考虑到主体结构的受力情况及施工进度的情况下，在初步设计阶段重点考虑两个施工方案。

图3 主入口

（1）A 方案。按照常规施工程序，由下而上，在第三层施工时，首先在安装临时支架，然后进行梁板以及吊柱施工。在5 层楼面混凝土梁之间预留后浇节点，当支撑吊柱的梁强度满足设计要求后，将后浇节点封闭，然后逐级拆除临时支撑。

（2）B 方案。先空出吊柱区结构，其他区域结构按照下往上进行，在六层结构完成且设计强度达到要求后，进行5 层吊柱和楼面施工，最后进行4 层吊柱及楼面的施工。结合本项目这一部位的结构特点，对这一部位的振动舒适性进行分析，发现这一部位的竖向振动频率高于3Hz，且最大振动加速度值较小，这表明这一部位的设计能够满足减振舒适性的需求。

5 结语

根据本项目复杂的裙房及上部结构特征，工程师对其进行细严谨的设计并通过超限评审。结合工程的设计和审查，得出以下3 点结论。

（1）结合混凝土收缩和设计温差，超长跨度结构的设计需采取合理的构造措施和施工方案，同时加强施工期间的温度监测。

（2）坡屋顶结构受力复杂，需要借助有限元空间建模，才能更好地反映其受力及变形情况，并采取适当的抗震措施。

（3）对大悬挑和大跨度的结构形式，其竖向刚度较小，应进行合理的楼面振动设计，保证使用者的舒适度。同时引入整体受力体系，考虑施工对结构受力的影响。