济南华润万象城抗震性能分析与设计

2024-04-19王欲秋

建筑结构 2024年7期

杜鹏, 杨坛, 高斌, 王欲秋

(1 同圆设计集团股份有限公司，济南 250101；2 济南市规划设计研究院，济南 250101)

1 工程概况及总体设计

济南华润中心项目位于山东省济南市东部新城CBD的核心位置,毗邻山东省博物馆、奥体中心。由华润大厦、SOHO办公楼及万象城组成,总建筑面积52.6万m2,项目已竣工,实景见图1。万象城地下两层(B2、B1层);地上7层,自下而上分别为LG、G层(南北高差范围内的楼层),L1～L5层;结构高度41.2m,主要功能为商业。其中B1层、L1层、L2层局部设置停车夹层。LG层、G层南侧设置下沉广场,北侧通过地下车库及地上过街通道与二期连接。东西两侧室外地面自南至北高差约为11m。

图1 项目实景图

万象城为大型商业建筑,沿主动线设置环形步行街,平面开洞多,楼板不连续;步行街走廊两侧主体结构之间的连接多为大跨度连廊且连接宽度较小,连接部位薄弱;L1、L2层西侧设停车夹层,对结构整体刚度影响较大;多部位存在大跨度、大悬挑、连廊、转换、斜柱等。典型结构平面布置图见图2,典型建筑剖面见图3。

图3 典型建筑剖面图

本工程结构设计使用年限为50年;万象城商业面积超过17 000m2,根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)[1]第6.0.5条规定,抗震设防类别为重点设防类;结构安全等级为一级。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[2](简称《抗规》),抗震设防烈度为6度(0.05g),设计地震分组为第三组;建筑场地类别Ⅱ类,特征周期为0.45s。安评报告提供的小震加速度峰值约为《抗规》值的1.56倍,依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)[3]第十二条规定,本工程小震、中震、大震的水平地震影响系数最大值αmax及峰值加速度Amax均按安评报告与《抗规》小震的比值同比放大,放大倍数为1.56倍。地震放大系数、特征周期等参数均按《抗规》取值。最终本工程小震、中震、大震αmax取值分别为0.063、0.187、0.436。图4为规范反应谱、安评反应谱以及本工程所采用反应谱对比图。

图4 三种反应谱比较

万象城室外地面南高北低,南北高差约11m,南侧室外地面标高接近L1层楼面,北侧室外地面标高接近LG层楼面,东西两侧室外地面自南向北逐渐下落。考虑高差与下沉广场的影响,对南侧LG层楼面以上的南北高差范围内的挡土墙采用了与主体结构脱开刚度的处理方式,使得整体结构能够以LG层地面作为上部结构嵌固端,嵌固端示意见图3。

万象城与华润大厦、SOHO办公楼在嵌固端(LG层楼面)标高之下整体相连,在嵌固端以上设防震缝脱开。分缝后,万象城东西方向宽度177.0m,南北方向长度181.50～217.9m。

2 结构体系与抗震性能分析

2.1 结构体系

本工程为重点设防类大型商业建筑,结构体系采用框架-剪力墙结构,框架部分承受的地震倾覆力矩和分配的地震剪力均能满足规范要求,从而使结构具有双重抗侧力体系。楼盖体系采用钢筋混凝土现浇楼盖。中庭大跨度梁采用钢梁,托柱重荷载梁及部分承托扶梯的大悬挑梁采用型钢混凝土梁,其支撑柱、斜柱等采用型钢混凝土柱和钢管混凝土柱。停车夹层采用无梁楼盖。本工程安全等级为一级[4],根据超限审查意见,关键构件的抗震措施提高一级,抗震等级为:剪力墙抗震等级一级,关键构件框架抗震等级二级,其余框架抗震等级三级。剪力墙厚度400～300mm;普通混凝土柱采用边长1 000～800mm(自下而上)方柱,型钢混凝土柱采用边长1 000～900mm(自下而上)方柱;普通楼面梁截面尺寸主要为400×700、300×600,大跨度钢梁截面H850×350×16×25～H1 100×500×25×40;连廊楼板厚度150mm。柱墙混凝土强度等级自下而上为C50～C30,梁板采用C30;受力钢筋采用HRB400,型钢强度等级Q355～Q390。结构三维模型透视图见图5。

图5 三维模型透视图

2.2 结构超限情况及抗震性能目标

依据《抗规》及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号),本项目主要有三项一般不规则项[5-6],无严重不规则项。三项一般不规则项如下:1)规定水平力作用下扭转位移比大于1.2;2)L5层楼板南北向有效宽度为41%,超出规范限值50%的要求;3)L1、L2层局部有停车夹层;部分构件转换,东南角入口处采用3层高的斜柱悬挑结构。结构抗震性能目标按照C级采用[7],具体见表1。

表1 抗震性能目标

2.3 抗震性能分析

2.3.1 阻尼比及周期折减系数

多遇地震计算时,阻尼比取0.05,周期折减系数取0.8,连梁刚度折减系数取0.7;设防地震计算时,阻尼比取0.05,周期折减系数取0.9,连梁刚度折减系数取0.5;罕遇地震计算时,阻尼比取0.07,周期折减系数取1.0,连梁刚度折减系数取0.3。

2.3.2 小震弹性反应谱分析

结构弹性计算分析分别采用盈建科YJK和MIDAS Gen软件进行。YJK和MIDAS Gen两个软件计算的第1阶模态与第2阶模态均为平动,第一扭转模态为第3阶模态,有效质量系数X、Y向均大于90%,扭转周期比Tt/T1分别为0.825和0.849,结构具有良好的抗扭刚度。两种程序计算的楼层剪力分布情况较为接近,X、Y两个方向底部框架承担的地震倾覆力矩均不大于总地震倾覆力矩的50%,说明结构能够有效地形成两道抗震防线,无软弱层及薄弱层,结构位移、剪重比等指标均可满足规范要求。

2.3.3 小震弹性时程分析

小震弹性时程分析地震波选用5条天然波和2条人工波,计算程序采用YJK。7条地震波作用下结构基底剪力平均值大于振型分解反应谱法(CQC法)的80%,各条波分别作用下的基底剪力值大于CQC法的65%,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[7](简称《高规》)第4.3.5条的规定。时程分析法与CQC法的结果对比见表2。结构的地震作用效应取时程分析法计算结果的平均值和CQC法的较大值。

表2 弹性时程分析法与CQC法结果对比

2.3.4 中震作用下构件验算

中震计算时,水平地震影响系数最大值按安评报告与《抗规》的比值进行等比例放大,取0.187。在中震弹性、中震不屈服验算时,通过调整构件的配筋设计,使所有构件均满足设定的性能目标[8]。在进行相关构件复核时,为考虑楼板退化后的楼面梁内力可能增大的情况,在关键楼层(楼面开大洞的楼层、屋面等)删除楼板进行计算,按照考虑和不考虑楼板作用两者的不利情况进行构件复核[3]。施工图设计时按照中震计算以及小震弹性考虑裂缝的计算结果包络设计各构件的配筋。

2.3.5 大震弹塑性分析

本工程采用PKPM中的PUSH软件进行大震静力弹塑性分析。图6、7分别为大震推覆分析的结构需求谱与能力谱曲线、塑性铰分布。

图6 X向大震下结构需求谱与能力谱曲线

X、Y两个方向大震下结构最大层间位移角分别为1/273和1/268,小于《高规》第3.7.5条框架-剪力墙结构弹塑性层间位移角的限值1/100。X、Y两个方向大震下结构基底剪力分别为299 964kN和293 671kN,分别为多遇地震作用下基底剪力的4.6倍和4.7倍[9]。

在逐步加载过程中,连梁首先出现塑性铰,随着荷载逐步增加,框架梁也出现塑性铰,加载至大震作用时,除底部加强区个别挡土墙、个别剪力墙小墙垛屈服外,其余剪力墙均未屈服,框架柱也基本未出现塑性铰。由此可判断,结构整体损坏轻微,框架-剪力墙结构实现了两道防线的抗震性能,结构不致发生连续倒塌,抗震性能良好。

3 结构关键部位设计

3.1 嵌固端外挡土墙处理

本工程场区地势南高北低,自南至北高差约11m。结构嵌固端按照北侧室外坪最低处统一取在LG层楼面,结构南侧有两层高的挡土墙处于嵌固端以上(剖面关系见图2)。如采用与主体结构连为一体的常规挡土墙,势必造成整体结构的扭转效应过大,需在结构北侧补充大量的剪力墙抗扭转;如采用与主体结构分离的悬臂挡土墙,则11m高的悬臂挡土墙厚度和配筋都非常大,变形也难以控制。

本工程采用了依附式挡土墙的处理方式[10],即:挡土墙与主体结构间设置企口缝断开,中间填充硬质橡胶,达到与主体结构断开刚度联系、但仍以主体结构作为水平支撑的目的。主体结构计算时考虑挡土墙传来的土压力。依附式挡土墙做法如图8所示。

图8 依附式挡土墙做法

依附式挡墙有如下优势及特点:1)挡土墙在楼层处侧向支撑于主结构,降低了挡土墙本身的截面尺寸和配筋量;2)沿挡土墙长度方向与主体结构通过橡胶层连接,使得挡土墙与主体结构在墙长方向脱开,避免其刚度计入主体结构,引起偏心和扭转;3)所需的施工工期和施工空间最优。

3.2 中庭与大跨连接部位

商业各层均设置环形步行街走廊,在四个角部位置设置椭圆形中庭,跨越步行街的连廊及中庭部位为大跨度连接部位,跨度范围约18～28m。大跨连接部位的结构布置原则如下:

(1)跨度小于20m处,采用普通钢筋混凝土梁处理。大跨梁设置延伸跨,平衡大跨跨中弯矩,减小跨中配筋及挠度。

(2)跨度大于20m处,采用钢梁,钢梁两端铰接或刚接于框架柱或框架梁。

(3)中庭周边框架梁加强其截面及抗扭性能,其内部尽量采用钢梁布置,减轻中庭范围内的结构荷载。

(4)支承重荷载次梁的大跨主梁或托柱主梁采用型钢混凝土梁[11]。

(5)多梁交汇处设置环梁柱帽。

采用钢梁与混凝土梁混合布置的做法,既能使结构布置灵活,又能达到良好的经济性,其节点构造也相对简单。对于钢梁与混凝土梁相邻处,通过挠度计算及起拱措施,控制其变形差异,避免使楼板产生次内力[12]。典型大跨连接部位的结构布置及柱帽连接节点见图9～12。

图9 大跨混凝土梁布置

图10 中庭大跨钢梁和混凝土梁混合布置

图11 重载区大跨梁布置

图12 环梁柱帽节点

3.3 大悬挑处理

结构柱布置在步行街走廊内侧,走廊结构采用悬挑实现,支撑扶梯处最大悬挑长度约9m。悬挑结构采用如下处理方式:

(1)边梁内退0.8m,外侧采用挑板处理,相比于边梁贴洞边设置,可降低悬挑梁弯矩约5%～8%。

(2)悬挑尺寸6m以内,采用钢筋混凝土变截面挑梁,减轻结构自重。设备管线集中处采用“刀把梁”处理(图13),提升空间净高。

图13 “刀把梁”悬挑

(3)悬挑长度大于6.0m的非重载挑梁,采用预应力挑梁,示意图见图14。

图14 预应力悬挑梁

(4)悬挑长度8～9m且支撑扶梯的重载挑梁采用两级悬挑:一级悬挑梁采用型钢混凝土梁,外侧的二级悬挑以钢梁挑出。通过型钢混凝土的高承载力、弯矩的二次分配及结构自重的减轻控制此种挑梁的结构高度和变形,具体做法示意图见图15。

图15 重载两级悬挑梁的做法示意图

(5)挑梁端头的挠度控制原则:以悬挑的最远点作为计算点来计算挠度,以计算点的绝对竖向位移(考虑长期刚度)与其至最近竖向构件的距离的比值作为挠度控制值,其值应小于规范规定的悬挑梁挠度的限值。

3.4 东南主入口处理

东南主入口处在L5层及屋面悬挑尺寸均较大,最大悬挑尺寸近15m。本工程对于此部位进行了多种方案比选,最终采用了斜柱+悬挑的方案,见图16、17。斜柱采用钢管混凝土柱[13]。为减小结构重量,在斜柱外侧悬挑部位采用了Q390钢梁,见图18。主体结构与斜柱相连接的梁内设置型钢,斜柱产生的拉力全部由型钢承担[14]。

图16 东南入口空间模型

图17 东南入口L5层悬挑布置

图18 东南入口实景图

3.5 东北角冰场部位处理

建筑L4层东北角为冰场区域,其屋面为钢结构屋盖。冰场跨度27.5m,最大悬挑长度约为12m。冰场支撑柱采用8个圆钢管混凝土叠合柱[15],叠合柱与其周边梁交接处设置环形柱帽[15-16]。楼盖采用大跨钢梁(悬挑支撑梁为钢箱梁),楼盖大悬挑处在L3、L4层间采用交叉支撑平面桁架悬挑(图19、20),在满足冰场重载的前提下控制悬挑挠度。平面桁架内伸一跨,上下弦杆在内伸段变为型钢混凝土梁。冰场屋盖采用双向三角形空间管桁架(图21)实现大跨及悬挑。

图19 冰场楼面悬挑桁架模型

图20 冰场楼面悬挑桁架布置

图21 冰场屋面空间管桁架

3.6 结构超长处理

3.6.1 温度应力计算原则

本工程结构平面超长,平面尺寸约为210m×180m。温度计算考虑施工过程的温度应力[17],参数取值参照《结构设计统一技术措施》[18]规定,计算程序采用MIDAS Gen。后浇带浇筑时间为两侧主体结构完成后60d。

子结构不考虑温差影响,只考虑混凝土的收缩;后浇带浇筑合拢形成整体后,混凝土剩余收缩折算成当量降温温差,与整体温差叠加。子结构60d混凝土收缩完成量约45%,剩余55%收缩折算为整体结构的当量温差。整体结构温差取值±20℃。

温度应力计算时,考虑钢筋混凝土的徐变应力松弛及裂缝引起的弹性刚度折减,徐变系数取为0.3,刚度折减系数取为0.85,均以计算温差的折减来体现。

3.6.2 温度应力计算结果分析及加强措施

温度应力计算结果表明,温度应力呈现中间大、两端小(图22);下部楼层大、上部楼层小的分布状态;表明G层两侧南北向挡土墙对楼盖有较强约束作用,形成应力集中;最大温度应力约为3.5MPa。根据温度计算结果,本工程采取的应对措施如下:

图22 G层Y向温度应力云图/MPa

(1)设置楼板通长钢筋来抵抗温度应力,楼板温度通长筋配筋与楼板竖向受力钢筋叠加配置,配筋量满足《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)[19]0.3mm裂缝宽度的要求。

(2)对于连接部位的楼板,由于温度应力集中,且大震作用时为薄弱部位,考虑温度应力及大震受拉最不利组合配筋,框架梁内设置通长筋并加强其腰筋配置。

(3)尽量避免结构断面突变产生的应力集中。严格控制应力集中裂缝,在转角、洞边作构造筋加强,转角处增配斜向钢筋或网片,在中庭大洞口边位置设护边角钢。

(4)采用混凝土低温入模,低温养护,使混凝土终凝温度尽量降低,减少水化热和混凝土收缩。

3.7 楼板地震应力分析

采用PMSAP软件分析楼板应力[20],多遇地震、设防地震及罕遇地震下楼板应力见图23～26。

图23 小震楼板应力/kPa

图24 中震楼板应力/kPa

多遇地震下,楼板都处于未开裂状态,楼板主拉应力在1.0MPa以下,小于混凝土抗拉强度标准值2.01MPa,楼板处于弹性状态。设防地震下,绝大部分楼板都处于未开裂状态,楼板主拉应力大部分在2.0MPa以下,未超过混凝土抗拉强度标准值2.01MPa。罕遇地震下,大部分楼板处于未开裂状态,洞口、剪力墙周边及连接部位出现应力集中,除洞口和剪力墙周边的个别位置外,连接部位应力大部分在2.5～4.0MPa之间(图25),此部分楼板结合温度应力计算结果进行配筋设计,确保楼板整体工作状态。罕遇地震下,楼板剪应力最大值在2.0MPa以下,出现在剪力墙周边位置,连接部位的楼板剪应力均未超过楼板的抗剪能力0.15fck(fck为混凝土轴心抗压强度标准值)。罕遇地震下,楼板的整体性较好,连接部位楼板未发生受剪破坏。