某大型商業樓結構設計

施駿 彭定超

0 引言

本工程由商業樓與水樂園組成，商業樓與室內水公園為室外消防通道，兩部分結構不相連，商業樓在中部設抗震縫，分為左、右兩個結構單元。整體效果圖如圖1 所示（本文僅涉及商業樓）。

圖1 整體效果圖

商業樓總長度410m，建筑面積約119 900m，采用混凝土框架結構體系。地下1 層，層高5.7m，地上3～4 層，1層層高7.0m，2～3 層層高5.4m，4 層層高5.1m，結構高度22.9m，其中樓梯間和IMA×廳突出屋面。

1 主體結構體系設計

本工程抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計抗震分組為第一組。建筑場地類別為Ⅱ類，典型柱網為8.4m×8.4m，局部大跨度柱網為9.6m、10.5m 以及19.2m不等，采用框架結構體系；框架的抗震等級為二級，局部大跨度框架為一級；存在樓板不連續和扭轉不規則兩類結構超限。針對以上不規則，設計采取以下構造措施：

（1）對樓板開大洞不連續部位的周邊框架梁、樓板進行加強處理（本層），樓板加厚達到比周邊普通樓板厚20mm，框架梁加大縱筋與箍筋，并設置抗扭腰筋；

（2）在計算程序與計算措施上，計算模型考慮樓板的面內彈性變形而采用彈性膜單元，以及局部剛性樓板與開洞處周邊彈性膜樓板相包絡；結構計算時考慮扭轉耦聯及雙向地震，通過調整周邊梁以及大開洞周邊梁的大小，來控制樓層最大水平位移≤該樓層兩端水平位移平均值的1.4 倍；通過加強及優化框架的構件布置，提高抗扭能力。

2 基礎設計

本工程柱網大多為8.4m×8.4m，局部大跨度柱網為9.6m×8.4m、10.5m×8.4m 以及16.8m×8.4m 不等，由于上部結構布置得不規則、多處局部大開洞等導致荷載不均勻；并且在中庭部位存在著抗浮工況，結構整體對基礎的不均勻沉降較為敏感。

綜合分析建筑場地地基條件、結構類型以及經濟性，同時考慮到不均勻沉降對上部結構的影響，最終采用PHC400 管樁基礎設計方案，以粘土作為樁端持力層。

3 基礎沉降差異對上部結構的影響

框架結構在施工過程中逐步形成并逐步加載，在不同的施工階段會產生不同的結構內力；考慮到施工過程的結構實際內力分布與整個結構一次性進行分析的內力有差別，同時上部的剛度也逐步變化，必然在上部結構中產生附加內力，該附加內力又影響到基礎頂面處的柱底內力，從而影響著柱間的沉降差。文獻[1]、文獻[2]顯示，雖然逐步施工條件下沉降與一次加載的沉降對基礎的最終沉降值影響很小，但單柱沉降是隨上部結構施工而逐步非線性積累的過程，柱間沉降差也是一個非線性積累的過程，在沉降過程中產生了上部結構內力重分布。

3.1 理論計算沉降值及影響程度

由于柱網大小的不同、頂部樓層局部抽柱以及設置中庭等情況，柱軸力呈不均勻分布，單柱承臺布樁數由4 樁到11 樁不等，同時在中庭部位樁數由抗拔工況控制，造成中庭柱下承壓能力富裕。沉降整體出現中間凹的盆式形態，最大沉降為20.0 mm，柱間沉降差最大約為0.0009L，滿足規范控制要求。

上部框架的整體剛度可減少基礎柱間沉降差，同時框架也承擔了由沉降差引起的附加次內力，在滿足規范中0.002L 的柱間沉降差的條件下，上部結構體系的附加次內力（彎矩以及剪力）與沉降的關系在現行規范中并沒有涉及，設計應該從概念上給予考慮。下圖為按照本工程標準柱網、構件大小、混凝土強度等級相同的條件下，計算沉降差對上部結構的影響。計算采用SAP2000，輸入條件為計算沉降差為0.002L，在此作用下，梁柱的附加彎矩如圖2。

圖2 附加彎矩圖

不均勻沉降客觀存在，并且微小的沉降差值會對上部結構產生影響。

（1）不均勻沉降對上部結構內力影響范圍主要集中在沉降范圍內梁、柱構件以及沉降范圍邊緣外相鄰柱構件，對于其他結構構件的影響比較小。

（2）桿件內力隨不均勻沉降差呈線性關系；當沉降差接近規范容許限值時，框架梁彎矩均有較大的變化，增大的幅度從下往上遞減，幅度分別為60%、54%、54%、53%；上部梁剪力增大的幅度從下往上分別為32%、25%、16%、19%，剪力的增大幅度與實際受荷載有關。

（3）沉降改變了柱子軸力的分布，中心沉降較大的柱子軸力有一定量的減小，減小幅度約為32%；而周邊的柱子有不同程度的增加，增加幅度約為8%；均勻沉降范圍自中心向兩側擴展過程中，當沉降邊緣接近某排柱時，將對該排柱軸力產生的影響最大，當沉降范圍繼續擴大時，該排柱軸力將逐漸減小。位于沉降范圍中心附近的構件，軸力可能小于其未考慮沉降影響時的軸力值。

3.2 設計應注意的問題及相應措施

根據前述分析，在規范容許沉降差的范圍內，柱、梁的內力有著不可忽視的改變，其改變數值足以影響到結構的安全性。但是相對于理論沉降差計算模式，實際結構體系尚有如下有利條件的影響：（1）沉降伴隨施工過程逐步發展，混凝土強度和結構剛度還沒有100%形成，上部框架結構的附加內力并沒有理論計算得那么大。（2）在結構封頂后繼續增加的沉降，由于混凝土構件徐變等因素，部分沉降差不引起框架附加內力。

為了減小沉降差對上部結構的不利影響，建議采取以下措施：（1）盡可能選擇沉降較為小的基礎形式，從而達到減小柱間沉降差的目的。（2）梁柱配筋宜考慮一定量的富余程度，具體幅度宜根據地基沉降大小及上部結構確定沉降差的敏感程度。

4 超長效應對結構的影響

主體結構南北方向約為180m，東西方向約為165m，溫度荷載對結構的影響主要體現在結構的長度與溫度荷載的取值上，根據此溫度荷載對施工期間和使用期間有著不同的影響。溫差取值涉及很多因素，不同的取值會導致較大的溫差荷載，計算結果的差異也就很大，設計時更應該注重結構的概念設計以及整體設計，采取一些防范措施，盡可能避免或減少溫差帶來的不利影響，不應單一采用抗的方法來設計。

超長混凝土地下室結構通常不分縫，施工階段混凝土由于成型收縮受到約束，局部可能會產生拉應力甚至出現裂縫，構件截面受拉與恒活荷載疊加后，混凝土收縮拉應力或者早期裂縫寬度會有所增加，當環境溫度進一步降低時，這些拉應力或者裂縫也將進一步加劇。長期以來控制此類問題的措施一般有：（1）設置后澆帶與加強帶。（2）驗算截面的最大裂縫寬度并據此來設置構件配筋。（3）增加構造配筋，從概念上控制裂縫寬度，分散裂縫分布等。（4）加強混凝土構件的養護，避免混凝土構件的早期裂縫、不可恢復裂縫等。

4.1 溫度荷載的取值討論

建筑物從施工開始到正式投入使用以及在設計使用期內，一直受著各種自然環境條件變化的影響，作用在建筑物上溫度荷載較復雜，溫度荷載的合理取值，是分析溫度效應的關鍵。

溫度荷載的來源主要有季節溫差、日照溫差、驟降溫差、混凝土收縮當量溫差等，混凝土收縮當量溫差是指混凝土強度增長過程的收縮效應換算成等效溫度差。

結合本工程實際情況，將溫度荷載的影響范圍分為地下室和上部結構分別討論，以上部結構為例?；炷恋氖湛s是一種隨時間而增長的變形，結硬初期發展較快，一個月約完成50%，兩個月完成60%～80%，以后卻增長緩慢，一般兩年后趨于穩定。本工程設置了多道后澆帶，間距約40m，兩個月封閉后澆帶。采取了后澆帶的措施后，混凝土的收縮應力部分釋放而變得減弱，計算時可取60%混凝土收縮等效溫差的影響。

在結構竣工投入使用后，由于有建筑外保溫、外圍護墻、幕墻等措施，使得室內的實際溫度變化沒有季節溫差大。根據荷載規范合肥市基本氣溫最低-6℃，最高37℃。由于本工程采取建筑外保溫設計，并設計了空調系統，設計溫度范圍適當調整，最低按3℃考慮，最高按29℃考慮。根據當地氣象資料，年平均氣溫為15.7℃，結構合攏溫度確定為14～18℃，環境溫差升溫工況為29-14=15℃，降溫工況為3-18=-15℃。計算溫度應力考慮的溫度荷載，由環境溫差和收縮當量溫差疊加。

4.2 后澆帶對溫度作用的影響

在施工期間，由于有后澆帶的存在，早期的混凝土收縮基本在可控范圍以內，后澆帶是避免施工期間收縮裂縫的有效措施，膨脹加強帶可以有限地解決施工后期溫度變化引起的變化，對于超長結構體系，筆者認為采用后澆帶與加強帶相結合的措施比較適合。

4.3 不同部位處溫度作用的影響

由于平面布置的不同，本工程中左單元存在3 個中庭，形成了多個薄弱部位。

在溫度荷載作用下，由于受到底部的約束，層間變形差由下往上依次遞減。在第4 層開始間變形差較小。

在溫降工況下，樓板拉應力分布沿樓板縱向表現為兩端小，中間大；沿豎向隨著樓層的增加，拉應力逐步減小。

本工程采用框架結構，豎向構件剛度較小，且沒有明顯剛度集中或不均勻，在溫荷作用下，樓板受到約束較小，整體樓板應力不大在可控范圍，溫度應力最大的2 層樓面，在降溫工況下樓板拉應力主要控制在0.5～0.8MPa 間，局部有應力集中，中庭等樓板削弱明顯的區域局部樓板應力略偏高，主拉應力約1.4MPa。大部分區域應力水平較低，在0.8MPa 以下。

本工程樓板溫度應力在可控范圍，采用雙層雙向配筋，適當提高配筋率的措施來抵抗溫降荷載產生的拉應力。

4.4 結論與設計加強措施

在溫度荷載作用下，結構的變形主要集中在頂層以及結構周邊的梁柱上，中間部位的柱梁板變化較??；同理溫度應力影響的范圍也在這些區域。由于結構約束條件的限制，從底層到屋頂，溫度作用的變形逐步增大，內力影響程度逐步減小。樓板對溫度的敏感程度大于框架梁柱，屋面板是溫度影響最大的部位。

建議采取加強措施：

（1）設計中采用雙層雙向配筋，選用小直徑鋼筋密排布，適當的增加配筋率。根據文獻[1]顯示，采用小直徑鋼筋密排布的措施優于單純的提高配筋率。

（2）加強建筑隔熱保溫措施，特別是屋頂層。

（3）后澆帶設置只能在較短的間距范圍內解決早期混凝土收縮應力問題，對于超長結構體系的后期溫度應力的影響有限；設計應采用膨脹加強帶與后澆帶相結合的方法。同時后澆帶采用主受力鋼筋搭接或者附加一定量的受力鋼筋。

（4）控制混凝土入模溫度來緩解混凝土收縮效應，減少開裂可能。

5 結論

本工程本著安全、經濟的原則，從各方面考慮，以確保結構在安全容許的范圍內節省成本。

沉降差對于框架結構體系是影響安全性的一個因素，設計者應當給予足夠的重視，并采取概念性加強措施。

超長結構體系應該充分考慮溫度荷載對于結構生命期全過程的影響，特別是后澆帶封閉至維護結構完成的時間段，應該采取施工保護措施，盡可能減少溫度荷載對主，結構的影響。