蘇州某大型復雜商業連體結構設計

夏 昊, 張 強, 陳才華, 任重翠, 王 洋

(中建研科技股份有限公司，北京 100013)

1 工程概況

某商業綜合體項目位于蘇州市相城區,總建筑面積34萬m2,項目整體是一個集購物、休閑、娛樂為一體的大型商業綜合體建筑群。地上建筑面積18.8萬m2,包含大型購物中心、商業街、高壓變電站、停車樓;地下建筑面積15.6萬m2,包含地下商業和車庫,本工程已于2021年9月25日開始營業,建筑實景圖見圖1。

圖1 建筑實景圖

從抗震概念出發,在適當的位置設置防震縫,具體位置見圖2,圖中藍色線條表示雙柱縫,紅色線條表示滑移縫,縫寬均為180mm。通過防震縫將地上結構劃分為五個相對獨立的結構單元[1],分別為商業街A區(地上2層,主屋面高度11.5m)、商業街B區(地上2層,主屋面高度11.5m)、停車樓區(7層,主屋面高度22.5m)、購物中心A區(地上5層,局部6層,6層為空中影院,影院頂高度47.5m)、購物中心B區(地上5層,主屋面高度28.5m)。本文只介紹購物中心A區結構設計情況。

圖2 防震縫示意圖

購物中心A區抗震設防烈度7度(0.1g),場地類別為Ⅲ類,設計地震分組為第一組,設計特征周期Tg=0.53s,抗震設防類別為重點設防類。

2 結構體系分析

2.1 整體結構方案

購物中心A區位于地塊南側,地上5層(局部6層),2～4層層高5.5m,5層層高6m,6層為空中大跨影院桁架,影院層高19m,影院頂高度47.5m。購物中心A區平面呈矩形,平面尺寸為225m×100m。由于購物中心A區平面布置復雜,為了更清晰地分析該區結構特點,將該區結構沿立面分為影院區和主體結構區,典型平面布置圖如圖3所示,3～5層連體桁架剖面示意如圖4所示,整體結構三維示意如圖5所示。

圖3 主體結構區典型層結構平面布置圖

圖4 3～5層連體桁架剖面示意

圖5 購物中心A區三維結構模型組成圖

購物中心A區主體結構區為混凝土框架-剪力墻結構[2],樓板為現澆鋼筋混凝土樓板。豎向荷載通過板、梁傳給豎向構件直至基礎;水平荷載由剪力墻及框架共同承擔。購物中心A區主要構件截面及材料信息見表1。

表1 購物中心A區主要截面及材料信息

2.2 主體結構剪力墻布置及連體方案

本工程在3～5層位置存在連體結構[3],屋頂影院投影區與A1、A2區(圖6)均存在重疊部分[4]。

圖6 A區主體結構單元A1、A2區平面范圍示意

屋頂影院鋼結構與主體結構A1、A2區如果采用滑動連接,即高位層間隔震,則需考慮設備立管的柔性設置;連接體結構位置較低,重量較重,采用弱連接形式不合理;連接體寬度27m、跨度30m、高度11m,采用剛性連接形式能更好地協調兩側結構單元,因此屋頂影院鋼結構與主體結構采用剛性連接更合理[5]。

為了更好地協調屋頂鋼桁架連體傳遞至主體結構的水平力,調整A1、A2兩個單體的剛度,主體結構采用框架-剪力墻結構,剪力墻布置方案優化比選如圖7所示,其中圖7(b)中虛線框所示為兩方案剪力墻布置的主要差異,為了控制A1區角部扭轉剛度,增加角部剪力墻布置。

圖7 購物中心A區主體結構剪力墻布置方案

2.3 影院結構方案

本工程最大亮點為漂浮于整個建筑上方且形成密閉空間的空中影院[6],由于屋頂堆放重型設備且開大洞、變高差等原因,屋頂影院采用平面鋼桁架為最優選擇。平面鋼桁架考慮兩種方案:方案一為橫向45m跨單跨桁架,方案二為縱向最大跨度為36m的連續桁架;兩種方案布置圖如圖8所示。對比上述兩種方案,在屋面桁架高度2.5m高不變,增加四根室內柱(圖8(b)紅色線圈起的柱)之后,將屋面桁架的跨度從45m單跨桁架變為最大跨度為36m的連續桁架,在不影響室內功能的前提下,屋面鋼結構用量節省300t,最終采用方案二。

圖8 購物中心A區屋面影院鋼結構方案比選

影院為鋼桁架結構,影院屋面、樓面均采用平面鋼桁架體系,樓板采用鋼筋桁架樓承板,外立面鋼斜撐為影院區提供側向剛度及傳遞懸挑端荷載。影院與主體結構采用鋼支座連接。豎向荷載通過屋面、樓面桁架傳遞給柱腳支座,再由柱腳支座傳遞給主體結構的柱、墻,最終傳至基礎;水平荷載作用由影院外立面鋼斜撐承擔,后傳遞給支座,再傳給主體結構柱、墻上,最終傳至基礎。影院區結構體系布置如圖9所示。

圖9 影院區結構體系布置

3 結構超限情況及抗震性能目標

3.1 結構超限情況

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)(2016年版)[7]、《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)[8](簡稱《高規》)和文獻[9],結構超限情況如下:1)扭轉不規則:結構樓層扭轉位移比大于1.2。2)樓板不連續:存在樓板有效寬度小于50%、樓板開洞面積大于30%的情況。3)凹凸不規則:存在平面凹凸尺寸大于相應邊長30%的情況。4)尺寸突變:存在大懸挑桁架,懸挑跨度最大18.8m。5)構件間斷:結構存在連體部分。故本工程含有5項一般不規則。

3.2 抗震性能目標

參照《高規》第3.11.1條第2款條文說明,結合本工程的抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構特點,并征得業主意見后,購物中心A區抗震性能目標定為D級:即小震完好、中震中度損壞、大震比較嚴重損壞。關鍵構件的抗震性能目標比D級適當提高。具體構件的性能目標見表2[10]。

表2 結構及構件抗震性能目標

4 結構彈性分析

4.1 彈性指標分析

小震彈性反應譜分析的主要計算結果見表3。計算結果表明,周期比、層間位移角、位移比、剪重比、樓層受剪承載力比、樓層豎向剛度比均滿足《高規》限值要求。

表3 彈性分析主要計算結果

4.2 周期比與位移比的平衡

本工程彈性指標分析的難點在于周期比和位移比兩個指標。周期比看整體結果,位移比看單體結果,敏感性剪力墻位置如圖10所示。A組墻肢對位移比敏感,如果減少墻肢數量,則位移比不利;B組墻肢對周期比、位移比均敏感,若墻肢數量增加,則位移比不利,若墻肢數量減少,則周期比不利。

圖10 主體結構敏感性剪力墻位置示意

另外,鑒于本工程連體的影響,分別考慮分塊剛性及全樓彈性膜計算位移比[11],結果(表4)均滿足不大于1.40的要求。

表4 分塔計算的最大位移比及所在樓層

5 關鍵構件設計

本節采用SATWE軟件進行結構中震彈性及中震不屈服計算,提取關鍵構件的內力,復核其在中震荷載組合作用下是否處于彈性工作狀態;檢查普通豎向構件受剪截面是否滿足截面控制條件。對于結構薄弱部位,采取加強措施后復核驗算,保證各構件均能滿足表2提出的抗震性能目標要求。

5.1 支承影院框架柱設計

根據表2要求,支承影院框架柱、大懸挑桁架支承柱、3～5層大跨連體桁架支承柱均應滿足中震彈性、大震不屈服要求。圖11給出支承影院框架柱編號及布置示意圖,圖12給出典型支承影院框架柱4、6的中震抗彎彈性PMM包絡圖,結果顯示各工況驗算指標均在屈服球內,支承影院框架柱抗彎承載力滿足中震彈性性能要求。

圖11 支承影院框架柱編號及布置示意圖

圖12 支承影院框架柱中震抗彎彈性驗算結果

5.2 下部主體部分連體結構設計

購物中心A區兩側結構單元在3～5層由大跨桁架剛性連接,連接體寬度27m,跨度33m,根據表2要求,大跨連接體桁架應滿足中震彈性、大震不屈服的設計要求。大跨連接體桁架的布置形式和立面展開圖如圖4所示。

與大跨度連接體桁架弦桿相連的框架梁起到傳遞及平衡連接體桁架根部弦桿軸力的作用,對確保連接體發揮作用起到非常重要的作用,因此應確保該位置框架梁達到連接體桁架相同的性能目標,即中震彈性。主要驗算結果見圖13。結果顯示各工況驗算指標均在屈服面內,框架梁強度滿足性能目標要求。

圖13 與大跨連接體桁架相連的框架梁中震拉/壓彎彈性驗算

5.3 影院鋼結構支座設計

影院空間鋼桁架結構通過12個成品球鉸支座與下部混凝土主體結構連接,傳遞豎向力與水平力,支座平面布置圖如圖14所示。其中Z06、Z07、Z10、Z11支座為雙向滑動球鉸支座,其余Z01～Z05、Z08、Z09、Z12支座均為固定球鉸支座。局部設置雙向滑動球鉸支座的目的是為了減小自重下空間鋼桁架桿件軸力。固定球鉸支座滿足中震彈性要求,雙向滑動球鉸支座滑動量應不低于50mm。所有支座轉動能力應不小于0.02rad。

圖14 影院鋼結構底部支座平面布置圖

6 影院鋼結構專項分析

6.1 影院鋼結構獨立模型補充分析

本工程影院鋼桁架在34m標高位置通過成品支座連接左右主體兩個單元,因此對影院鋼結構要進行單獨的抗震分析,分析的前提是得到影院鋼結構基底樓面譜放大系數[12]。采用SAP2000軟件對影院鋼桁架進行小震下整體結構彈性時程分析。小震下時程分析的影院支座最大剪力與反應譜分析的最大剪力結果比較如表5所示。由表5可見,反應譜分析得到的影院支座X向、Y向最大剪力均略大于七條波平均值,說明小震下反應譜分析結果可靠。

表5 小震下時程分析與反應譜分析的最大剪力比較

時程分析中,采用的加速度峰值為35cm/s2;X向地震作用下,得到的影院支座位置處的X向加速度峰值的平均值為88.5cm/s2,約為輸入的加速度峰值的2.53倍;Y向地震作用下,得到的影院支座位置處的Y向加速度峰值的平均值83.6cm/s2,約為輸入加速度峰值的2.39倍。根據上述分析結果,當采用影院獨立模型進行反應譜地震分析時,將X向、Y向地震作用分別放大2.53倍、2.39倍。

6.2 影院鋼筋桁架樓承板樓面舒適度分析

對影院鋼筋桁架樓承板樓面進行豎向振型分析,質量源取1.0恒荷載+0.5活荷載。分析得到樓面第一階豎向自振頻率為1.93Hz,小于3Hz,應對影院鋼筋桁架樓承板樓面補充舒適度分析[13]。

分析時激勵時程曲線主要采用IBASE(行走函數)連續步行荷載曲線,如圖15所示,該圖中行人質量取75kg,結構步頻fp=2.0Hz。

圖15 IBASE連續行走激勵時程曲線

分析時阻尼比采用3%,選用A、B、C三點(圖16)所示位置分別施加單點行走激勵。

圖16 舒適度分析的加載點位置示意

計算結果顯示,樓面A、B、C三個參考點的最大豎向加速度為0.02m/s2(圖17),低于規范限值0.15m/s2,滿足規范要求。

圖17 舒適度分析的各點豎向加速度時程曲線

6.3 影院鋼結構防連續倒塌分析

《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)(2015年)[14]和《高規》3.12.1條規定:安全等級為一級的高層建筑結構應滿足抗連續倒塌概念設計要求;有特殊要求時,可采用拆除構件方法進行抗連續倒塌設計。根據上述規范規定,徐州中央國際廣場東塔采用拆除構件的彈性靜力分析方法進行抗連續倒塌設計,計算分析采用SAP2000。拆除結構重要構件后,剩余結構構件的承載力應滿足Rd≥βSd[15],其中Rd為剩余結構構件承載力設計值,Sd為剩余結構構件效應設計值,β為效應折減系數。

(1)拆桿工況一

選擇南側懸挑桁架交叉支撐(圖18中藍色桿件)進行拆除(靜力作用設計時該桿件應力比為0.666;中震不屈服工況下該桿件應力比為0.726)。對周邊桿件考慮動力放大系數,計算結果表明,被拆除桿件周圍的桿件應力比較高,達到0.907,但均小于1.0。

圖18 拆桿工況一及相鄰需要考慮動力放大系數的桿件

(2)拆桿工況二

選擇北側懸挑桁架斜桿(圖19中的藍色桿件)進行拆除(靜力作用設計時該桿件應力比為0.253;中震不屈服工況下該桿件應力比為0.412)。對周邊桿件考慮動力放大系數2.0,,計算結果表明,被拆桿件周圍的桿件應力最大為0.716,小于1.0。

圖19 拆桿工況二及相鄰需要考慮動力放大系數的桿件

因此,結構設計時留有足夠的安全儲備,不會因為少量構件的破壞導致整體結構破壞進而引起結構連續倒塌。

7 結論

本工程購物中心A區為復雜高層連體結構體系,含多項一般不規則項。剪力墻布置、連體結構設計、屋頂鋼桁架及支座設計為本工程的難點,通過析得出的主要結論如下:

(1) 通過優化剪力墻布置及數量,同時兼顧周期比、位移比整體指標,論證了該復雜連體下部主體結構采用框架-剪力墻結構體系為合理的結構方案。

(2)影院鋼桁架底部通過固定球鉸成品支座與主體兩個單元相連,將屋頂鋼結構的地震力均勻傳遞給主體區豎向構件,局部位置改為滑動支座釋放恒載下鋼桁架桿件應力,優化桿件設計。

(3)通過對連體部位采用性能化設計,滿足中震彈性、大震不屈服的性能目標要求,同時考慮豎向地震作用,并采用獨立模型與整體模型對主體單元進行包絡設計,確保主結構滿足“大震不倒”的抗震設防目標。

(4) 通過對影院鋼桁架獨立模型、整體模型的包絡設計,確定了合理的樓面加速度反應譜,通過必要的性能化設計及專項分析,論證了影院鋼結構具有良好的樓蓋舒適度及防倒塌性能。