某商业建筑结构设计分析

张进宝 张 帆 陈 磊

(天津市建筑设计院，天津 300074)

·结构·抗震·

某商业建筑结构设计分析

张进宝 张 帆 陈 磊

(天津市建筑设计院，天津 300074)

结合某商业建筑结构设计实例，为满足建筑的造型和空间需求，对结构存在楼层局部收进以及楼板局部不连续等超限现象进行了探讨，并采用多种有限元模型分析软件作了研究，根据分析结果提出了解决措施，使结构达到安全可靠的目标。

“桶箍”效应，抗扭刚度，楼层局部收进，楼板局部不连续

1 工程概况

该商业项目，地处天津经济技术开发区西区，基地规划总用地面积为28 560.8 m2，用地为城市空地，地势平坦。场地内一、二期分期建设，东侧为一期，西侧为二期。本次设计范围为一期工程，性质为商业综合体建筑，总建筑面积为16 026.94 m2，其中地上15 410.46 m2，地下616.48 m2。建筑总高度21.40 m，地上4层：首层5.7 m，二层和三层5.4 m，四层4.5 m；局部设置1层地下室，地下室层高为4.50 m。建筑效果图见图1。

2 结构体系

本工程平面体型不规则，上面部分为等边三角形，下面为平行四边形，中间有相交部分。除平面体型外，竖向体型也存在较大收进，即二层以上收进形成“叶形”平面。

经过比较，确定采用框剪结构体系：在平行四边形和等边三角形的转角处设置剪力墙，最大墙厚为700 mm，随高度增加逐步减小为350 mm；框架柱截面普遍为700 mm×700 mm，局部由于建筑需要改为φ700 mm圆柱；建筑物周边以强框架梁连接，形成“桶箍”效应。这样便较为理想解决了纯混凝土框架体系在层间位移角和扭转位移比上出现的不足(见表1)。

表1 主要指标对比

3 基础设计

本工程地基基础设计等级为甲级，建筑桩基设计等级也为甲级，设计分析计算采用JCCAD。根据详勘报告所提供的资料，该工程场地类别为Ⅳ类，非液化场地，原始地貌属于冲积～海积平原，土层分布较为均匀，以粉土，粉质粘土为主，但在浅基础范围内存在⑥2层淤泥质粉质粘土，呈流塑状态，具有高灵敏，低强度，极易发生扰动的特殊性，工程性质极差。所以，根据场地的实际情况和柱底内力情况，工程采用预制钢筋混凝土方桩基础。预制钢筋混凝土方桩具有桩身承载力高，质量可靠，施工质量比灌注桩易于保证，而且施工方便快捷等优点。桩端持力层定为⑨3层(粉质粘土)，桩长30 m，截面为500 mm×500 mm，工程桩静载试桩所得到的单桩竖向极限承载力标准值为3 050 kN。多数为多桩承台(两桩～六桩)，局部有单桩承台，双向设置拉梁。

4 结构分析

4.1 设计参数

根据建筑物功能特性，工程结构抗震设防分类确定为重点设防类(乙类)，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.15g；场地类别为 Ⅳ 类，场地特征周期为0.75 s；基本风压为0.55 kPa(50年重现期)，地面粗糙度为C类。周期折减系数取为0.8。

4.2 结构整体分析

结构整体分析采用PKPM系列的SATWE，并采用CSI系列的ETABS(9.7.4)进行复核。主要整体指标详见表2。

表2 结构主要整体指标对比

ETABS中剪力墙采用壳单元模拟，梁柱均采用杆单元，楼板采用膜单元模拟，对于与剪力墙面内相连且跨高比小于5的连梁采用壳单元模拟。ETABS整体分析模型见图2。

4.3 分析结果

由表2可以看出，ETABS与SATWE的分析结果基本一致，误差范围小于5%。结构的周期比、剪重比、层间位移角等总体性指标均满足规范指标。而且从结构的周期比小于0.85，扭转位移比小于1.20，可知结构的整体抗扭性能出色。

经过对两种力学模型的周期，周期比以及位移比等指标的对比，发现ETABS模型的结构抗扭性能更加出色。笔者判断其中的原因为：与连梁和剪力墙之间的约束形式有关。SATWE的连梁是采用杆单元建模，所以与剪力墙之间形成的是约束能力较差的点约束；而ETABS中连梁是采用壳单元建模，与剪力墙上的壳单元形成约束作用更强的线约束，从而形成抗侧力效果更好的体系，分析结果更符合实际情况。

5 关于楼层局部收进的设计措施

根据GB 50011-2010建筑抗震设计规范中第3.4.3条规定：“平面凹进的尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%”，可判定为凹凸不规则，即楼层局部收紧。本工程等边三角形部分在零层～二层区间腰长投影长度有102 m，而三层～屋面区间局部收进近40%至63 m，如图3所示。

体型收进会造成结构竖向抗侧刚度不连续，在体型收进结构的层间位移会有突变，竖向构件的内力会明显增大，尤其对建筑物周边以及收进处的竖向构件，内力突变更加明显，对结构整体抗震不利；另外，体型收进还有可能造成偏心，底部相邻结构会因受到扭转效应的影响，从而底部结构的周边构件内力加大。以上两点应在构件设计中予以足够的重视。

从体型上来说，该工程具有典型的收进结构特征，而且经过分析计算，通过表2可以发现地震作用下最大层间位移角均发生在第三层(收进层)，并且相关构件内力与楼层偏心情况均符合上述特征(见图4，图5，表3)。所以，在后续构件设计中对于相关构件的抗弯与抗剪均采取相应的加强措施。

表3 收进层偏心情况

层数质心/m刚心/mXYXY二层58．75761．90159．01155．849三层(收进层)51．80655．01953．81956．475偏心率/%886-0．7注：偏心率中符号表示方向

同一根框架柱在二层(左)与三层(右)的配筋比较见图6。

为了确保楼板能够在各工况下安全工作，在设计中主要采取了以下措施：楼板普遍厚度为120 mm，在楼板大开洞处和周边相邻部位以及楼层局部收进部位，板厚增加到150 mm，并采用弹性板分析计算。同时，为更准确的评估各工况下的楼板工作情况，采用有限元法对楼板应力水平进行分析。楼板采用壳单元模拟。分析结果如下：

1)在X，Y向的水平地震单工况下，全楼楼板的拉应力水平较低，小于1 MPa，小于C30混凝土的抗拉强度；但在剪力墙和楼板大开洞周边等的刚度有较大突变的部位，尤其是剪力墙与面内框架梁的交点处，出现了较大的拉应力，最大应力水平约为5.5 MPa，远超过混凝土的抗拉强度。处理措施为拉应力全部由钢筋承担，剪力墙支座处配备足量附加钢筋，适当控制楼板裂缝水平。

2)在恒、活等竖向荷载组合作用下，如图7所示的板块，虽为四边支撑，但从实际受力状态来看，应属于三边支撑的悬挑板，上部连续一侧呈现出较大的负弯矩。究其原因在于，下端封口梁截面较小，支座效应较弱。设计中应对此处的支座负筋进行适当加强。

6 中、大震下的结构变形验算

根据《抗规》中第5.5.2条：“7度Ⅲ，Ⅳ场地和8度时的乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构宜进行弹塑性变形验算”的规定，并且进一步掌握结构在中、大震下的性能表现，以达到“中震可修、大震不倒”的性能目标，对结构进行设防地震与罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算，分析采用PKPM的PUSH&EPDA模块中的静力推覆(PUSHOVER)分析方法进行。

主要控制参数设置为：荷载类型为倒三角形；竖向荷载作用方式为杆间；材料强度采用标准值；杆元分段数为6。分析结果见图8，图9，表4。

从图8，图9的计算结果表明：在罕遇地震工况下，结构的能力曲线在X，Y方向下均与需求曲线存在交点，即性能点，且与性能点所对应的层间位移角均可满足《抗规》中关于弹塑性层间位移角限值(1/100)的要求，说明结构满足“大震不倒”的抗震要求。

表4 静力弹塑性分析结果

7 结语

1)本工程体型复杂，平面不规则，经过方案对比，框架剪力墙体系可以较好同时满足结构对于抗侧刚度和延性的要求。而且通过剪力墙位置的合理布置，用强框梁与框架柱相连，形成“桶箍”效应，为结构提供良好的抗扭刚度。2)SATWE和ETABS对于连梁及其约束形式的不同处理方式，会对整体指标造成相应的影响。另外，对于剪力墙和楼板的划分精度也会对结构计算产生一定的影响。3)对于楼层局部收进对结构造成的抗侧刚度突变，在进行构件设计时，应对收进层周边的竖向构件的抗剪和抗弯性能进行着重加强；由楼层收进产生的偏心会对结构的抗扭不利，本例中采用加高周边框架梁的方法较好的解决此类问题。4)由于框剪体系中框架和剪力墙的刚度差异，楼板在刚度突变处很容易形成应力集中，应注意对这些部位的楼板进行相应的加强；此外，对于支撑于悬挑梁上，从框架内延伸出来的楼板，支座负筋应予以适当加强。5)根据静力弹塑性分析的结果，结构本身能够满足“大震不倒”的抗震要求。另外，在满足结构的抗震性能之外，也同时兼顾了建筑经济性的需求。

[1] GB 50007-2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] 史静贤.浅谈高层建筑体型收进和外挑结构的设计[J].有色金属设计,2010,37(1)：29-30.

[3] 方鄂华,程懋堃.关于规程中对扭转不规则控制方法的讨论[J].建筑结构,2005,35(11)：61-63.

[4] PUSH&EPDA用户手册[M]．北京:中国建筑科学研究院，2008．

The design analysis on a commercial building structure

ZHANG Jin-bao ZHANG Fan CHEN Lei

(TianjinArchitecturalDesignInstitute,Tianjin300074,China)

Combining with the structure design of a commercial building as an example, in order to meet the architectural space and shape demands, this paper discussed the local income and floor partial discontinuity and other overrun phenomenon, and made research using many finite element model analysis software, based on the analysis results put forward some measures, to achieve safe and reliable target of structure.

“hoops” effect, torsional stiffness, floor local income, floor partial discontinuity

2014-07-14

张进宝(1959- )，男，高级工程师； 张 帆(1986- )，男，工程师； 陈 磊(1981- )，男，工程师

1009-6825(2014)27-0032-03

TU247

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