浅析超长大跨度商业综合体结构设计难点

陈伟力

(厦门合道工程设计集团有限公司 福建厦门 361000)

引 言

随着我国经济发展，大型商业综合体建设量也越来越多，既有万达广场、华润万象城等，在全国各地扩张，也有建发、新景地等厦门本地企业的商业综合体建设。由于建筑功能要求，这些大型商业综合体一般具有建筑长度较长、内部大开洞造成连接薄弱、连廊及影厅跨度较大、局部位置大悬挑等共同特点，如何合理进行结构设计，值得我们探讨。本文以建发海西首座E36地块的商业购物中心进行相关问题讨论。

1 工程概况

海西首座E36地块项目位于厦门市新开发区－五缘湾片区，金山路西侧，云顶北路东侧，五缘湾道南北侧。整个工程项目由一栋酒店及其配套裙楼，两栋办公楼，一栋办公(整售)以及商业购物中心组成，计容建筑面积176320m2。项目定位为一个集高端酒店，办公以及中高档家庭型购物中心的海西标杆综合体建筑。其中商业购物中心，半地下建筑面积 14810m2，地上建筑面积15900m2。地下2层，地下二层、一层层高分别为3.6m、5.1m;半地下室1层，层高6.3m;地上3层，一～三层层高分别为6.0m、5.2m、5.2m(局部影院处11～15m);结构总高度为22.85m。建筑长度约为248m，宽度约为120～70m。(图1)为整个项目的效果图。(图2)为购物中心的剖面图。

图1 建筑效果图

图2 建筑剖面图

2 结构体系

商业购物中心上部结构单体，为钢筋混凝土框架结构。由于建筑功能需要，建筑内部楼板大开洞，南北区域仅通过连廊连接，联系薄弱。结构设计可设缝分为多个结构单体，或不设缝为超长结构单体，两者的比较见(表1)。

表1 设缝与不设缝结构比较

从(表1)可见，设缝与不设缝均有缺点，但单体结构深凹口的解决需要调整建筑平面，为满足建筑功能要求，最终按主体结构不设缝进行设计，最大长度达248m，在结构设计中采取措施解决超长、弱连接等不利因素。(图3)为商业购物中心的结构平面图。本工程于2013年1月6日在厦门召开了专家论证会，同意结构不分缝，按超长单体进行设计，但应采取相应措施。

图3 结构平面图

3 相关问题讨论

3.1 结构单体超长

根据《混凝土结构设计规范》GB50010－2010[1]第8.1.1条，现浇框架结构伸缩缝最大间距为55m，商业购物中心长度达到248m(半地下室最大长度约为260m)，远远超过规范限值。针对结构单体超长，采取的措施为:

(1)计算分析及构造

超长结构在温度变化、混凝土收缩、徐变作用下对结构的影响是必须考虑的。结构设计中，如果不采取有效的抗裂及裂缝控制措施，楼(屋)面会出现大面积开裂，严重影响建筑物使用，有时甚至造成部分结构构件的损伤。因此，进行超长结构在温度变化、混凝土的收缩和徐变作用下的应力分析，是超长结构设计的核心问题之一。

结构超长引起温度作用，分为应力和变形两大问题。其中变形裂缝是我们最为关注的。温度作用的主要荷载组合如下:

应力控制的主要组合:

①1.2SG+1.4SQ±0.6*1.4ST

②1.2SG±1.4ST+0.7*1.4SQ

③1.2SG±1.4ST+0.5*1.4SQ(活载有利时)

裂缝控制的主要组合:

①1.0SG+1.0SQ±0.6ST

②1.0SG±1.0ST+0.7SQ

③1.0SG±1.0ST+0.5SQ(活载有利时)

采用三维空间分析程序PMSAP，计算温度作用，根据《建筑结构荷载规范》GB5009－2012[2]，厦门市基本气温最高35°，最低5°，温度作用计算时，结构初始平均温度取值为:T0，min=10℃;T0，max=20℃，结构均匀温度作用可按升温25℃、降温15℃考虑。施工时要控制后浇带浇筑合拢时的温度，尽量减小合拢温度与低温时的温差，温度控制在10℃ ～20℃之间。

对于梁的配筋，采用PMSAP计算结果及不考虑温度作用时SATWE计算结果的包络值

板筋为正常使用下的板筋面积与温度作用下的附加板筋面积叠加后配置。温度工况下的楼板应力见“温度单工况下的等值线图”(图4、图5)，升温时大部分区域为压应力，降温时大部分区域为拉应力。温度拉应力最大为结构3层(建筑1层)的X向，一般达到1000～1500kN/m2。以上楼层逐层降低，同楼层Y向小于X向。

图4 第3层温度单工况下的X向正应力等值线图

图5 第3层温度单工况下的Y向正应力等值线图

假定温度应力为1000kN/m2，若不考虑混凝土的抗拉强度，仅由板筋承担，每米宽度内折算为板筋为333mm2，即跨中板面配置的通长钢筋不小于333 mm2;支座及板底跨中处，考虑温度作用的组合系数0.6后为200mm2，正常使用下的板筋面积与温度作用下的附加板筋面积(200mm2)叠加后配置，支座处实际配置为通长钢筋+附加筋。在楼板平面颈部、洞边、凹角部位会存在应力较大的情况，增加板厚，加大通长钢筋。

屋面层板厚加大为150，双层双向配筋率不小于0.3%。楼(屋)面每隔50m左右，设置一道温度后浇带，释放施工阶段的大部分温度应力。

(2)施工要求

要求施工单位在施工过程作好超长结构的施工方案(特别是混凝土的配合比方案、混凝土浇筑温控方案，养护方案需有专项设计)，并需邀请相关方面专家进行论证，获得通过后方可施工。施工过程应严格执行论证通过的方案。

超长结构的温度变化和混凝土收缩对结构的影响不可忽略，因此，有必要对超长结构采取一定的技术措施，以减小或避免这些因素对结构的不利影响。现在一般采取的技术措施有以下几种:采用低水化热水泥;严格控制原材料质量;混凝土(梁、板)采用掺合材料，达到减少水泥用量;严格控制入模温度、水化热温升;板中埋设的设备管应采用钢管;砼浇筑前应对模板进行浇水，充分润湿，振捣时间适当加长，增加砼密实度;施工过程中及施工后应采取可靠措施加以养护;采用二次压光;严格限制停工暴露时间等。

温控措施有:应采取有效技术监测措施控制由于水泥水化热引起的温度应力、混凝土内外温差、速度及干燥收缩等因素造成的混凝土开裂，施工前应作出完善的施工组织设计降温(含合理选择混凝土配合比，选用水化热低的水泥，掺入适量的粉煤灰或少量矿粉和外加剂，控制水泥用量和胶凝材料总量，采取现代信息化施工，做好温控方案等)。

施工及使用过程中的维护措施有:1)主体结构施工完毕后，应加强保养及维护(如防止结构直接处于日光暴晒、气温骤降、积水结冰等恶劣环境中)。2)露天梁、板混凝土达到设计强度的75%，应立即按建施图要求施工防水层。3)使用过程中，未使用房间在高温夏季，应经常进行通风换气，不得长期密闭，以确保结构的正常使用。

3.2 内部连接薄弱

建筑内部楼板大开洞，南北区域仅通过连廊连接，联系薄弱。为了解在地震作用下，特别是罕遇地震作用下的工作性能，采用PAMSP程序对平面大开洞的连廊楼板进行小震、中震和大震下的应力分析(图6、图7)，最大拉应力结果见(表2)。

表2 连廊最大拉应力(MPa)

分析结果表明，连廊楼板弱连接处存在应力集中情况，但并不严重。这是由于连廊两侧刚度差异不大，连廊承担两侧框架变形协调的任务并不重。针对内部连接薄弱，采取的措施为:采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，连廊周边设置弹性板。对于起到连接作用的走廊等薄弱部位，加厚楼板，采用双层双向通长钢筋，并结合PMSAP楼板应力计算结果适当提高楼板配筋率。在连廊凹角处设置的弧形挑板也有利于缓解应力集中情况。

图6 中震(X向)作用下第4层楼板面内X向正应力等值线图

图7 中震(Y向)作用下第4层楼板面内Y向正应力等值线图

3.3 大跨度长悬挑

3.3.1 局部存在大跨度

南北连廊处均为大跨度，最大跨度达到33.2m;IMAX影厅屋盖短向跨度达到25.8m。可选的结构方案有预应力砼梁、劲性梁、纯钢梁。前两种方案，结构自重较大，故不建议采用。针对局部存在大跨度，采取的措施为:采用变截面工字钢梁。

1)与之连接为钢筋混凝土梁时，内设短钢骨与大跨度钢梁铰接，若梁内剪力较大时，设计为型钢混凝土梁，与大跨度钢梁铰接。钢筋混凝土梁内设置(短)钢梁，提高节点锚固的可靠性。典型连接节点见(图8)。

图8 大跨度钢梁与型钢砼梁简支连接

2)与之连接为钢筋混凝土柱时，梁柱节点处设置短型钢，与大跨度钢梁铰接。若为刚接，由于相邻跨跨度较小，连接框架柱不平衡弯矩大，柱配筋大，甚至需设计为型钢混凝土柱，加大用钢量及施工难度;且支座弯矩大，不应在减小型钢梁截面，会影响建筑净高，故不采用。与大跨度钢梁顺延的钢筋混凝土梁内设置一段短钢梁，提高节点锚固的可靠性。大跨度钢梁铰接节点实际上也会存在一小部分弯矩，考虑由柱平衡，经复核，柱实配钢筋可满足。典型连接节点见(图9)。

图9 大跨度钢梁与普通钢筋砼柱简支连接

3.3.2 局部存在长悬挑:楼层一般走廊悬挑长度达到5.7m;屋面局部最大悬挑长度达到10.4m，且在端部设置钢立柱支承屋盖结构。针对局部存在长悬挑，采取的措施为:

楼层一般走廊悬挑长度达到5.7m，尽量采用普通钢筋混凝土悬挑梁;个别位置荷载较大，如悬挑梁端部还搭接扶梯，可采用型钢混凝土梁;左边中庭大开洞周边的悬挑梁长度更大，局部也有搭接扶梯，屋面局部最大悬挑长度达到10.4m，且在端部设置钢立柱支承屋盖结构，均采用工字钢(或变截面工字钢)悬挑梁。与框架柱刚接，且型钢延伸入相邻跨内约一跨长度。连接的框架柱内均设置整层高度的钢骨，提高节点锚固的可靠性。典型连接节点见(图10)。

图10 大悬挑钢梁与柱刚性连接

3.4 竖向地震作用

根据《抗震规范》GB50011－2010[3]，大跨度结构和长悬臂结构应进行竖向地震验算，竖向地震取为重力荷载代表值的0.08进行组合。大跨度连廊和长悬挑内走廊的梁(包括砼梁、劲性梁、纯钢梁)及周边的竖向构件均验算竖向地震组合工况下的配筋。

3.5 舒适度分析

楼盖结构应具有适当的舒适度，对大跨度连廊进行舒适度验算。截取大跨度位置的钢梁结构，采用SATWE计算软件，计算水平和反应谱方法竖向地震，水平振型和竖向振型独立求解。计算得到钢梁结构的周期，进而推算出频率。

参考《高规》JGJ3 －2010[4]第3.7.7 条规定，楼盖结构的竖向震动频率不宜小于3Hz，所以应进行验算楼盖竖向震动加速度。本项目中的大跨度钢梁按上述方法得到的频率均小于3Hz。根据附录A，计算出的峰值加速度均小于0.22m/s2，满足峰值加速度限值的要求，所以舒适度可满足要求。

3.6 其它问题

在本项目中，除计算需要外，与钢梁的连接的柱内尽量不设置型钢，仅在梁柱节点区域内设置短钢骨，再结合采用梁竖向、水平加腋方式，便于钢筋混凝土梁中纵筋的贯通或锚固，减少纵筋穿翼缘或腹板的情况，也可方便施工，保证节点处的施工质量。

计算需要的型钢混凝土柱，往下延伸一层，在下一层的梁面(或承台面)处，采用非埋入式柱脚构造连接，可避免采用埋入式柱脚钢骨锚入承台较深的情况。本层及下一层均设置抗剪栓钉。

4 主要计算结果比较及分析

计算得到的前3阶模态振型的振动周期结果列于(表3)。两个程序计算得到的第一、第二周期T1、T2分别为Y、X方向的平动周期，第三周期T3为扭转第一周期，扭转周期比T3/T1均小于规范的限值0.90，表明该结构具有良好的抗扭能力，符合抗震概念设计的要求。振型曲线符合正常规律。

计算得到的结构最大响应位移结果列于(表4)，层间位移角以及位移比均满足要求，地震作用下的剪重比在正常范围内。

主体结构分析采用SATWE与PMSAP两种软件进行计算对比，结果基本吻合，证明软件计算结果。

表3 结构动力特性

表4 结构响应计算结果

是合理准确的。从计算分析结果上看本工程在7度多遇地震作用下，主体采用钢筋混凝土框架结构，各项结构反应指标均可满足规范要求。

5 结论及建议

(1)对于大型商业综合体，可不设缝形成超长结构，设计为钢筋混凝土结构体系，通过充分的计算分析、结合构造加强措施，并提出相应的施工要求等方式解决温度应力的影响。

(2)内部大开洞弱连接，为多层框架结构时，由于连廊两侧刚度差异不大，连廊承担两侧框架变形协调的任务并不重，可通过加强板厚、配筋来解决。7度多遇地震作用下，整体计算分析时，各项结构反应指标均可满足规范要求。

(3)局部存在大跨度、大悬挑，选择变截面钢梁方案，可减轻结构自重。通过对连接节点的合理设计，对竖向地震、舒适度的控制，即可满足结构设计要求，又可满足建筑功能要求。

6 鸣谢

本项目在设计及论文撰写过程中，得到集团总工杨玛莎、肖伟等人的悉心指导，在此表示衷心感谢!

[1]GB50010－2010，混凝土结构设计规范[S].

[2]GB50009－2012，建筑结构荷载规范[S].

[3]JGJ3－2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[4]GB50011－2010，建筑抗震设计规范[S].