某超限商业综合体项目关键部位性能分析

文｜南京金宸建筑设计有限公司 顾晓星 孙亚萍 吴春雷

1 工程概述

本案项目位于江苏省南京市，总建筑面积245546.44m2，其中地上建筑面积148492.31m2。建筑效果图见图1。项目由一栋高层酒店、两栋高层公寓楼、高层商业裙房与多层商业裙房组成。地面以上酒店、公寓楼与商业裙房之间设置抗震缝，分为各自独立的抗震单元。本文的高层商业裙房底部长宽为182.6m×61.95m～23.7m，地下三层，地上8 层，高度为39.8m，框架结构，地震烈度为7 度，场地特征周期0.49，重点设防类，抗震等级一级。

本工程根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的规定属于超限高层建筑工程。共存在4 项一般不规则：1.扭转不规则：考虑偶然偏心的扭转位移比1.36大于1.2；2.凹凸不规则：平面凹凸尺寸大于相应边长30%；3.楼板不连续：有效宽度小于50%，开洞面积大于30%；4.构件间断；影院层、宴会厅、中庭等部位存在穿层柱和少数梁上柱。

2 小震反应谱分析

本工程分别采用中国建筑科学研究院编制的“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件”-SATWE（PKPM V3.1 版）进行计算分析，并采用北京迈达斯技术有限公司开发MIDAS（2017 版）程序进行对比分析计算。

弹性振型分解反应谱法计算地震力时，考虑了±5%偶然偏心和双向地震作用（两者不同时考虑），CQC 法进行振型组合，按《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）规定方法计算双向地震作用，并按规范中规定的荷载组合进行构件承载力设计和结构变形验算。

计算结果标明，SATWE 和Midas Building 的楼层质量、周期、振型、位移、地震力、倾覆力矩、楼层抗剪承载力比、楼层侧向刚度比等均接近，误差小于5%。

图1 建筑效果图

3 结构性能设计

3.1 结构构件抗震性能目标

确定合理的预期性能目标对于超限项目尤为重要。对不同的构件，不同的部位，进行适当的加强，使结构性能达到安全性和完美性的统一。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，抗震性能目标分为A、B、C、D 四个等级，抗震性能分为1、2、3、4、5 五个水准；本工程结合不同部位构件的重要性，并参考了类似工程的设计经验，选择抗震性能目标为D 级，具体见表1。

3.2 框架柱设计

3.2.1 普通框架柱设计

框架柱取小震弹性和中震抗剪弹性、抗弯不屈服的包络计算结果。

3.2.2 穿层框架柱设计

本工程3～8 层均存在局部穿层柱，分析时，考虑穿层柱实际计算长度。穿层柱按均分楼层剪力进行调整。穿层框架柱设计取小震弹性和中震抗剪弹性、抗弯弹性的包络计算结果。

表1 本工程结构抗震性能目标设定

图2 第4 层X 向水平地震作用下X 向拉应力分布图

图3 第2 层降温工况作用下X 向拉应力分布图

3.3 大跨框架梁设计

第2～5 层中庭连桥的框架梁跨度34.1m，采用型钢混凝土梁，砼梁截面900×1200，型钢H800×400×20×36，钢材牌号Q390B。设计取小震弹性(同时考虑水平、竖向地震)和中震弹性的包络计算结果。

3.4 大跨悬挑梁设计

本工程悬挑梁悬挑长度一般为4.5～10m，悬挑梁悬挑长度超过6m 或悬挑梁端部搁置扶梯的，采用型钢混凝土梁或施加预应力的方式提高其承载能力和减小其挠度。设计取小震弹性(同时考虑水平、竖向地震)和中震弹性的包络计算结果。

3.5 转换梁柱设计

本工程6～7 层右侧为影院，有不少框架柱在6 层楼面处截止，为了支撑7 层夹层以及顶层屋面，共设置了4 个梁上柱。转换梁、柱均采用型钢混凝土。计算可知，中震弹性下转换梁柱截面抗剪、抗弯均满足要求。

3.6 楼板不连续应力分析

第4 层Y 向有效板宽小于50%，第7～8 层开洞面积大于30%，有效板宽小于50%，均为楼板不连续超限楼层。采用MIDAS 对这3 层楼面进行应力分析，分析时取消刚性楼板假定，将楼板设置成弹性模，考虑平面内楼板实际刚度。

图2给出了第4 层在水平地震效应影响情况下X 向拉应力分布。从结果可以看出，X 向水平地震工况下楼板最大拉应力为0.39MPa 远小于C35 混凝土抗拉强度设计值1.57 MPa。施工图时，此处楼板双层双向加强配筋。

3.7 楼板温度应力分析

本工程X向182.6m，Y向最宽处62.0m，超过《混凝土结构设计规范》第8.1.1条现浇框架结构的伸缩缝最大间距55m 要求，为超长不设缝结构。采用MIDAS 对2层和屋面楼板进行温度应力分析，温差考虑±25℃，徐变系数取0.3。分析时取消刚性楼板假定，将楼板设置成弹性模，考虑平面内楼板实际刚度。

图3给出了第2 层在降温工况作用下X 向温度应力分布。从结果可以看出，降温工况下，除了在楼板中间部位约30m 长范围的X 向温度拉应力在1.30 ～2.0 MPa之间，个别位置温度应力集中达到2.7MPa大于C35 混凝土抗拉强度设计值1.57 MPa外，其他部位拉应力均小于1.30 MPa。施工图时，楼盖双层双向按计算温度应力和受力包络配筋，并加强应力集中处的配筋。

3.8 楼盖舒适性分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.7.7条和《混凝土结构设计规范》3.4.6条，对于钢筋砼楼盖结构，一般情况下，商场楼盖结构的竖向频率不宜小于3Hz，以保证结构具有适宜的舒适度，避免跳跃时周围人群的不舒适。

应用盈建科YJK1.8 的楼板及设备振动模块计算得到各楼层的竖向频率如表2，可知本工程楼盖舒适度满足要求。

4 弹塑性静力推覆分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.11.4 条规定，高度不超过150m 的高层建筑可采用静力弹塑性分析法，选用PKPM的PUSH&EPDA 的弹塑性静力分析模块作为分析工具。

表2

图4 塑性状态图（30 加载步）

本项目仅以X 向弹塑性静力推覆分析为例，Y 向分析过程类似。弹塑性静力推覆分析时采用实配钢筋。

该工程X 向的需求层间位移角为1/151＜1/50，满足罕遇地震作用下规范规定的变性要求。与需求点对应的总加载步号为30。

第30 加载步所对应的结构杆端塑性状态图如图4所示。由图可知，在罕遇地震作用下，大部分框梁出现塑性铰，个别框柱拉裂。随着水平推覆力继续增大，更多框梁开始屈服，框柱拉裂，结构整体刚度有所下降，但无受压破坏现象。

5 针对结构超限情况采取的加强措施

本工程存在四项平面不规则，为此结构设计采取了以下措施，确保结构具有很好的承载能力和延性，满足D 级性能目标。

5.1.结构计算分析

（1）采用两种不同力学模型的三维空间分析软件SATWE 和Midas，进行整体结构内力与位移计算和比较，确保计算分析结果的真实可靠。

（2）楼面板采用考虑面内刚度的弹性膜单元，实际考虑板的面内刚度，对相应的部位在设计时做加强处理。

5.2.基于性能的抗震设计

对结构体系中的关键部位和薄弱部位进行性能化设计，如：穿层柱、转换梁、大跨连廊梁及与其相连的柱、转换柱。

5.3.特殊部位楼面板处理

（1）第7 层（标高31.550）采用MIDAS进行计算，在计算中用弹性膜模拟，影院侧板厚150mm，双层双向配筋，每层每方向配筋率不小于0.25%，保证板具有足够的水平刚度，有效传递水平力。

（2）楼层处楼梯较多，楼面开洞较多，对开洞较多形成的狭长板带采取板厚加厚以及配筋加强处理。

5.4.提高结构延性

在满足承载能力计算的前提下，在结构体系中的关键部位，如框支柱，采用型钢混凝土构件以提高其承载力和延性。

6 结语

本项目采用SATWE 和MIDAS 软件对结构设计的关键构件进行了小震弹性、中震不屈服和中震弹性设计以及大震时的动力弹塑性分析下的各水准下包络设计，对关键部位采取有针对性的加强措施。抗震性能满足稍高于D 级性能目标要求，且承载力和正常使用状态下的挠度裂缝以及楼盖舒适度均满足要求。