某商业综合体项目产品特点分析与加强措施

郏建磊， 陈 柯, 张 兵

(基准方中建筑设计股份有限公司， 四川成都 610000)

目前的商业综合体项目中，如城市中常见万达广场、龙湖天街、吾悦广场及大悦城系列等 ，商业开发模式、业态形式等可能有所不同，但作为城市购物、娱乐、体验场景的主要聚集场所，都具有一些共性的产品特点，比如为了更大无遮挡空间，为了更炫酷的外形需要而设计的大跨度框架、大悬挑平台，为了顾客更好视角、更舒适的购物体验而全楼通高设置的中庭大开洞，以及为了更大、更高的IMAX影厅而形成的穿层柱、大跨度屋面以及局部转换等，面对上述产品特点，如何解决大跨度框架、大悬挑楼板的舒适度问题，如何保证因平面多处开洞形成的薄弱楼板连接能够有效工作，如何解决超长结构的温度应力可能造成的楼板开裂，如何对屋面大跨度影厅进行结构加强，以及如何解决高烈度区大商业的刚度偏弱和位移比较大而导致的超限问题，都值得我们去进行研究，并采取合适的加强措施来保证重点类设防的大商业安全高效运营，本文将通过一个典型的商业综合体案例对上述问题一一进行分析，并提供合理有效的加强措施。

1 工程概况

本项目位于四川省某城市中心区域，商业综合体建筑面积约10万m2，地下2层，地上6层，局部因影院设计为7层，房屋高度为36.9 m(图1)。上部结构采用钢筋混凝土框架结构。基础形式为机械旋挖桩基承台+防水板，局部采用天然基础，桩端持力层为中风化砂质泥岩，天然基础地基持力层为强风化砂质泥岩及以上(图2)。根据GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》 及 GB 50153-2008《建筑工程抗震设防分类标准》[1]，本工程地震动参数等信息(表1)，根据DB51/T5058《四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准》[2]、建质【2015】67号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[3]，本工程结构存在楼板不连续及其他不规则(局部穿层柱、局部转换)等2项不规则，属于一般不规则高层建筑。

表1 地震动参数

图1 项目总图

图2 结构典型平面

2 大跨度、大悬挑楼板舒适度分析

根据GB50010-2010(2015年版)《混凝土结构设计规范》3.4.6条，楼盖结构应该具有适宜的舒适度，竖向自振频率大跨度公共建筑不宜低于3 Hz的要求[4]。首先通过YJK软件计算得到竖向振动频率，如图3、表2所示,可以看出各楼层第一～第三竖向振动频率均满足规范要求，限于篇幅，仅给出各楼层第一振型及部分楼层竖向振动加速度，如图4、图5所示，参考JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》3.7.7条，本工程对楼盖中最不利位置(频率小于及接近3 Hz的部位)的峰值加速度进行进一步分析及控制。

图3 楼板及设备振动-荷载时程类型

表2 各楼层第一～三竖向振动频率

图4 4层第一竖向振型

图5 影厅夹层第一竖向振型

采用YJK选取最不利位置(即结构刚度较小的位置，也就是挠度较大处)进行竖向振动加速度分析。参考JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》附录A.0.1，楼盖结构竖向振动加速度宜采用时程分析方法计算[5]。通过人群行走步行荷载进行时程分析以求得楼盖的竖向振动加速度，采用连续步行工况，如图6所示。

图6 连续步行工况

图7～图9分别列出了4层、大屋面层、影厅夹层最不利位置对应加速度峰值点的时程曲线。从图中可以看出，4层最大峰值加速度为0.082 m/s2，屋面层最大峰值加速度为0.076 m/s2，影厅夹层最大峰值加速度为0.058 m/s2，楼盖竖向振动加速度峰值满足高规限值0.15 m/s2的要求。

图7 4层板面加速度峰值点时程曲线

图8 大屋面加速度峰值点时程曲线

图9 影厅夹层加速度峰值点时程曲线

若验算发现楼板舒适度不满足规范要求，可采取措施进行解决：

(1)调整建筑功能，使得振源远离结构敏感区域。

(2)改变结构形式：包括改变梁柱布置、增加梁截面，加厚楼板等，对于悬挑结构，可通过增设斜向支撑或拉杆解决。

(3)附加调谐质量阻尼器(TMD)。

3 薄弱连接的楼板专项分析

3.1 楼板连接薄弱处隔离体验算

结合本工程实际情况，本工程与中庭流线开洞，被分为2个块体，加之中庭开洞导致结构连接薄弱，为了确保中庭上下、区域协调工作，截取结构平面的上半区(图10)，作为“隔离体”，计算上半区在中震下的楼板地震作用力，中庭连廊区域展开楼板承担全部作用力，复核中震作用下，楼板抗拉、抗剪等效应力均小于混凝土抗拉强度标准值。

图10 平面结构布置图截取示意

IBC 2003《美国建筑规范》第1620.4.3款，ASCE 7-02《美国建筑设计荷载规范》第9.5.2.6.4.4款，对判别为平面凹凸不规则，楼板不连续不规则结构，专门提出了地震作用下楼板剪力的计算公式见式(1)：

式中：Fpx为地震作用下x层楼板受到平面内剪力；Fi为i层受到的水平地震作用；Wi为i层质量；Wpx为x层质量。

由弹性楼板在中震作用下的应力分析结果，可得：

地上第5层结构质量为W5=27364.6×103kg;

因此，中震作用下，地上第5层楼板受到总剪力为：

=24694.07 kN

依据《复杂高层建筑结构设计》[6]第202～203页所述，当弱连系楼板两翼主体质量不等时，可将总水平地震作用按各翼质量比例进行分配，取小值。

则对于本工程中震作用下，5层楼板在薄弱部位受到剪力约为地上5楼板受到总剪力的0.5倍：

27364.6×103=12347.035 kN

即在中震作用下，第5层连接薄弱处楼板按隔离体的等效应力小于ftk(C30混凝土ftk=2.01 MPa)，故中庭楼板连接可靠，经验算第2～4层连接薄弱处楼板均满足要求。

3.2 楼板连接薄弱处构造加强措施

针对中庭连廊连接薄弱的情况，根据规范有关要求，为了保证上半区和下半区楼板在中震作用下传力可靠，采取措施：

(1)连廊处纵向受力钢筋不得采用绑扎连接，应采用焊接连接或机械连接。

(2)连廊处的纵向钢筋按抗震锚固长度的要求锚入两侧，连接处梁、板内的钢筋均应满足抗震钢筋的性能高要求。

(3)连廊处的梁内钢筋通长设置，并两侧设置通长抗扭钢筋，通长钢筋在梁端的锚固要求同梁主筋，抗扭钢筋应满足构造要求。

(4)连板板厚应加强到150 mm以上，对于连接比较薄弱的部位，施工图阶段根据计算需要适当增加板厚，配筋应双层双向配置，在连板端部的同连板宽度范围内的钢筋间距适当加密，以增强连板的抗剪能力。

4 超长结构温度应力分析

4.1 规范要求及项目概况

根据JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.4.12条规定，框架结构伸缩缝最大间距为5 m。

本项目平面尺寸约为208 m×103 m，且不设伸缩缝，横向及纵向宽度均超过规范要求较多，有必要进行结构的温度应力分析，以选择适宜的构造措施。

4.2 温度作用工况分析

根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》9.3.1条以及附录E，参考某市地区基本气温Ts,max=35 ℃，Ts,min=2 ℃。

假定后浇带合拢时的温度为：15 ℃

升温工况：ΔTk=Ts,max-T0,min=35-15=20℃

降温工况：ΔTk=Ts,min-T0,max=2-15=-13℃

考虑混凝土收缩当量ΔTs=16 ℃，徐变应力松弛折减系数近似取为0.3，混凝土结构开裂后刚度折减取为0.85，则升温按(20-16)×0.3×0.85=1.02 ℃，降温按-(16+13)×0.3×0.85=-7.4 ℃考虑。(注：混凝土收缩的计算方法目前常用的有：①王铁梦方法[7]；②美国ACI委员会方法(ACI209-82)；③中国建筑科学院方法；④Trost方法。由于规范未给出明确的计算方法，具体结构设计时需根据实际情况选用，本文选用ACI方法，假定90天后封闭后浇带，混凝土大约可以完成60%的自由变形)。

温度作用不与地震作用同时组合，但温度作用与恒载、活载、风荷载同时作用。

4.3 温度应力计算

本工程采用YJK(2.0.3)计算得到各层楼板在升温工况及降温工况作用下的面内应力。

楼板主要基本信息为：楼板混凝土强度为C30；1层板厚为180 mm(人防区最小板厚250 mm)，其余楼层除连桥外均为100 mm，连桥及影厅间连接板均为150 mm，大屋面板厚120 mm。经计算，升温工况与降温工况对构件产生的拉压效应相反，拉压应力在数值上基本相当，故以下分析结果仅示出降温工况。分析结果如图11、图12所示(篇幅受限只提供部分楼层)。

图11 降温工况4层X向楼板应力云图

图12 降温工况大屋面Y向楼板应力云图

经分析，结论有：

(1)楼板：1层楼板X向温度应力在0.7～1.6 MPa之间，Y向温度应力在0.8～1.9 MPa之间；2层楼板X向温度应力在0.2～1.8 MPa之间，Y向温度应力在0.2～1.2 MPa之间；其余层楼板X向温度应力在0.2～0.8 MPa之间，Y向温度应力在0.1～0.3 MPa之间；大部分楼板在温度作用下的应力水平不超过楼板混凝土轴心抗拉强度标准值，温度作用对楼板影响较小，楼板承载力可不考虑温度作用。

(2)梁柱：温度作用下，水平构件和竖向构件会产生一定的弯矩和轴力，但温度作用与地震作用不同时参与组合，最终承载力由地震设计工况控制，梁柱承载力不考虑温度作用。

4.4 加强措施

以上分析结果表明，在升温工况和降温工况下，大部分楼层楼板最大主拉应力均小于混凝土的抗拉强度标准值(C30抗拉强度标准值2.01 MPa)，仅在洞口角点及平面转角处因存在应力集中，应力相对较大。

针对楼板温度应力分析结果，采取以下措施应对温度应力对结构的影响：

(1)1层非人防区最小板厚取为180 mm，采用双层双向配筋，配筋率大于0.25%。

(2)将本工程中庭连接处楼板加厚至150 mm，双层双向配筋，配筋值不小于φ10@150 mm。

(3)大屋面处最小板厚取为120 mm，双层双向配筋，配筋不小于(φ10+φ12)@200 mm。

(4)大商业长边方向两端梁柱加强措施：梁内钢筋通长设置，并两侧设置通长抗扭钢筋，通长钢筋在梁端的锚固要求同梁主筋；柱配筋放大1.1倍。

5 屋面大跨影厅及加强措施

本工程中大屋面板面以上设有大跨屋面影厅，该部分的重点问题有：①穿层柱；②大跨框架屋面(超18 m)；③大跨屋顶柱有局部为转换柱；④大屋面到小屋面有局部体型收进。

根据软件分析及工程经验，针对上述情况的加强措施有：

(1)针对穿层柱，采用特征值屈曲分析复核计算长度系数；穿层柱满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服验算要求；采用穿层柱周围柱剪力的最大值进行计算复核；箍筋全高加密。

(2)针对大跨度框架(超18 m，除本层外，1～6F均采用该加强措施)，采用框架抗震等级提高到特一级；大跨框架满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服验算要求；验算竖向地震作用。

(3)针对大跨屋面柱为被转换柱的情况，下部转换梁采用框架抗震等级提高到特一级，转换次梁按照框架梁全部加密和加强；下部转换梁满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服验算要求；下部转换梁验算竖向地震作用。

(4)针对大屋面到小屋面有局部体型收进，大屋面收进位置的楼板设置为130 mm、双层双向配筋，收进位置柱上下层箍筋全高加密。

(5)影厅屋面弱连接楼板相关范围内楼板厚度加厚至150 mm，采用双层双向配筋，配筋不小于φ10@150 mm。

5.1 穿层柱屈曲分析及加强措施

本工程分别在屋面影厅(大屋面以上)存在11根穿层柱，限于篇幅，下列仅对其典型且最不利框柱进行分析阐述。由于跃层柱缺乏中间楼板的侧向支撑，有必要对其实际计算长度及临界承载力进行分析，穿层柱编号如图13所示。

图13 穿层柱编号

KZ6、KZ7柱最大无支撑长度为14.55 m，KZ8、KZ9柱最大无支撑长度为10.25 m，均为钢筋混凝土柱，其中KZ6、KZ7截面尺寸均为700 mm×700 mm，KZ8、KZ9截面尺寸均为600 mm×600 mm。采用YJK软件进行屈曲稳定分析，在结构整体模型中考虑柱的弹性约束，得到真实的约束条件。在跃层柱上施加轴线方向上的力，进行屈曲分析后得到柱的屈曲模态以及屈曲荷载系数，即可求得柱的屈曲临界荷载Pcr。将Pcr与中震下的柱轴力设计值Fex进行对比，若Pcr>Fex，则柱子不会出现失稳破坏(安全)。

按照前述方法，对此7根柱分别进行屈曲分析，计算所得的计算长度系数见表3。

从表3中结果可以看出，临界力远大于中震作用下柱轴力设计值，计算长度系数小于施工图设计时所选用的计算长度系数1.25，穿层柱不会发生屈曲失稳，构件的力学特性在常规范围内。

表3 穿层柱计算长度系数

加强措施：穿层柱按小震弹性，中震抗剪弹性，抗弯不屈服包络设计。柱子全高加密，采用周边柱剪力的最大值对跃层柱子进行复核配筋。

6 屈曲约束支撑的应用

本工程地处7度抗震设防区，由于平面尺寸较大且柱网分布不均匀，造成其侧向刚度较弱，考虑偶然偏心下的扭转位移比大于1.4，考虑到本工程已存在楼板不连续和局部转换及跃层柱的2项不规则，根据DB 51/T5058《四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准》的相关规定[2]，属于3项不规则，3项不规则高层建筑需要进行超限审查，考虑到本项目复杂程度不高，且业主时间要求紧张，需避免超限审查环节，故需要消除1项不规则，三者比较看，消除扭转位移比影响相对较小，故结构方案定案时决定往提升整体结构刚度，将扭转位移比降到1.4以下的方案进行。

目前提升结构刚度的方法主要有局部增设剪力墙、设置屈曲约束支撑等方案，局部增设剪力墙可以提升结构整体刚度，也能够控制扭转位移比到1.4以内，但考虑到本项目属于重点类设防建筑，存在较多的不规则及特殊做法，对关键构件如墙柱等需进行性能化设计，增加的剪力墙在地震作用下吸收的地震剪力过大，中大震下抗震性能较差且不可逆，故予以排除。

屈曲约束支撑(Buckling-restrained Brace，简称BRB)既解决了普通钢支撑的失稳破坏问题，又能保持杆件在受拉和受压时候工作机制一致。屈曲约束支撑耗能能力强，对主体结构安全起到了很强的保护作用。

本项目在地上5层平面的3个角部位置设置了3道BRB(楼梯间侧墙处)，经分析后数据见表4。

表4 屈曲约束支撑小中震应力比及轴力

由这些数据可以看出，小震设计和中震弹性下，屈曲约束支撑均未发生屈曲，应力比均小于1.0，轴力未超过预设的屈服力2 700 kN的限值。因此屈曲约束支撑在小震和中震下均处于弹性工作状态。大震情况下，屈曲约束支撑能正常工作，未发生受拉破坏。

BRB相连框架为关键构件，在小、中、大震下，均能达到预设的性能目标。

7 结论

本文通过对商业综合体项目的共性特点进行了系统的总结，结合实际工程案例逐一进行了分析，内容涉及大跨度、大悬挑楼板的舒适度，因中庭大开洞造成的楼板薄弱连接部位的抗剪、抗拉承载力，超长结构的温度应力，屋面大跨度影厅造成的大跨度、穿层柱和局部转换以及屈曲约束支撑的运用等，并提出了相应的解决办法和加强措施。