商业综合体武汉梦时代广场结构设计

龙 浩, 邱 剑, 聂启玲, 谢先义, 王劲草

(中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014)

1 工程概况

武汉梦时代广场(图1)位于武汉市武昌区武珞路与石牌岭路交汇处西南角,是一座集商场、餐饮、影院、冰雪乐园、主题乐园等多种业态的商业综合体。地下建筑东西向长约436m,南北向长约231.1m;地上建筑东西向长约414m,南北向长约175.8m,地下、地上总建筑面积近80万m2,建成后将成为华中地区单体最大的商业建筑[1]。整个工程地下4层,地上通过设置防震缝将结构分为相互独立的A区、B区、C1～C2区、C3区四个部分,见图2。

图1 整体效果图

图2 项目分区示意

建筑的主要功能划分:地下室主要是地下车库、超市及设备功能用房;A区8层楼面及以上为冰雪乐园,其中室内滑道延伸至B区;C1～C2区3层楼面及以上为室内主题乐园[2];其余范围均为餐饮、电影院、卖场等商业用途。

本工程结构安全等级为一级,为重点设防类建筑[3],结构重要性系数为1.1,设计使用年限为50年。抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,场地类型为Ⅱ类;按6度进行地震作用计算,按7度采取抗震措施。框架的抗震等级为二级。由于地下室顶板局部有六处下沉广场且建筑物周边地形为坡地,使得A区附近地下1层有局部结构高于室外建筑完成地面,考虑地震对地下1层凸出地面部分的作用,故A区上部结构设计时嵌固端取地下室顶板与地下1层楼板进行包络设计;B区、C1～C2区和C3区上部结构嵌固端均为地下室顶板。

建设场地的基本气温最低-5℃,最高37℃。混凝土和钢结构的合拢温度均为12～20℃。

2 基础及地下室设计

根据基础埋深及地质条件,本工程采用平板式筏板基础。基础持力层采用中风化粉砂质泥岩、微风化粉砂质泥岩,承载力特征值fa分别为1 000kPa和2 000kPa。对于地下室结构抗浮不满足要求的部位采用抗浮锚杆,单根锚杆抗拔承载力特征值为450kN。为减少结构梁高对地下室净高的影响,地下1层至地下3层的规则板块均大面积采用密肋楼盖,普通车库位置密肋梁高为410mm,超市、部分设备用房等荷载较大位置密肋梁加高至540mm;地下室顶板采用普通混凝土梁板结构。

3 上部结构体系

A区地上1～8层层高6m,设备夹层层高2.2m,金属屋面层高21.35～27.45m(局部设置层高6m的夹层)。B区1层至混凝土屋面层高6m,梯间屋面层高3.6m,局部突出屋面滑道层高1.1～6.1m,滑道屋盖层高22.9～28.5m。C1～C2区1层层高6m,2层层高5m,设备夹层层高2.2m;乐园1层层高9.2m,2层层高9m,3层层高9～20.35m。C3区1层至混凝土屋面层高6m,梯间屋面层高3.6m。

A区、B区、C1～C2区和C3区主体结构均为框架-剪力墙结构,基本柱网尺寸为9m×11m,主要商业动线上柱网尺寸为9m×18m、9m×22m,剪力墙根据计算需要主要设置在楼梯周边。对抽柱形成的大跨度结构及大悬挑结构,根据计算需要局部采用钢骨混凝土结构。A区、B区、C3区平面布置原则类似,以B区为例,典型结构平面布置见图3;C1～C2区为室内乐园,典型平面布置见图4。

图3 B区2层结构平面布置图

图4 室内乐园2层结构平面布置

结构一般楼板厚度为120mm,部分楼板大开洞处加厚至150mm;C1～C2区室内乐园为满足设备运行时降噪、减震及舒适度要求,乐园1层板厚300mm,2层板厚200mm,3层板厚150～200mm。A区和C1～C2区冰雪乐园及室内乐园下2.2m高设备夹层,由于乐园管线布置对梁高的限制,结构整层沿柱网布置2.2m高的混凝土桁架,桁架的下弦和上弦分别为夹层的楼面梁和乐园层楼面梁[2],典型混凝土桁架布置见图5。A区、B区、C3区的普通屋面采用钢筋混凝土梁板结构;A区、B区冰雪乐园部分室内不能设柱,屋面采用45m跨钢网架结构,网架高度3m;C1～C2区乐园3层以上支撑屋盖的柱网尺寸为27m×33m,通过方案对比,屋盖采用钢-混凝土组合桁架结构[4],屋面板采用钢筋桁架楼承板。整个项目的结构计算模型见图6。

图5 乐园设备夹层典型混凝土桁架布置

图6 整体结构计算模型

4 结构超限分析

4.1 结构超限情况

采用YJK和MIDAS Building进行整体结构静力弹性对比分析,对比结果均基本吻合。各区的超限情况见表1。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[5](简称《抗规》)及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)[6],A区、B区、C1～C2区均属于特别不规则的超限高层建筑。

表1 各区超限情况

4.2 性能目标

本工程为乙类抗震设防的超大型商业综合体,取结构抗震性能目标为C级[7-8]:多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下分别满足性能水准1、水准3和水准4的要求,具体内容见表2。

表2 抗震设防性能目标

4.3 结构抗震性能分析

4.3.1 多遇地震弹性时程分析

各区均选用5条天然波和2条人工波进行了多遇地震弹性时程分析,所选地震波的参数及对主体结构的地震反应均满足规范要求。结果表明,时程分析得到的最大楼层位移、最大层间位移角及楼层剪力结果与CQC法计算结果的变化趋势较为一致,且CQC法计算的结构响应指标均大于时程分析法的平均值,因此采用CQC法对结构进行设计。

4.3.2 设防地震及罕遇地震等效弹性分析

根据抗震性能目标,分别对主体结构进行了设防地震、罕遇地震不屈服等效弹性分析。结果表明,各结构构件均能满足预定的性能目标,其中各区的最大层间位移角见表3,根据《抗规》附录M,本工程设防地震作用下的层间位移角限值为1/400,罕遇地震作用下的层间位移角限值为1/200,可见设防地震、罕遇地震下层间位移角均满足规范要求。关键构件根据设防地震、罕遇地震等效弹性分析结果复核配筋。

表3 各区设防地震、罕遇地震等效弹性分析最大层间位移角

4.3.3 罕遇地震弹塑性分析

采用MIDAS Building进行了罕遇地震弹塑性分析,地震波采用2条人工波和5条天然波。结果表明,各区结构在罕遇地震作用下的弹塑性发展历程和结果比较一致[2]:随着地震波的持续作用,框架梁和连梁最先出现开裂,变形逐步增大并参与耗能,部分框架梁和连梁进入屈服状态;接着部分竖向构件发生开裂,并有少数普通竖向构件发生屈服,参与结构整体耗能;在地震动加速度峰值附近持续一段时间后,耗能框架梁屈服比例逐渐增多,部分剪力墙和少量普通框架柱屈服,之后构件开裂和屈服比例不再增长。各区在7条地震波作用下的最大层间位移角见表4,均小于罕遇地震作用下的层间位移角限值1/200。整体来看,各区结构在地震波作用下的反应及破坏机制符合抗震的概念设计要求。

表4 罕遇地震弹塑性分析的各区最大层间位移角

在整个地震波作用过程中,只有少数竖向构件进入屈服状态,关键构件均未发生屈服现象,满足性能水准4要求,结构整体及构件均能达到预先设定的抗震性能目标。

5 结构设计难点及解决方案

5.1 超长结构措施

本工程地下室结构东西向长约436m,南北向长约231.1m,地上结构虽分缝形成四个区,但A区、B区、C1～C2区三个区的结构长度和宽度仍远远超过《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)[9](简称《混规》)关于伸缩缝最大间距的要求。

主体结构在整体计算时考虑温度效应作用,并对楼板进行了温度应力分析,根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[10]及本工程合拢温度,计算温差取为±25℃,考虑混凝土开裂引起的结构刚度降低及混凝土的徐变影响,温度效应折减系数取0.3[11]。限于篇幅,本文仅列举了B区2层楼板在升温25℃和降温25℃工况下的计算结果,见图7和图8,其中拉应力为正,压应力为负。

图7 升温工况下B区2层楼板应力云图/MPa

图8 降温工况下B区2层楼板应力云图/MPa

由图7、8可知,升温工况下产生的楼板拉应力不起控制作用;在降温工况下,B区2层在楼板开洞及阴角处等局部位置产生了应力集中,最大值达到了8.3MPa。施工图设计时应结合楼板应力分析结果,对应力集中区域的板配筋进行针对性加强。

为了防止超长混凝土结构在施工及正常使用期间出现有害裂缝,采取了以下措施:1)每隔30～40m左右设置一道1m宽的后浇带,并严格控制其封闭温度和封闭时间;2)楼板钢筋采用双层双向布置,根据楼板温度应力计算结果,楼板板底、板面钢筋在正常竖向荷载计算的配筋基础上,均附加钢筋量为120～350mm2/m的温度筋,即用附加钢筋来承担温度产生的楼板应力;3)混凝土采用低收缩、低水化热水泥,严格控制水灰比、混凝土的出机温度及浇筑温度;4)地下室、屋面及后浇带的混凝土中均掺入高性能膨胀纤维抗裂防水剂,限制膨胀率满足0.025%～0.05%;5)地下室外墙按100mm间距布置水平钢筋,严格控制地下室外墙裂缝;6)采用跳仓施工及二次振捣施工工艺。

5.2 罕遇地震下剪力墙损伤情况及加强措施

由于建筑功能对结构框架柱截面尺寸的限制,为满足主体结构指标及框架柱轴压比等要求,在楼梯周围布置了少量剪力墙。罕遇地震弹塑性分析结果表明,在地震波作用过程中,各区的剪力墙均出现不同程度的损伤。地震波最终时刻各区剪力墙的混凝土剪应变等级见图9,图中混凝土应变的第1等级为弹性状态,第2等级为开裂状态,第3等级为屈服状态,第4等级为屈服后状态,第5等级为极限状态。

图9 地震波最终时刻剪力墙混凝土剪应变等级

由图9可知,在地震波作用过程中,各区都有一定比例的剪力墙剪应变进入了屈服状态,参与结构整体耗能,特别是A区和C1～C2区2.2m高的设备夹层,由于层高较低,刚度较大,该层剪力墙混凝土剪应变进入第4等级的比例分别到达73.7%和91.6%,部分墙体剪应变已进入了第5等级,出现了严重的破坏,与框架-剪力墙结构设计中剪力墙作为第一道防线先于框架柱破坏的抗震概念相符。但罕遇地震等效弹性计算结果显示,剪力墙均未出现抗剪截面不足的情况,说明在罕遇地震作用下,剪力墙能达到“部分屈服,满足抗剪截面”的要求,满足C级的性能目标。

由于设备夹层剪力墙在罕遇地震作用下出现了较大的损伤,对A区和C1～C2区补充了以下计算:取消设备夹层高度范围内的所有剪力墙,计算时将原剪力墙以墙宽×500mm的暗梁替换,验算整体结构在罕遇地震作用下的变形能力。结果显示,此时A区和C1～C2区在罕遇地震作用下的最大层间位移角分别为1/207和1/205,小于限值1/200,表明设备夹层的剪力墙破坏后,整体结构的变形仍能满足抗倒塌要求,结构安全能够得到保证。

为增强剪力墙在罕遇地震作用下的变形能力,采取了以下加强措施:设备夹层及相邻层的框架柱、剪力墙抗震等级提高至一级;底部加强部位、设备夹层及相邻层的剪力墙水平和竖向分布钢筋的最小配筋率均提高至1.0%,其余部位剪力墙最小配筋率提高至0.8%;框架柱和剪力墙均按框架-剪力墙结构与框架结构包络设计。

5.3 建筑高度超限判定

A区、B区、C1～C2区的建筑高度及规定水平力作用下各区底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值见表5。

表5 各区建筑高度及规定水平力作用下的地震倾覆力矩

由表5可知,规定水平力作用下各区框架部分承受的地震倾覆力矩均大于结构总地震倾覆力矩的50%且小于80%,根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[7],结构应按框架-剪力墙结构进行设计,最大适用高度可比框架结构适当增加。抗震设防烈度为6度时,A级高度框架结构的最大适用高度为60m,框架-剪力墙结构的最大适用高度为130m。如果将金属屋面作为建筑屋顶高度,A区、B区、C1～C2区的建筑高度均超过A级高度限值60m较多,属于高度超限[7]。

由于本工程混凝土屋面以上的金属屋面结构自重和活载均较小,通过统计混凝土屋面层以上结构质量与混凝土屋面层及以下主体结构质量的比值发现,各区混凝土屋面层以上结构质量所占比例很小,均不超过6%(表5)。同时为分析金属屋面结构对整体结构地震响应的影响,补充了以下对比计算:有、无金属屋面对相邻层(混凝土屋面层)及嵌固端(结构1层)地震剪力的影响,限于篇幅,本文仅给出了B区的对比结果,见表6。由表可知,有、无金属屋面结构对混凝土屋面层及1层地震剪力引起的变化比例较小,绝对值均不超过7%,故金属屋

表6 金属屋面结构对主体结构地震剪力的影响

面结构对整体结构地震响应的影响较小。

通过对金属屋面结构质量及其对下部结构地震剪力影响的综合分析,本工程将混凝土屋面层以上的结构按局部突出屋面处理,此时A区和C1～C2区的建筑高度分别为57.05m和52m,均不超过60m;B区混凝土屋面层高度为60.35m,超过60m较少,符合“最大适用高度可比框架结构适当增加”的条件。

5.4 跃层柱稳定分析

由于建筑功能对冰雪乐园和室内乐园高大空间的要求,乐园以上框架柱只能在一个方向设置连系梁,另一个方向的无支撑高度达到了17.4～28m,框架柱的长细比较大,需特别注意柱自身的稳定性问题。利用MIDAS Gen对乐园以上跃层柱进行屈曲稳定分析[2],以室内乐园为例,第一阶屈曲模态的屈曲边柱(截面为1 000×1 000)X向计算长度系数见表7。

表7 室内乐园边柱计算长度系数

由表7可知,该屈曲边柱X向计算长度系数为1.33,大于YJK配筋计算模型中的默认值1.25,需对YJK模型计算长度系数进行调整。同时根据《混规》第6.2.15条,对跃层柱进行了稳定承载力验算,并将计算结果与罕遇地震作用下的轴力设计值进行对比,结果表明,跃层柱的稳定承载力均满足要求。

5.5 与乐园专项设计的配合

本工程的冰雪乐园、室内乐园均属于专项设计的范围,由于乐园存在游乐项目较多、设备荷载较大等因素,因此主体结构设计时与乐园专项设计的配合也属于本工程的难点之一。

在与乐园专项设计配合中,乐园荷载是影响主体结构设计的最大因素。在设计前期,由于游乐项目、游乐设备的具体分布并未完全确定,乐园专项设计单位只能提供乐园建筑面层、保温墙板等部分的精确荷载,游乐设备和游乐装饰等荷载并不能精确提供,只能凭借经验提供大概的范围荷载用于下部主体结构的设计。随着专项深化设计的进行,各游乐项目和游乐设备的分布也逐渐稳定,此时需要专项设计单位提供设备的精确荷载复核主体结构,此荷载一般以点荷载呈现且数量较大(如仅室内乐园过山车一项就含有76个柱脚荷载);同时也需专项设计单位提供每个设备预埋件的大小和定位,用以复核主体结构的截面尺寸。此阶段的荷载复核对乐园层的结构布置、构件截面尺寸及配筋均有一定的影响。

在设计配合中,需要主体结构设计人员对专项设计单位提供的荷载进行控制,如限制专项设计单位后期提供的精确荷载总量不能超过前期提供的范围荷载,避免对乐园下部竖向构件及基础设计造成影响,减少主体结构设计修改工作。

主体结构设计存在的其他难点问题如B区冰雪滑道设计及转换桁架设计[1]、C1～C2区钢-混凝土组合桁架屋盖设计[4]等在相关文章中有详细介绍,本文不再赘述。

本工程已于2022年完成了竣工验收并顺利开业,整个施工及后续使用过程顺利,未出现异常。

6 结论

(1)本工程A区、B区、C1～C2区均属于特别不规则的超限高层建筑,采用抗震性能设计方法对主体结构进行计算分析,结果表明,结构安全可靠,各构件均能达到预定的性能目标。

(2)对超长结构楼板进行温度应力分析,在楼板设计时根据分析结果附加温度筋,并结合其他有效措施,防止超长混凝土结构在施工及正常使用期间出现有害裂缝。

(3)剪力墙在罕遇地震作用下的反应机制符合剪力墙作为第一道防线先于框架柱破坏的抗震概念设计,为增强剪力墙在罕遇地震作用下的变形能力,对剪力墙进行了针对性加强。

(4)通过分析金属屋面结构质量及其对下部结构地震剪力的影响,对各区的建筑高度进行了合理判定,避免了各区主体结构适用高度超限。

(5)通过对跃层柱进行屈曲稳定分析和稳定承载力验算,确保跃层柱计算长度的准确性,在罕遇地震作用下的稳定承载力满足要求。