苏州某大型复杂商业连体结构设计

夏 昊, 张 强, 陈才华, 任重翠, 王 洋

(中建研科技股份有限公司，北京 100013)

1 工程概况

某商业综合体项目位于苏州市相城区,总建筑面积34万m2,项目整体是一个集购物、休闲、娱乐为一体的大型商业综合体建筑群。地上建筑面积18.8万m2,包含大型购物中心、商业街、高压变电站、停车楼;地下建筑面积15.6万m2,包含地下商业和车库,本工程已于2021年9月25日开始营业,建筑实景图见图1。

图1 建筑实景图

从抗震概念出发,在适当的位置设置防震缝,具体位置见图2,图中蓝色线条表示双柱缝,红色线条表示滑移缝,缝宽均为180mm。通过防震缝将地上结构划分为五个相对独立的结构单元[1],分别为商业街A区(地上2层,主屋面高度11.5m)、商业街B区(地上2层,主屋面高度11.5m)、停车楼区(7层,主屋面高度22.5m)、购物中心A区(地上5层,局部6层,6层为空中影院,影院顶高度47.5m)、购物中心B区(地上5层,主屋面高度28.5m)。本文只介绍购物中心A区结构设计情况。

图2 防震缝示意图

购物中心A区抗震设防烈度7度(0.1g),场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第一组,设计特征周期Tg=0.53s,抗震设防类别为重点设防类。

2 结构体系分析

2.1 整体结构方案

购物中心A区位于地块南侧,地上5层(局部6层),2～4层层高5.5m,5层层高6m,6层为空中大跨影院桁架,影院层高19m,影院顶高度47.5m。购物中心A区平面呈矩形,平面尺寸为225m×100m。由于购物中心A区平面布置复杂,为了更清晰地分析该区结构特点,将该区结构沿立面分为影院区和主体结构区,典型平面布置图如图3所示,3～5层连体桁架剖面示意如图4所示,整体结构三维示意如图5所示。

图3 主体结构区典型层结构平面布置图

图4 3～5层连体桁架剖面示意

图5 购物中心A区三维结构模型组成图

购物中心A区主体结构区为混凝土框架-剪力墙结构[2],楼板为现浇钢筋混凝土楼板。竖向荷载通过板、梁传给竖向构件直至基础;水平荷载由剪力墙及框架共同承担。购物中心A区主要构件截面及材料信息见表1。

表1 购物中心A区主要截面及材料信息

2.2 主体结构剪力墙布置及连体方案

本工程在3～5层位置存在连体结构[3],屋顶影院投影区与A1、A2区(图6)均存在重叠部分[4]。

图6 A区主体结构单元A1、A2区平面范围示意

屋顶影院钢结构与主体结构A1、A2区如果采用滑动连接,即高位层间隔震,则需考虑设备立管的柔性设置;连接体结构位置较低,重量较重,采用弱连接形式不合理;连接体宽度27m、跨度30m、高度11m,采用刚性连接形式能更好地协调两侧结构单元,因此屋顶影院钢结构与主体结构采用刚性连接更合理[5]。

为了更好地协调屋顶钢桁架连体传递至主体结构的水平力,调整A1、A2两个单体的刚度,主体结构采用框架-剪力墙结构,剪力墙布置方案优化比选如图7所示,其中图7(b)中虚线框所示为两方案剪力墙布置的主要差异,为了控制A1区角部扭转刚度,增加角部剪力墙布置。

图7 购物中心A区主体结构剪力墙布置方案

2.3 影院结构方案

本工程最大亮点为漂浮于整个建筑上方且形成密闭空间的空中影院[6],由于屋顶堆放重型设备且开大洞、变高差等原因,屋顶影院采用平面钢桁架为最优选择。平面钢桁架考虑两种方案:方案一为横向45m跨单跨桁架,方案二为纵向最大跨度为36m的连续桁架;两种方案布置图如图8所示。对比上述两种方案,在屋面桁架高度2.5m高不变,增加四根室内柱(图8(b)红色线圈起的柱)之后,将屋面桁架的跨度从45m单跨桁架变为最大跨度为36m的连续桁架,在不影响室内功能的前提下,屋面钢结构用量节省300t,最终采用方案二。

图8 购物中心A区屋面影院钢结构方案比选

影院为钢桁架结构,影院屋面、楼面均采用平面钢桁架体系,楼板采用钢筋桁架楼承板,外立面钢斜撑为影院区提供侧向刚度及传递悬挑端荷载。影院与主体结构采用钢支座连接。竖向荷载通过屋面、楼面桁架传递给柱脚支座,再由柱脚支座传递给主体结构的柱、墙,最终传至基础;水平荷载作用由影院外立面钢斜撑承担,后传递给支座,再传给主体结构柱、墙上,最终传至基础。影院区结构体系布置如图9所示。

图9 影院区结构体系布置

3 结构超限情况及抗震性能目标

3.1 结构超限情况

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[7]、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[8](简称《高规》)和文献[9],结构超限情况如下:1)扭转不规则:结构楼层扭转位移比大于1.2。2)楼板不连续:存在楼板有效宽度小于50%、楼板开洞面积大于30%的情况。3)凹凸不规则:存在平面凹凸尺寸大于相应边长30%的情况。4)尺寸突变:存在大悬挑桁架,悬挑跨度最大18.8m。5)构件间断:结构存在连体部分。故本工程含有5项一般不规则。

3.2 抗震性能目标

参照《高规》第3.11.1条第2款条文说明,结合本工程的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构特点,并征得业主意见后,购物中心A区抗震性能目标定为D级:即小震完好、中震中度损坏、大震比较严重损坏。关键构件的抗震性能目标比D级适当提高。具体构件的性能目标见表2[10]。

表2 结构及构件抗震性能目标

4 结构弹性分析

4.1 弹性指标分析

小震弹性反应谱分析的主要计算结果见表3。计算结果表明,周期比、层间位移角、位移比、剪重比、楼层受剪承载力比、楼层竖向刚度比均满足《高规》限值要求。

表3 弹性分析主要计算结果

4.2 周期比与位移比的平衡

本工程弹性指标分析的难点在于周期比和位移比两个指标。周期比看整体结果,位移比看单体结果,敏感性剪力墙位置如图10所示。A组墙肢对位移比敏感,如果减少墙肢数量,则位移比不利;B组墙肢对周期比、位移比均敏感,若墙肢数量增加,则位移比不利,若墙肢数量减少,则周期比不利。

图10 主体结构敏感性剪力墙位置示意

另外,鉴于本工程连体的影响,分别考虑分块刚性及全楼弹性膜计算位移比[11],结果(表4)均满足不大于1.40的要求。

表4 分塔计算的最大位移比及所在楼层

5 关键构件设计

本节采用SATWE软件进行结构中震弹性及中震不屈服计算,提取关键构件的内力,复核其在中震荷载组合作用下是否处于弹性工作状态;检查普通竖向构件受剪截面是否满足截面控制条件。对于结构薄弱部位,采取加强措施后复核验算,保证各构件均能满足表2提出的抗震性能目标要求。

5.1 支承影院框架柱设计

根据表2要求,支承影院框架柱、大悬挑桁架支承柱、3～5层大跨连体桁架支承柱均应满足中震弹性、大震不屈服要求。图11给出支承影院框架柱编号及布置示意图,图12给出典型支承影院框架柱4、6的中震抗弯弹性PMM包络图,结果显示各工况验算指标均在屈服球内,支承影院框架柱抗弯承载力满足中震弹性性能要求。

图11 支承影院框架柱编号及布置示意图

图12 支承影院框架柱中震抗弯弹性验算结果

5.2 下部主体部分连体结构设计

购物中心A区两侧结构单元在3～5层由大跨桁架刚性连接,连接体宽度27m,跨度33m,根据表2要求,大跨连接体桁架应满足中震弹性、大震不屈服的设计要求。大跨连接体桁架的布置形式和立面展开图如图4所示。

与大跨度连接体桁架弦杆相连的框架梁起到传递及平衡连接体桁架根部弦杆轴力的作用,对确保连接体发挥作用起到非常重要的作用,因此应确保该位置框架梁达到连接体桁架相同的性能目标,即中震弹性。主要验算结果见图13。结果显示各工况验算指标均在屈服面内,框架梁强度满足性能目标要求。

图13 与大跨连接体桁架相连的框架梁中震拉/压弯弹性验算

5.3 影院钢结构支座设计

影院空间钢桁架结构通过12个成品球铰支座与下部混凝土主体结构连接,传递竖向力与水平力,支座平面布置图如图14所示。其中Z06、Z07、Z10、Z11支座为双向滑动球铰支座,其余Z01～Z05、Z08、Z09、Z12支座均为固定球铰支座。局部设置双向滑动球铰支座的目的是为了减小自重下空间钢桁架杆件轴力。固定球铰支座满足中震弹性要求,双向滑动球铰支座滑动量应不低于50mm。所有支座转动能力应不小于0.02rad。

图14 影院钢结构底部支座平面布置图

6 影院钢结构专项分析

6.1 影院钢结构独立模型补充分析

本工程影院钢桁架在34m标高位置通过成品支座连接左右主体两个单元,因此对影院钢结构要进行单独的抗震分析,分析的前提是得到影院钢结构基底楼面谱放大系数[12]。采用SAP2000软件对影院钢桁架进行小震下整体结构弹性时程分析。小震下时程分析的影院支座最大剪力与反应谱分析的最大剪力结果比较如表5所示。由表5可见,反应谱分析得到的影院支座X向、Y向最大剪力均略大于七条波平均值,说明小震下反应谱分析结果可靠。

表5 小震下时程分析与反应谱分析的最大剪力比较

时程分析中,采用的加速度峰值为35cm/s2;X向地震作用下,得到的影院支座位置处的X向加速度峰值的平均值为88.5cm/s2,约为输入的加速度峰值的2.53倍;Y向地震作用下,得到的影院支座位置处的Y向加速度峰值的平均值83.6cm/s2,约为输入加速度峰值的2.39倍。根据上述分析结果,当采用影院独立模型进行反应谱地震分析时,将X向、Y向地震作用分别放大2.53倍、2.39倍。

6.2 影院钢筋桁架楼承板楼面舒适度分析

对影院钢筋桁架楼承板楼面进行竖向振型分析,质量源取1.0恒荷载+0.5活荷载。分析得到楼面第一阶竖向自振频率为1.93Hz,小于3Hz,应对影院钢筋桁架楼承板楼面补充舒适度分析[13]。

分析时激励时程曲线主要采用IBASE(行走函数)连续步行荷载曲线,如图15所示,该图中行人质量取75kg,结构步频fp=2.0Hz。

图15 IBASE连续行走激励时程曲线

分析时阻尼比采用3%,选用A、B、C三点(图16)所示位置分别施加单点行走激励。

图16 舒适度分析的加载点位置示意

计算结果显示,楼面A、B、C三个参考点的最大竖向加速度为0.02m/s2(图17),低于规范限值0.15m/s2,满足规范要求。

图17 舒适度分析的各点竖向加速度时程曲线

6.3 影院钢结构防连续倒塌分析

《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年)[14]和《高规》3.12.1条规定:安全等级为一级的高层建筑结构应满足抗连续倒塌概念设计要求;有特殊要求时,可采用拆除构件方法进行抗连续倒塌设计。根据上述规范规定,徐州中央国际广场东塔采用拆除构件的弹性静力分析方法进行抗连续倒塌设计,计算分析采用SAP2000。拆除结构重要构件后,剩余结构构件的承载力应满足Rd≥βSd[15],其中Rd为剩余结构构件承载力设计值,Sd为剩余结构构件效应设计值,β为效应折减系数。

(1)拆杆工况一

选择南侧悬挑桁架交叉支撑(图18中蓝色杆件)进行拆除(静力作用设计时该杆件应力比为0.666;中震不屈服工况下该杆件应力比为0.726)。对周边杆件考虑动力放大系数,计算结果表明,被拆除杆件周围的杆件应力比较高,达到0.907,但均小于1.0。

图18 拆杆工况一及相邻需要考虑动力放大系数的杆件

(2)拆杆工况二

选择北侧悬挑桁架斜杆(图19中的蓝色杆件)进行拆除(静力作用设计时该杆件应力比为0.253;中震不屈服工况下该杆件应力比为0.412)。对周边杆件考虑动力放大系数2.0,,计算结果表明,被拆杆件周围的杆件应力最大为0.716,小于1.0。

图19 拆杆工况二及相邻需要考虑动力放大系数的杆件

因此,结构设计时留有足够的安全储备,不会因为少量构件的破坏导致整体结构破坏进而引起结构连续倒塌。

7 结论

本工程购物中心A区为复杂高层连体结构体系,含多项一般不规则项。剪力墙布置、连体结构设计、屋顶钢桁架及支座设计为本工程的难点,通过析得出的主要结论如下:

(1) 通过优化剪力墙布置及数量,同时兼顾周期比、位移比整体指标,论证了该复杂连体下部主体结构采用框架-剪力墙结构体系为合理的结构方案。

(2)影院钢桁架底部通过固定球铰成品支座与主体两个单元相连,将屋顶钢结构的地震力均匀传递给主体区竖向构件,局部位置改为滑动支座释放恒载下钢桁架杆件应力,优化杆件设计。

(3)通过对连体部位采用性能化设计,满足中震弹性、大震不屈服的性能目标要求,同时考虑竖向地震作用,并采用独立模型与整体模型对主体单元进行包络设计,确保主结构满足“大震不倒”的抗震设防目标。

(4) 通过对影院钢桁架独立模型、整体模型的包络设计,确定了合理的楼面加速度反应谱,通过必要的性能化设计及专项分析,论证了影院钢结构具有良好的楼盖舒适度及防倒塌性能。