1、某复杂商业裙房结构设计 高小强 王健吉 易建文 卜科 李毅 杭萧钢构股份有限公司 摘 要： 结合某综合体复杂商业裙房项目, 简述了该工程的设计特点。为实现建筑效果及使用需求, 本项目存在平面凹凸不规则、楼板开洞、大悬挑、大跨度梁、局部穿层柱等多种结构不规则布置。针对项目超限情况, 采用基于性能目标的抗震设计方法, 并通过结构的合理选型、加强薄弱部位、严格的抗震措施等多种措施以确保结构在地震作用下具有良好的抗震性能。关键词： 平面不规则; 大悬挑; 穿层柱; 抗震性能化设计; 作者简介：高小强, 工程师, Email:。Structural design of a complex commerc
2、ial podiumGao Xiaoqiang Wang Jianji Yi Jianwen Bu Ke Li Yi Hangxiao Steel Structure Co., Ltd.; Abstract： Combined with a complex commercial podium, the design features of the project were briefly described.In order to achieve the architectural effect and requirements, there were several kinds of irr
3、egular arrangement of the structure, such as concave-convers irregular plane, floor with opening, large cantilevered and large-span frames, skipfloor columns.The performance-based seismic design method was adopted to solve the conditions of beyond code limits.Excellent seismic performance of structu
4、re could been sured by reasonable selection of structure type, strengthened weak member and strict seismic measures.Keyword： irregular plane; large cantilevered frame; skip-floor column; seismic performance design; 1 工程概况某复杂商业裙房位于陕西省西安市, 属于集底部商业、塔楼五星级酒店及办公于一体的综合体, 综合体项目占地 23067 m, 总建筑面积 28.48 万 m, 地
5、下室 4层, 地上分为 A, B, C 三个塔楼和商业裙房。商业裙房地上 6 层, 建筑高度33.5m, 建筑面积 2 万 m。商业裙房建筑功能复杂, 14 层为商业、56 层为影院及商业、屋面有屋顶泳池, 在地上部分与塔楼间设置结构缝, 2 层平面布置如图 1 所示, 内部透视效果图如图 2 所示。商业裙房结构设计使用年限为 50 年, 建筑结构安全等级为二级。抗震设防烈度为 8 度 (0.2g) , 设计地震分组为第一组, 建筑场地类别为类, 场地特征周期为 0.35s。基本风压为 0.35k N/m (50 年重现期) , 地面粗糙度类别为 B 类。2 结构布置及结构体系裙房平面存在较多
6、不规则, 受建筑功能要求的限制, 裙房无法满足结构设置钢支撑的要求。经分析比较, 最终采用钢管混凝土柱、钢梁框架结构体系。边缘部位的钢柱截面加大、钢梁截面加高, 增加结构整体扭转刚度, 既满足建筑使用功能, 又使结构形成较好的受力体系。图 1 商业裙房 2 层平面布置图 下载原图图 2 商业裙房内部透视效果图 下载原图裙房东北角 4 层屋面层有高位悬挑结构, 平面布置如图 3 所示。结合建筑功能使用情况, 考虑在 轴、 轴上设置主悬挑桁架, 并向结构内延伸两个柱距, 其中第一柱距亦向下延伸至基础, 3-F 轴上设置环带桁架, 将整个悬挑结构形成整体, 如图 4, 5 所示。图 3 商业裙房 4
7、 层北边结构平面布置图 下载原图图 4 轴、轴悬挑桁架立面图 下载原图图 5 轴环带桁架立面图 下载原图3 结构超限情况及性能目标3.1 结构超限情况裙房为人流密集的大型的多层商场, 根据建筑工程抗震设防分类标准 (GB 502232008) , 裙房抗震设防类别为重点设防类 (乙类) 。同时裙房工程规模虽不大, 但结构不规则情况复杂, 为满足建筑效果及使用需求, 建筑存在局部大悬挑、楼板开洞、大跨度梁、局部穿层柱等多种情况, 对结构不规则性控制为本工程的设计重点之一。裙房的规则性判断如表 1 所示。表 1 规则性判断 下载原表 3.2 结构性能目标针对项目超限情况, 对关键部位及关键构件提出
8、了性能设计目标, 见表 2。表 2 构件抗震性能目标 下载原表 4 整体计算4.1 抗震等级的确定裙房属于乙类建筑, 根据相关规范规定, 钢管混凝土柱为一级, 钢框梁为二级, 梁上起柱的大跨钢框梁为一级, 大悬挑桁架部分腹杆和弦杆均为一级。4.2 小震弹性计算主要结果为分析整体结构的特性, 采用 SATWE, YJK 软件对该结构进行整体对比计算。计算参数如下:结构嵌固部位取在0.000m 处, 阻尼比 4%, 考虑“平扭藕联”的扭转效应, 考虑偶然偏心、双向地震作用。计算结果见表 3。由表 3 可得, 各项计算结果均满足规范要求。表 3 整体模型计算结果 下载原表 4.3 弹性时程分析为校核
9、振型分解反应谱法的计算结果, 根据规范要求, 采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算, 弹性时程分析所取的地面运动最大加速度为 70cm/s, 结构阻尼比为 0.04。地震波选用 5 条天然波和 2 条人工波, 每组包含 2 个方向的分量, 在波形的选择上, 除符合有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求外, 还应满足规范对底部剪力方面的相关要求。计算中考虑了 2 个方向地震动时程输入的影响。弹性时程分析得到的 X 向结果如图 6 所示。弹性动力时程反应分析复核结果表明, 不需要调整整个楼层构件的内力及配筋。整体来看弹性时程分析结果对本工程不起控制作用, 但在结构顶部出现时程分析法产生的楼
10、层地震剪力超过 CQC 反应谱结果的现象。根据规范要求, 地震作用效应取 7 条时程曲线计算结果平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值进行结构设计。图 6 弹性时程分析结果 下载原图4.4 楼板应力分析楼板在结构整体分析中除了传递竖向荷载外, 还是协调内外框架、增加结构刚度的重要部件。本工程楼板有开大洞和不连续, 整体计算时楼板按弹性膜来模拟, 考虑楼板实际面内外刚度。同时为保证水平剪力能够通过楼板有效传递给竖向构件, 采用 PMSAP 对楼板进行小震和中震下的应力分析。小震下 X 向楼板面内主应力云图如图 7 所示。图 7 X 向楼板面内主应力云图 (k N/m) 下载原图经计算分析, 小
11、震作用下, 楼板应力较小。中震作用时, 各楼板在竖向构件附近区域、楼梯、电梯口周围区域及楼板有效宽度较小区域混凝土会受拉开裂, 施工图设计时, 将全楼楼板厚度加厚至 150mm, 并增设配筋, 以满足抗震要求。4.5 静力弹塑性分析采用 PKPM/PUSH 软件进行罕遇地震作用下的弹塑性验算以预测结构在罕遇地震作用下的潜在薄弱层和塑性铰出现的顺序和位置。静力弹塑性分析 X 向荷载输入和 Y 向荷载输入得到的性能点最大层间位移角分别为 1/136 和 1/134, 均远小于规范要求的 1/50, 能够确保结构在罕遇地震作用下的变形满足规范要求, 达到大震不倒的抗震目标, 并具有较高的抗震能力储备
12、。结构的楼层变形沿结构全高均匀分布, 总体来说, 罕遇地震作用下, 结构抗侧力刚度均匀过渡, 抗剪承载力无明显突变, 结构具有较好的延性。5 结构设计重点5.1 大跨度钢梁上起柱因为 IMAX 影厅大空间的需求, 需要在影厅边缘一根框梁上起柱, 梁上起柱点框梁面外无直接的支撑点。设计时该框梁采用如下结构措施:采用箱型梁截面, 框梁抗震等级提高为一级, 抗震性能设计目标定为中震弹性, 以保证构件的整体稳定及抗震性能。5.2 大悬挑设计大悬挑共跨越有 3 层, 建筑功能 4 层是商业, 5, 6 层是电影院。屋面上悬挑部分除本身建筑做法外, 屋面设备等不允许放置在悬挑范围, 以减少悬挑部分整体竖向
13、荷载。设计时大悬挑部分采用如下结构措施:1) 悬挑部分内力计算时增加竖向地震作用;2) 悬挑部分相关构件抗震等级提高为一级;3) 抗震性能设计目标定为中震弹性;4) 实际施工中, 悬挑部分需全部构件安装完毕后, 再进行楼板施工, 计算时按实际情况采用一次加载计算构件内力;5) 采用 SATWE 和 MIDAS 两种结构软件计算, 按包络设计取构件截面。5.3 穿层柱设计本工程楼板开洞处存在跨越两层的穿层柱, 为保证穿层柱的抗震安全性, 设计将其性能目标定为中震作用下抗剪和抗弯弹性进行承载力复核。穿层柱的柱顶剪力取该层同类柱剪力的最大值, 计算长度取穿层柱跨越楼层的总高度, 即穿层柱柱底弯矩取为
14、柱顶最大剪力乘以穿层柱的计算长度再加上柱顶弯矩, 在中震作用下穿层柱按此方法进行验算, 根据验算结果选取穿层柱截面。计算结果表明, 穿层柱满足中震弹性的性能目标要求。5.4 钢-混凝土组合次梁针对本工程中的钢次梁, 因为两端铰接, 主要承受恒活竖向荷载, 设计时考虑钢-混凝土组合梁的应用, 利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能, 使它们协同受力, 减小梁的截面。达到减少结构用钢量, 同时增加楼层净高的目的。6 结语本工程虽然建筑规模不大, 但建筑效果及使用的需求存在如大悬挑、平面凹凸、楼板开洞、大跨度梁、穿层柱等多种结构不规则布置, 且建设方对经济指标的控制较为严格。在此条件下, 采用基于性能
15、目标的抗震设计方法, 通过结构合理选型、加强薄弱部位、严格的抗震措施等多种措施, 使结构既能满足规范的各项要求, 又能达到经济合理的目的。参考文献1建筑抗震设计规范:GB 500112010S.北京:中国建筑工业出版社, 2010. 1建筑抗震设防分类标准:GB 502232008S.北京:中国建筑工业出版社, 2008. 3高层民用建筑钢结构技术规程:JGJ 992015S.北京:中国建筑工业出版社, 2015. 4钢结构设计规范:GB 500172003S.北京:中国计划出版社, 2003. 5夏国平.沈阳某复杂综合办公楼结构设计J.建筑结构, 2015, 45 (S1) :134-137.
