大型商業建筑結構設計要點淺析

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摘要：大型商業建筑功能復雜，在高烈度區其結構設計有其特殊性，通過工程實例，對幾個重要問題進行了探討。大型商業建筑提高抗震設防類別為乙類的同時，應當提高結構安全等級為一級；通過采用輕型墻材、減少砌體墻，框架結構周期折減系數取0.9，顯著減小結構地震作用和層間位移；對樓板局部不連續，進行整體計算時，按分塊剛性樓板，局部指定彈性樓板，并利用有限元軟件對地震作用下樓板的應力進行補充分析，對薄弱部位采取加強措施；影院放映廳抽柱后形成大跨單跨框架井字梁，其梁和柱作為關鍵構件進行了加強設計。

關鍵詞：安全等級；抗震；位移角；周期折減；大跨單跨框架

1工程概況

甘肅某大型商業建筑，總建筑面積13.5萬m2，地下2層、地上4層、局部5層，典型層（見圖1）平面尺寸135m×165m。主要功能為商業娛樂及配套，地上各層設置環形室內步行街，步行街內不允許設柱，樓板開設很多不規則形狀的大洞。采用鋼筋混凝土框架結構，框架典型跨度8.4m，最大跨度26m，最大懸挑8m。典型柱截面從地面1000mm×1000mm收到屋面800mm×800mm。典型框架梁截面400mm×800mm，采用單向雙次梁布置，次梁250mm×600mm，樓板厚100mm?？蚣苤罡呋炷翉姸菴45，梁板C30。場地類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為8度（0.3g），設防類別為乙類，按9度采取抗震措施，框架抗震等級一級，關鍵構件特一級。設計工作年限為50年，結構安全等級為一級。基礎采用旋挖鉆孔灌注樁，基礎設計等級為甲級。

2結構安全等級

根據《建筑工程抗震設防分類標準：GB50223—2008》［1］，該項目抗震設防類別為乙類，提高一度按9度考慮其抗震措施。但其結構安全等級應該取二級還是一級，工程實踐中有不同的認識。如果取一級，結構重要性系數γ0為1.1，對結構的造價影響比較大?！督ㄖY構可靠性設計統一標準：GB50068—2018》［2］規定，應根據結構破壞可能產生的后果，即危及人的生命、造成經濟損失、對社會或環境產生影響等的嚴重性，采用不同的安全等級。對人的生命、經濟、社會或環境影響很大時，屬于破壞后果很嚴重，安全等級應按一級。影響較大時，屬于破壞后果嚴重，安全等級按二級。具體什么樣的影響屬于“很大”，什么樣的影響屬于“較大”呢？文獻［2］沒有明確。條文說明里雖然示例了大型公共建筑應劃為安全等級一級，但是也沒有明確什么樣的公共建筑屬于“大型”公共建筑。這就導致了在工程實踐中，由于認識不同、或由于業主與設計人關注點不同，對此有不同的解讀。比如有觀點認為，既然已經劃為了乙類設防類別，就沒必要在結構安全等級上再提高，只有那些具有紀念意義的特殊建筑才有必要提高安全等級為一級。也有建議把設計使用年限與安全等級一一對應［3］。雖然抗震設防類別和結構安全等級的劃分都是要考慮結構破壞造成的人員傷亡、經濟損失和社會影響的大小，但是二者是兩個不同的概念。地震設計狀況時抗震構件的承載力極限狀態設計表達式為［4］：S≤R/γRE⑴式中：S為包含地震作用效應在內的效應組合設計值；R為結構構件的承載力設計值；γRE為承載力抗震調整系數。持久設計狀況和短暫設計狀況的所有結構構件的承載力極限狀態設計表達式為［5］：γ0S≤R⑵式中：S為不包含地震作用效應的效應組合設計值；R為結構構件的承載力設計值；γ0為結構重要性系數，對安全等級為一級的結構構件不應小于1.1，對安全等級為二級的結構構件不應小于1.0?？梢姡O防類別的劃分只對抗震構件產生影響，包括地震作用和抗震措施兩方面。而結構安全等級對所有結構構件的承載力計算產生影響，但是只對非地震作用組合的承載力計算產生影響。比如次梁和樓板，因其屬于非抗震構件，不受設防類別劃分的影響，但是其承載力計算會受結構安全等級（涉及γ0）的影響?？拐鹪O防類別的劃分更側重于考慮地震的防災救災、及地震發生時逃生的難易程度。而結構安全等級的劃分主要是考慮在非地震作用時結構破壞后果的嚴重性。乙類設防類別提高了抗震結構構件的抗震性能，但是并不能保證所有結構構件在非地震作用下承載能力的提高。因此，對于大型公共建筑，即使已經劃為了乙類抗震設防類別，也有必要提高結構安全等級為一級。至于大型公共建筑的認定標準，文獻［2］沒有明確。按照文獻［1］，建筑面積1.7萬m2以上的商業建筑可認定為大型商業公共建筑?！睹裼媒ㄖ芎臄祿杉瘶藴剩篔GJ/T154—2007》［6］將公共建筑分為中小型公共建筑和大型公共建筑，其中單棟建筑面積大于2萬m2的公共建筑為大型公共建筑。根據建設部等部委聯合發布的建質［2007］1號文《關于加強大型公共建筑工程建設管理的若干意見》［7］，大型公共建筑一般指建筑面積2萬m2以上的辦公建筑、商業建筑、旅游建筑、科教文衛建筑、通信建筑以及交通運輸用房。因此，可按建筑面積不小于2萬m2作為公共建筑是否屬于“大型”的認定標準。本項目建筑面積遠大于2萬m2，其結構安全等級應取一級，重要性系數γ0取1.1。

3框架層間位移角

框架結構自重輕、材料省、抗震性能好，而且由于其布置靈活，更容易滿足大型商業建筑復雜多變的空間需求，因而成為本項目結構體系的首選。但是框架結構由于抗側剛度較小，在高烈度區，地震作用下變形較大，層間位移角不容易滿足規范要求。解決此問題有兩種思路，一是增大結構剛度，二是減小地震作用。

3.1增大結構剛度

最常見的做法就是利用樓梯、電梯間的隔墻設置少量的剪力墻，形成少墻框架結構。少墻框架結構中雖然剪力墻很少，但是其剛度很大，在地震作用時承擔了過多的地震作用，很容易開裂甚至破壞。這種結構體系本質上仍然屬于框架結構范疇，其中剪力墻的作用只是在多遇地震作用階段提高結構抗側剛度、減小彈性層間位移角。在罕遇地震作用時，剪力墻退出工作，結構剛度和承載力急劇退化。本項目建筑功能是大型商業，抗震設防類別為乙類，不但要求結構在多遇地震作用下具有必要的抗側剛度和承載力，保持彈性工作狀態，而且要求結構在遭受罕遇地震作用時具有很好的延性，抗側剛度不能急劇退化，避免結構倒塌，確保建筑內大量密集人群的疏散和逃生。基于以上原因，本項目不適合采用少墻框架結構。

3.2減少、減輕墻體材料

高烈度區結構采用減震、隔震技術可以顯著地減小地震作用。消能減震裝置的布置一定程度上影響到了建筑的美觀性和功能性，本項目沒有采用減震、隔震技術。結合本項目特點，主要通過減少砌體墻材、采用輕質墻材來達到減小地震作用，減小層間位移角的目的。建筑外周維護主要采用鋁板幕墻，內隔墻部分采用輕質砌體墻、部分采用玻璃隔斷和鋁合金卷簾。

3.3調整周期折減系數

建筑的非承重墻不但增加了建筑的自重導致地震作用增大，還增大了結構抗側剛度。單自由度體系結構的周期為：可見結構抗側剛度K越大，自振周期T越小。根據文獻［4］地震影響系數曲線，當結構自振周期T大于特征周期Tg時，結構自振周期T越小，地震影響系數越大，即結構剛度越大地震作用越大。文獻［8］通過對結構的自振周期進行折減來考慮砌體墻增大結構剛度造成的地震作用增大。影響周期折減系數的因素主要是非結構墻的數量和材料。文獻［9］主張應結合非結構構件的數量和以往同類建筑的實測結果合理確定周期折減系數的取值。文獻［10］通過對已有建筑的動力實測發現，計算周期大于實測周期，對于填充墻的占比較小（25%以內）時，計算周期與實測周期的相差不大（在10%以內），而對于填充墻的占比較大（50%左右）時，計算周期與實測周期相差較大（20%~45%）。文獻［8］規定非承重墻為砌體墻時框架結構的周期折減系數可取0.6~0.7，對于采用其他非承重墻體時，可根據工程情況確定周期折減系數。事實上不同種類的砌體墻其周期折減系數是不同的，文獻［11］基于結構動力學基本原理采用剛度等效的方法推算，建議普通混凝土空心砌塊填充墻的框架周期折減系數取0.8~0.9。本項目砌體墻較少，部分內隔斷為玻璃和卷簾，外周主要是鋁板幕墻。砌體墻部分周期折減系數取0.85，玻璃、卷簾和鋁板幕墻對結構剛度幾乎沒有影響。綜合考慮到建筑功能靈活多變，實際計算取周期折減系數為0.9，使得周期的折減比較符合本建筑墻體材料的特點，也能確保結構的抗震安全性。通過減少、減輕墻體材料，并調整周期折減系數為0.9，顯著地減小了結構的地震作用。多遇地震作用下結構的最大層間位移角從1/428減小到了1/565，滿足了規范要求，避免了為滿足層間位移角限值而盲目地增大框架梁柱截面。

4樓板局部不連續

本建筑地上各層設置環形室內步行街，步行街樓板開設多個不規則大洞，步行街外側的環形樓板與步行街內側的中島樓板通過多塊5m左右寬度的連廊樓板進行連接，有效樓板寬度不足典型寬度的50%，屬于樓板局部不連續的平面不規則類型，連廊部位樓板為薄弱連接。

4.1樓板的連接作用

樓板在結構中除了起到承擔并傳遞豎向荷載的作用外，還將結構各豎向構件連接為一個整體，使其協調變形，在豎向構件間傳遞和分配水平力，形成完整的抗側力體系。在地震作用下，連廊連接處樓板一旦過早破壞，將使得所連接的主體結構分離成幾個小的結構體，結構抗側剛度和動力特性急劇改變，抗震能力降低，可能導致結構主體的整體性破壞。因此，該薄弱連接部位樓板的抗震設計就顯得非常必要且重要。

4.2分塊剛性樓板

對完整的樓板，整體計算時樓板可假定為面內剛度無限大的剛性樓板，所有構件在剛性板的協調下統一平移或圍繞樓板剛心轉動。薄弱連接樓板面內剛度不足，其面內變形不能忽略，難以完全協調兩端結構的協同變形。整體計算地震作用時應采用分塊剛性樓板模型，將薄弱的連接樓板設置為彈性樓板，考慮其面內實際剛度和變形，更真實地模擬計算結構各部分在地震作用下的反應。

4.3罕遇地震樓板應力分析

一般情況下，對樓板做平面內無限剛的假定而忽略了樓板的平面內應力。對于樓板不連續，應進行樓板地震應力分析，考慮在協調變形、傳遞和分配水平力時產生的平面內剪力和軸力，并采取相應技術措施。從平面應力問題的角度討論連接板的抗震設計時，推薦采用主拉應力表達式［12］。利用PMSAP對罕遇地震作用時的樓板應力進行了計算分析，結果如圖2所示，連廊樓板大部分位置主應力值較小，在-1.8~1.9MPa之間，小于C30混凝土的抗拉強度標準值（ftk=2.01MPa）。在連廊4個角部很小的區域出現明顯的應力集中，最大主壓應力3.2MPa，最大主拉應力達到了5.1MPa。說明在罕遇地震下，連廊薄弱連接板除角部很小區域可能會開裂外，其它部位沒有開裂，保持了完整性，可以繼續履行其連接功能。4.4連廊薄弱連接板加強措施根據連廊薄弱連接板的重要性及計算分析結果，采取以下加強措施：⑴連接板處確保至少有1根框架梁拉通，兩側設置邊梁且向內跨延伸，加大拉通框架梁及邊梁的上下拉通筋、腰筋；⑵連廊薄弱連接板區域板厚取130mm，雙層雙向配筋，每層每個方向配筋率不小于0.25%；⑶連廊角部分別設置3根直徑12mm的斜向加強筋。

5大跨單跨框架井字梁抗震設計

建筑第5層為影院放映廳，如圖3所示，抽掉了中間4根柱，屋頂為框架井字梁樓蓋，雙向跨度3×8.4=25.2m。4根井字梁作為框架梁與框架柱形成局部單跨框架，且為大跨框架，需同時考慮水平地震作用和豎向地震作用。影院放映廳為人員密集場所，綜合抗震設防類別、設防烈度、結構的特殊性以及結構抗震破壞后果，將該大跨單跨框架井字梁的梁和對應的柱作為關鍵構件，根據《甘肅省地方標準DB62/T25-3055—2011》［13］，按中震不屈服進行復核計算，抗震等級提高一級按特一級進行設計。柱端彎矩增大系數ηc、柱端剪力增大系數ηvc、梁端剪力增大系數ηvb均提高20%，并提高其最小配筋率，但是梁端彎矩和抗彎鋼筋不加大，以體現“強剪弱彎、強柱弱梁，強節點弱構件”的抗震設計原則。

6結論

通過工程實例，對高烈度區大型商業建筑結構設計幾個重要問題進行了探討，并采取了技術措施，可供同類工程設計參考。⑴大型商業建筑在提高抗震設防類別為乙類的同時，根據結構破壞產生后果的嚴重性，應當提高結構安全等級為一級。⑵高烈度地區框架結構通過采用輕型墻材、減少砌體墻，周期折減系數可取0.9，能夠顯著地減小框架結構的地震作用和層間位移角，避免盲目增大梁柱截面。⑶對樓板局部不連續，除按分塊剛性樓板局部指定彈性樓板進行整體計算外，尚應利用有限元軟件對地震作用下樓板的應力進行補充分析，對薄弱部位采取加強措施。⑷影院放映廳抽柱后形成大跨單跨框架井字梁，其梁和柱宜作為關鍵構件進行加強設計。

作者:王佐 陳杰 張運良 楊海龍 單位:重慶新和建筑工程有限公司 中國建筑第二工程局有限公司 西南分公司重慶大學建筑規劃設計研究總院有限公司 重慶浩豐規劃設計集團股份有限公司