大型商业建筑结构设计要点浅析

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摘要：大型商业建筑功能复杂，在高烈度区其结构设计有其特殊性，通过工程实例，对几个重要问题进行了探讨。大型商业建筑提高抗震设防类别为乙类的同时，应当提高结构安全等级为一级；通过采用轻型墙材、减少砌体墙，框架结构周期折减系数取0.9，显著减小结构地震作用和层间位移；对楼板局部不连续，进行整体计算时，按分块刚性楼板，局部指定弹性楼板，并利用有限元软件对地震作用下楼板的应力进行补充分析，对薄弱部位采取加强措施；影院放映厅抽柱后形成大跨单跨框架井字梁，其梁和柱作为关键构件进行了加强设计。

关键词：安全等级；抗震；位移角；周期折减；大跨单跨框架

1工程概况

甘肃某大型商业建筑，总建筑面积13.5万m2，地下2层、地上4层、局部5层，典型层（见图1）平面尺寸135m×165m。主要功能为商业娱乐及配套，地上各层设置环形室内步行街，步行街内不允许设柱，楼板开设很多不规则形状的大洞。采用钢筋混凝土框架结构，框架典型跨度8.4m，最大跨度26m，最大悬挑8m。典型柱截面从地面1000mm×1000mm收到屋面800mm×800mm。典型框架梁截面400mm×800mm，采用单向双次梁布置，次梁250mm×600mm，楼板厚100mm。框架柱最高混凝土强度C45，梁板C30。场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为8度（0.3g），设防类别为乙类，按9度采取抗震措施，框架抗震等级一级，关键构件特一级。设计工作年限为50年，结构安全等级为一级。基础采用旋挖钻孔灌注桩，基础设计等级为甲级。

2结构安全等级

根据《建筑工程抗震设防分类标准：GB50223—2008》［1］，该项目抗震设防类别为乙类，提高一度按9度考虑其抗震措施。但其结构安全等级应该取二级还是一级，工程实践中有不同的认识。如果取一级，结构重要性系数γ0为1.1，对结构的造价影响比较大。《建筑结构可靠性设计统一标准：GB50068—2018》［2］规定，应根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成经济损失、对社会或环境产生影响等的严重性，采用不同的安全等级。对人的生命、经济、社会或环境影响很大时，属于破坏后果很严重，安全等级应按一级。影响较大时，属于破坏后果严重，安全等级按二级。具体什么样的影响属于“很大”，什么样的影响属于“较大”呢？文献［2］没有明确。条文说明里虽然示例了大型公共建筑应划为安全等级一级，但是也没有明确什么样的公共建筑属于“大型”公共建筑。这就导致了在工程实践中，由于认识不同、或由于业主与设计人关注点不同，对此有不同的解读。比如有观点认为，既然已经划为了乙类设防类别，就没必要在结构安全等级上再提高，只有那些具有纪念意义的特殊建筑才有必要提高安全等级为一级。也有建议把设计使用年限与安全等级一一对应［3］。虽然抗震设防类别和结构安全等级的划分都是要考虑结构破坏造成的人员伤亡、经济损失和社会影响的大小，但是二者是两个不同的概念。地震设计状况时抗震构件的承载力极限状态设计表达式为［4］：S≤R/γRE⑴式中：S为包含地震作用效应在内的效应组合设计值；R为结构构件的承载力设计值；γRE为承载力抗震调整系数。持久设计状况和短暂设计状况的所有结构构件的承载力极限状态设计表达式为［5］：γ0S≤R⑵式中：S为不包含地震作用效应的效应组合设计值；R为结构构件的承载力设计值；γ0为结构重要性系数，对安全等级为一级的结构构件不应小于1.1，对安全等级为二级的结构构件不应小于1.0。可见，设防类别的划分只对抗震构件产生影响，包括地震作用和抗震措施两方面。而结构安全等级对所有结构构件的承载力计算产生影响，但是只对非地震作用组合的承载力计算产生影响。比如次梁和楼板，因其属于非抗震构件，不受设防类别划分的影响，但是其承载力计算会受结构安全等级（涉及γ0）的影响。抗震设防类别的划分更侧重于考虑地震的防灾救灾、及地震发生时逃生的难易程度。而结构安全等级的划分主要是考虑在非地震作用时结构破坏后果的严重性。乙类设防类别提高了抗震结构构件的抗震性能，但是并不能保证所有结构构件在非地震作用下承载能力的提高。因此，对于大型公共建筑，即使已经划为了乙类抗震设防类别，也有必要提高结构安全等级为一级。至于大型公共建筑的认定标准，文献［2］没有明确。按照文献［1］，建筑面积1.7万m2以上的商业建筑可认定为大型商业公共建筑。《民用建筑能耗数据采集标准：JGJ/T154—2007》［6］将公共建筑分为中小型公共建筑和大型公共建筑，其中单栋建筑面积大于2万m2的公共建筑为大型公共建筑。根据建设部等部委联合发布的建质［2007］1号文《关于加强大型公共建筑工程建设管理的若干意见》［7］，大型公共建筑一般指建筑面积2万m2以上的办公建筑、商业建筑、旅游建筑、科教文卫建筑、通信建筑以及交通运输用房。因此，可按建筑面积不小于2万m2作为公共建筑是否属于“大型”的认定标准。本项目建筑面积远大于2万m2，其结构安全等级应取一级，重要性系数γ0取1.1。

3框架层间位移角

框架结构自重轻、材料省、抗震性能好，而且由于其布置灵活，更容易满足大型商业建筑复杂多变的空间需求，因而成为本项目结构体系的首选。但是框架结构由于抗侧刚度较小，在高烈度区，地震作用下变形较大，层间位移角不容易满足规范要求。解决此问题有两种思路，一是增大结构刚度，二是减小地震作用。

3.1增大结构刚度

最常见的做法就是利用楼梯、电梯间的隔墙设置少量的剪力墙，形成少墙框架结构。少墙框架结构中虽然剪力墙很少，但是其刚度很大，在地震作用时承担了过多的地震作用，很容易开裂甚至破坏。这种结构体系本质上仍然属于框架结构范畴，其中剪力墙的作用只是在多遇地震作用阶段提高结构抗侧刚度、减小弹性层间位移角。在罕遇地震作用时，剪力墙退出工作，结构刚度和承载力急剧退化。本项目建筑功能是大型商业，抗震设防类别为乙类，不但要求结构在多遇地震作用下具有必要的抗侧刚度和承载力，保持弹性工作状态，而且要求结构在遭受罕遇地震作用时具有很好的延性，抗侧刚度不能急剧退化，避免结构倒塌，确保建筑内大量密集人群的疏散和逃生。基于以上原因，本项目不适合采用少墙框架结构。

3.2减少、减轻墙体材料

高烈度区结构采用减震、隔震技术可以显著地减小地震作用。消能减震装置的布置一定程度上影响到了建筑的美观性和功能性，本项目没有采用减震、隔震技术。结合本项目特点，主要通过减少砌体墙材、采用轻质墙材来达到减小地震作用，减小层间位移角的目的。建筑外周维护主要采用铝板幕墙，内隔墙部分采用轻质砌体墙、部分采用玻璃隔断和铝合金卷帘。

3.3调整周期折减系数

建筑的非承重墙不但增加了建筑的自重导致地震作用增大，还增大了结构抗侧刚度。单自由度体系结构的周期为：可见结构抗侧刚度K越大，自振周期T越小。根据文献［4］地震影响系数曲线，当结构自振周期T大于特征周期Tg时，结构自振周期T越小，地震影响系数越大，即结构刚度越大地震作用越大。文献［8］通过对结构的自振周期进行折减来考虑砌体墙增大结构刚度造成的地震作用增大。影响周期折减系数的因素主要是非结构墙的数量和材料。文献［9］主张应结合非结构构件的数量和以往同类建筑的实测结果合理确定周期折减系数的取值。文献［10］通过对已有建筑的动力实测发现，计算周期大于实测周期，对于填充墙的占比较小（25%以内）时，计算周期与实测周期的相差不大（在10%以内），而对于填充墙的占比较大（50%左右）时，计算周期与实测周期相差较大（20%~45%）。文献［8］规定非承重墙为砌体墙时框架结构的周期折减系数可取0.6~0.7，对于采用其他非承重墙体时，可根据工程情况确定周期折减系数。事实上不同种类的砌体墙其周期折减系数是不同的，文献［11］基于结构动力学基本原理采用刚度等效的方法推算，建议普通混凝土空心砌块填充墙的框架周期折减系数取0.8~0.9。本项目砌体墙较少，部分内隔断为玻璃和卷帘，外周主要是铝板幕墙。砌体墙部分周期折减系数取0.85，玻璃、卷帘和铝板幕墙对结构刚度几乎没有影响。综合考虑到建筑功能灵活多变，实际计算取周期折减系数为0.9，使得周期的折减比较符合本建筑墙体材料的特点，也能确保结构的抗震安全性。通过减少、减轻墙体材料，并调整周期折减系数为0.9，显著地减小了结构的地震作用。多遇地震作用下结构的最大层间位移角从1/428减小到了1/565，满足了规范要求，避免了为满足层间位移角限值而盲目地增大框架梁柱截面。

4楼板局部不连续

本建筑地上各层设置环形室内步行街，步行街楼板开设多个不规则大洞，步行街外侧的环形楼板与步行街内侧的中岛楼板通过多块5m左右宽度的连廊楼板进行连接，有效楼板宽度不足典型宽度的50%，属于楼板局部不连续的平面不规则类型，连廊部位楼板为薄弱连接。

4.1楼板的连接作用

楼板在结构中除了起到承担并传递竖向荷载的作用外，还将结构各竖向构件连接为一个整体，使其协调变形，在竖向构件间传递和分配水平力，形成完整的抗侧力体系。在地震作用下，连廊连接处楼板一旦过早破坏，将使得所连接的主体结构分离成几个小的结构体，结构抗侧刚度和动力特性急剧改变，抗震能力降低，可能导致结构主体的整体性破坏。因此，该薄弱连接部位楼板的抗震设计就显得非常必要且重要。

4.2分块刚性楼板

对完整的楼板，整体计算时楼板可假定为面内刚度无限大的刚性楼板，所有构件在刚性板的协调下统一平移或围绕楼板刚心转动。薄弱连接楼板面内刚度不足，其面内变形不能忽略，难以完全协调两端结构的协同变形。整体计算地震作用时应采用分块刚性楼板模型，将薄弱的连接楼板设置为弹性楼板，考虑其面内实际刚度和变形，更真实地模拟计算结构各部分在地震作用下的反应。

4.3罕遇地震楼板应力分析

一般情况下，对楼板做平面内无限刚的假定而忽略了楼板的平面内应力。对于楼板不连续，应进行楼板地震应力分析，考虑在协调变形、传递和分配水平力时产生的平面内剪力和轴力，并采取相应技术措施。从平面应力问题的角度讨论连接板的抗震设计时，推荐采用主拉应力表达式［12］。利用PMSAP对罕遇地震作用时的楼板应力进行了计算分析，结果如图2所示，连廊楼板大部分位置主应力值较小，在-1.8~1.9MPa之间，小于C30混凝土的抗拉强度标准值（ftk=2.01MPa）。在连廊4个角部很小的区域出现明显的应力集中，最大主压应力3.2MPa，最大主拉应力达到了5.1MPa。说明在罕遇地震下，连廊薄弱连接板除角部很小区域可能会开裂外，其它部位没有开裂，保持了完整性，可以继续履行其连接功能。4.4连廊薄弱连接板加强措施根据连廊薄弱连接板的重要性及计算分析结果，采取以下加强措施：⑴连接板处确保至少有1根框架梁拉通，两侧设置边梁且向内跨延伸，加大拉通框架梁及边梁的上下拉通筋、腰筋；⑵连廊薄弱连接板区域板厚取130mm，双层双向配筋，每层每个方向配筋率不小于0.25%；⑶连廊角部分别设置3根直径12mm的斜向加强筋。

5大跨单跨框架井字梁抗震设计

建筑第5层为影院放映厅，如图3所示，抽掉了中间4根柱，屋顶为框架井字梁楼盖，双向跨度3×8.4=25.2m。4根井字梁作为框架梁与框架柱形成局部单跨框架，且为大跨框架，需同时考虑水平地震作用和竖向地震作用。影院放映厅为人员密集场所，综合抗震设防类别、设防烈度、结构的特殊性以及结构抗震破坏后果，将该大跨单跨框架井字梁的梁和对应的柱作为关键构件，根据《甘肃省地方标准DB62/T25-3055—2011》［13］，按中震不屈服进行复核计算，抗震等级提高一级按特一级进行设计。柱端弯矩增大系数ηc、柱端剪力增大系数ηvc、梁端剪力增大系数ηvb均提高20%，并提高其最小配筋率，但是梁端弯矩和抗弯钢筋不加大，以体现“强剪弱弯、强柱弱梁，强节点弱构件”的抗震设计原则。

6结论

通过工程实例，对高烈度区大型商业建筑结构设计几个重要问题进行了探讨，并采取了技术措施，可供同类工程设计参考。⑴大型商业建筑在提高抗震设防类别为乙类的同时，根据结构破坏产生后果的严重性，应当提高结构安全等级为一级。⑵高烈度地区框架结构通过采用轻型墙材、减少砌体墙，周期折减系数可取0.9，能够显著地减小框架结构的地震作用和层间位移角，避免盲目增大梁柱截面。⑶对楼板局部不连续，除按分块刚性楼板局部指定弹性楼板进行整体计算外，尚应利用有限元软件对地震作用下楼板的应力进行补充分析，对薄弱部位采取加强措施。⑷影院放映厅抽柱后形成大跨单跨框架井字梁，其梁和柱宜作为关键构件进行加强设计。

作者:王佐 陈杰 张运良 杨海龙 单位:重庆新和建筑工程有限公司 中国建筑第二工程局有限公司 西南分公司重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司 重庆浩丰规划设计集团股份有限公司