天山海世界改扩建工程结构设计

摘　要　天山海世界改扩建工程为不规则的复杂体型高层建筑。系统介绍了该工程结构体系的特点、抗震性能化设计原则、整体弹性计算结果、罕遇地震作用下的静力弹塑性分析结果及针对不规则情况所采取的抗震措施。

关键词　高层结构；体形复杂；抗震性能化设计

1　工程概况

天山海世界改扩建工程总面积约7万m2。地下2层，地上4～7层不等。地上分A区、B区、C区，各区之间通过楼梯、连廊连接为一体。顶部采用了钢结构采光带将各区连为一体。A区地上5层局部7层，B区地上4层局部5层，C区地上6层。地上部分主要建筑功能包括溜冰场、餐厅、电玩城、电影院等，地下1层设有美食广场及水上项目服务用房。地下2层为车库及设备用房，建筑主体长135m，宽82m，屋面为波浪形不规则面，5～7层屋面高度分别约为28m，34m，40m，局部屋顶高度达51m。各部位层高4.8m，5.4m，7m，8m不等。立面效果见图1，平面分区示意见图2，典型建筑平面图见图3。

图1 立面效果图

图2 平面分区示意图

图3 建筑平面图

2　地基基础设计

2.1　工程地质概况

勘察结果表明，场地主要地层为第四系全新统至晚更新统。依其岩性及物理力学性质分为11层，地层特征自上而下分述见表1。场地地形基本平坦，最大相对高差约0.3m。本场地地貌单元属于滹沱河冲积平原。各孔口标高均为相对标高。

表1 土层分布情况

勘察未见地下水，据调查：场地地下水类型为潜水类型，潜水水位埋深大于55.00m，对于基础及工程无不良影响。本工程可不考虑地下水对混凝土的腐蚀性。标准冻结深度为0.60m。本场地地貌单一，地形平坦，地基土成因类型为第四系冲洪积物，地层变化较小。从区域地质构造资料分析，该场地及其附近没有新构造活动迹象，故本场地属稳定场地，适宜本工程建设。

钻孔声波测试本场地土属于中软土。结合本场区地震测试有关资料，场地覆盖层厚度大于50m，故该场地类别为Ⅲ类。本场地不属于抗震有利地段，也不属于不利和危险地段，本场地应视为可进行工程建设的一般场地。场地特征周期0.45s。

2.2　地基基础设计

本工程基底标高－10.200m，基础边缘与一期工程外墙仅相差2.5m，一期工程基础为埋深约2.5m的独立基础。为避免对一期工程的影响，在基槽开挖之前在一期工程基础以外打好护坡桩。本工程采用天然地基上的筏板基础，筏板厚800mm，在柱荷载较大处设置了下柱墩，基础计算时考虑上部结构刚度的有利影响，使基础方案更加经济、合理。

因上部各区层高不同且地下室范围超出主体，在各区之间及主体周围设置了沉降后浇带，在地下部分增加了温度后浇带。基础布置图见图4。

图4 基础布置图

3　结构设计

3.1　结构设计基本概况

本工程结构设计基准期为50年，设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类，地基基础设计等级为甲级。

地震设防烈度：7度，设计基本地震加速度为0.10g。建筑场地类别：Ⅲ类场地，第一组；多遇地震影响系数最大值0.08，罕遇地震影响系数最大值0.50；建筑场地特征周期0.45s。

基本风压值为0.40kN／m2（100年一遇），地面粗糙度为C类。

楼面主要活荷载标准值：办公室取2.0kN／m2；溜冰场取5.0kN／m2；电影院、电玩城、网吧取3.5kN／m2；餐厅取2.5kN／m2；厨房取4.0kN／m2；走廊、门厅取2.5kN／m2；零售、美食广场取3.5kN／m2；设备机房、电梯机房取7.0kN／m2；地下车库取4.0kN／m2。

3.2　结构体系

图5为三层结构布置平面图。

图5 三层结构布置平面图

结构体系采用框架结构，建筑平面不规则，平面每个区之间连接薄弱，楼板不连续，多处楼板有效宽度小于该层楼板典型宽度的50%，多层楼板开洞面积大于30%，最大楼层达45%。部分竖向受力构件不连续，五层B区与A区间，采用转换大梁托起升至屋顶的柱子，因梁两端楼面标高不一致故采用折梁形式。

与一期工程相邻处，上部结构较地下部分突出2.5m，而建筑功能不允许地下室外墙处柱子升出地面，为避免上部结构每层在此形成5.5m的大悬挑，采用了斜框架柱，见图6所示。

图6 剖面图

楼板开大洞削弱处尚采取：提高楼板的配筋率；采用双层双向配筋；洞口边设置边梁；在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋；相邻构件提高抗震等级，增加连接构件的延性等加强措施，并保证大洞口两侧楼板任一方向的净宽不小于5m。

大洞口间连接体梁柱按中震不屈服设计，考虑地震时各部分位移不均匀对该处梁产生的拉力，并加大此处梁柱的体积配箍率，确保其大震时的延性。

因局部柱截面较大形成短柱，对其采取加大体积配箍率，减小轴压比等措施。对穿层柱采取加大截面，加强配筋等措施，确保其延性。

3.3　主要构件断面

采用直径700～900mm的钢筋混凝土柱，框架梁截面尺寸一般为400mm×750mm，次梁截面尺寸一般采用300mm×600mm井字梁布置。

框架柱的混凝土强度等级由C60沿竖向分三次变化至C40，与构件截面变化相协调，使结构竖向刚度均匀、连续无突变。

3.4　结构计算分析

3.4.1　抗震性能目标

鉴于本工程的复杂性，故按基于性能的设计方法考虑，采用空间结构分析软件进行计算分析，以保证结构可以达到预定的抗震性能目标。对各结构构件进行充分的研究以对结构的整体性能得出定性的结论。

针对不同水平地震作用，提出相应的设计性能指标。将这些指标作为设计的目标，代表了结构在相关地震设计等级下的预期抗震性能（表2）。

表2 设计性能指标

3.4.2　计算结果分析

结构计算分析方面，由于结构局部楼板连接薄弱，故结构分析按整体、分体两种情况进行，分体计算时将结构分为三部分，分体名称及位置见图2。

电算程序采用中国建筑科学研究院编制的2009年版《多层及高层建筑结构三维分析与设计软件》SATWE及《复杂多、高层建筑结构分析与设计软件》PMSAP及北京迈达斯技术有限公司编制的结构设计软件MIDAS进行上部结构计算。

分别采用振型分解反应谱法和时程分析法计算结构响应，各振型贡献按CQC组合。分别采用弹性楼板、刚性楼板假定进行整体分析，以考虑楼板刚度变化较大对水平力分配的影响。反映谱法计算结果表明，工程设计符合多遇地震下弹性荷载要求。地震作用下的层间位移角及位移比满足规范要求。

弹性时程分析所取地面运动最大加速度为35gal，选取1条人工波、2条天然波进行地震加速度时程分析，见图7。

图7 波形图

现将CQC法计算结果、时程法计算所得3条地震波的计算结果及3条波计算结果的平均值列于图8至图11。计算结果表明，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，3条时程曲线计算所得结构底部剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。时程法计算结果与反映谱法计算结果基本吻合，且略小于反应谱法计算结果，符合设计标准的有关要求。

图8 整体结构楼层剪力曲线对比

图9 A区楼层剪力曲线对比

图10 B区楼层剪力曲线对比

图11 C区楼层剪力曲线对比

3.4.3　弹塑性静力分析

推覆分析沿着相互垂直的X及Y方向分两次进行，每个方向的加载过程分两大步，第一步先施加竖向的静力荷载，第二步是施加侧推荷载。静力荷载和侧推荷载均采用step－by－step的非线性分析。对于侧推荷载，程序只提供了倒三角形和矩形两种荷载类型，本次分析采用了倒三角形荷载形式。构件配筋直接读取SATWE的分析配筋结果。材料的强度选取标准值。杆件铰的判别条件为截面刚度退化为初始截面刚度的20%时认为出现塑性铰。常遇地震的地震影响系数取0.08，Tg＝0.45s；罕遇地震的地震影响系数取0.5。罕遇地震下验算结果见图12、图13。

在多遇地震作用下，结构的最大层间位移角为1／1000，符合高层规范框架结构最大位移与层高之比小于1／550的规定，可以认为结构在此时没有破坏。

在罕遇地震作用下，结构的最大层间位移角X向为1／159，Y向为1／193，符合高层规范结构层间弹塑性位移角小于1／50的规定。此时结构的框架梁出现较大量的塑性铰，但是多数柱子未出现塑性铰，损坏不严重，结构不会倒塌。

图12 X向罕遇地震下验算结果

图13 Y向罕遇地震下验算结果

4　结 语

本工程属于体型不规则的高层建筑。由于结构设计中采取了较为合理的结构布置，并对结构的薄弱处采取了有效的构造措施，从而减小了体型不规则带来的不利影响，使得结构仍具有较好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。

各程序的计算结果基本规律一致，局部计算结果在数值上存在一定的差异，但变化幅度均在工程设计可接受的范围内。

从计算结果分析，各项抗震指标均控制在规范限值以内，设计合理，建筑物安全可靠。