青岛华润万象城位于青岛市市南区, 总占地面积58 625m², 总建筑面积约489 533m²。项目共包括1个大型购物中心、1栋办公楼和1栋公寓, 如图1所示。整个项目地下室连为一体, 地面以下3层, 带1个夹层;地面以上购物中心为L形平面, 两个塔楼位于L形平面的短边。购物中心地面以上7层, 结构高度为52.5m;写字楼地面以上41层, 结构高度为181.4m;公寓楼地面以上37层, 结构高度为139.19m。

　　 通过结构分缝, 将整个地面以上结构分成2个部分:第1部分为购物中心L形平面的长边, 外包尺寸约为305m×173m, 属超大体型建筑;第2部分为购物中心L形平面的短边和2个塔楼组成的大底盘多塔楼结构, 裙房外包尺寸约为78m×127m。本文主要介绍青岛华润万象城项目第1部分的设计及分析, 即购物中心L形平面的长边, 建筑实景图和剖面图如图2, 3所示。标准层结构平面图如图4所示, 青岛华润万象城典型柱网为9m×11m, 其中中庭区域为大跨度, 跨度主要为18～30m, 局部最大跨度达39m。项目地下部分建筑功能为地下停车库与设备用房, 地上部分建筑功能主要为商场、影院等。

　　 工程结构设计使用年限为50年, 设计基准期为50年, 建筑结构安全等级为二级, 地基基础的设计等级为甲级, 建筑结构防火等级为一级, 抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g^[1], 抗震设防类别为乙类, 设计地震分组为第三组, 建筑场地类别为Ⅱ类, 场地土特征周期为0.35s, 地面的粗糙度类别为C类, 修正后的基本风压为0.6kN/m²。

　　 工程采用带RBS消能墙的钢筋混凝土框架结构体系。结构以9m×11m柱网为基础;中庭及部分区域为了协调地下车库和上方建筑功能、空间对柱网的不同要求, 采取了柱位的局部转换。

　　 地下室底板采用平板结构, 板厚1 000～1 200mm。地下室及地面以上楼盖以普通钢筋混凝土双向交叉次梁楼盖为主;针对跨度较大的区域, 采用跨越能力较强的型钢梁-钢筋混凝土楼板组合楼盖;地下室局部由于货车车道要求, 采用平板-柱托楼盖体系。地面层与东南角室外地坪最低点基本平齐, 可作为结构嵌固端。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2] (简称高规) 对建筑物嵌固的要求, 该层楼板板厚不应小于180mm, 为充分利用楼板的强度, 该层采用框架梁+大板的楼盖形式, 不设次梁, 板厚180～220mm;地面层、1层和2层室外覆土荷载较重的区域, 从防水的角度出发板厚不宜太小, 为了充分利用楼板的强度和刚度, 同时保证框架柱的抗冲切能力, 采用框架梁+大板+柱帽的楼盖形式, 板厚400～600mm, 柱帽高度1 000～1 300mm。

　　 项目的框架柱截面尺寸主要为800×800～1 000×1 000, 框架梁截面尺寸为400×600～800×800 (部分构件端部加腋) , 次梁截面尺寸为 (250～400) ×600。梁、板与地下室侧墙均采用C35混凝土, 框架柱混凝土强度等级由下至上采用C50～C35。

　　 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 (建质[2010]109号) ^[3], 项目的结构超限情况如表1所示。结构为有局部错层的复杂高层建筑, 具有4项不规则类型, 属于超限高层建筑。

　　 工程采取了结构抗震性能化设计, 综合考虑各项因素, 设定结构抗震性能目标为C级, 结构构件在各地震水准下的抗震性能目标见表2。

　　 采用SATWE和ETABS两个软件分别建立结构的计算模型进行对比分析计算, 考虑偶然偏心作用, 周期折减系数0.8, 活荷载折减系数0.5, 结构阻尼比0.05。

　　 两个软件的计算结果基本一致, 结构第1阶扭转周期与第1阶平动周期之比为2.058/2.326=0.885 (SATWE) , 2.230/2.522=0.884 (ETABS) ;水平力作用下的层间位移角的最大值为1/615 (SATWE) 和1/605 (ETABS) ;剪重比最小值为1.39% (SATWE) 和1.30% (ETABS) , 均大于0.8%, 满足《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[1] (简称抗规) 第5.2.5条要求;在考虑偶然偏心地震作用下, SATWE软件按规定水平力法计算得出的最大扭转位移比为1.49, 属于扭转不规则结构;普通框架柱轴压比均小于0.75, 错层框架柱轴压比均小于0.70, 满足抗规第6.3.6条对轴压比的规定;各楼层侧移刚度均大于上一层的70%或上三层平均侧移刚度的80%;各层受剪承载力均不小于上一层的80%, 不存在楼层承载力突变。

　　 选用SATWE软件对结构进行地震作用下的弹性时程补充分析。时程分析选取Ⅱ类场地上2组实际强震记录 (TH3TG045波和S202波) 以及1组人工模拟的场地波 (RH4TG045波) , 地震波主方向的加速度峰值均调幅至0.18m/s², 主方向与次方向加速度峰值之比为1∶0.85。小震弹性时程分析的结构楼层剪力和层间位移角分布分别如图5, 6所示。

　　 弹性时程分析结论:1) 时程分析结果满足平均底部剪力不小于振型分解反应谱法 (CQC法) 结果的80%, 每条地震波作用下结构底部剪力不小于CQC法结果的65%, 所选地震波满足抗规第5.1.2条要求。2) CQC法计算得出的X向楼层剪力和倾覆力矩大于3条地震波计算结果的包络值;在结构中上部楼层, 3条地震波计算所得的Y向楼层剪力和倾覆力矩包络值大于CQC法计算结果, 最大比值为1.13, 在结构设计时, 对Y向CQC法地震作用适当放大, 放大系数介于1～1.15之间。3) 各条层间位移角曲线形状相似, 曲线较为光滑, 表明结构侧向刚度较为均匀。

　　 采用SATWE软件进行中震及大震作用下的构件强度复核。由于工程高度较小, 结构设计主要由地震效应控制, 在中震作用下, X向基底总剪力为80 114kN, 剪重比2.37%, 为小震剪重比的1.56倍;Y向基底总剪力为74 640kN, 剪重比2.21%, 为小震剪重比的1.59倍。大震作用下, X向基底总剪力为197 099kN, 剪重比5.83%, 为小震剪重比的4.19倍;Y向基底总剪力为183 484kN, 剪重比5.43%, 为小震剪重比的3.91倍;大震作用下, X向最大层间位移角为1/160, Y向最大层间位移角为1/127, 均远小于规范限值1/50。

　　 验算结果表明, 中震及大震作用下各类构件的性能均满足相应抗震性能目标要求。

　　 由于结构体系复杂, 工程在框架结构中采用RBS消能墙技术^[4]作为“抗震二道防线”来进一步改善结构抗震性能, 提高结构安全度, 形成带消能墙的框架结构体系。RBS消能墙在结构中的布置如图7所示。RBS消能墙是在传统钢筋混凝土剪力墙的中部嵌入RBS消能键构造而成, 如图8, 9所示。剪力墙上、下端分别与上层框架梁及本层框架梁同时施工浇筑形成, 并紧密连接, 两侧与框架柱脱开, 中间的RBS消能键待主体结构施工完成后方可进行安装, 并与混凝土墙体的上、下端以螺栓连接。

　　 图7 RBS消能墙结构布置示意图

　　 以青岛华润万象城为工程背景, 根据原型框架结构及带RBS消能墙框架结构, 采用C30混凝土按相似关系1∶4制作了6层框架结构试验模型 (图10) , 进行了振动台试验, 详细内容见文献[4]。试验模型每层布置4个RBS消能墙, 消能墙的屈服剪力为200kN。并采用ABAQUS软件对原型结构和带RBS消能墙框架结构进行了双向地震输入的大震弹塑性时程分析^[4]。

　　 结果表明:1) RBS消能墙具有良好的滞回耗能性, 且造价经济合理, 与结构主体构件的连接方便。2) 带RBS消能墙的框架结构的各层层间位移角比纯框架结构减小约10%～35%。3) RBS消能墙的设置并未增加整体结构受到的地震作用, 且由于RBS消能墙的耗能作用, 整体结构的地震反力反而有所降低。4) 纯框架结构在7度大震作用下的梁柱损伤程度和损伤范围均较大, 且个别位置还产生了局部框架垮塌;采用带RBS消能墙的框架结构, 梁柱的损伤程度和范围大幅度减小, 并且未出现局部框架的垮塌现象。综上所述, 在带RBS消能墙的框架结构中, RBS消能墙在地震作用下率先屈服, 并且通过良好的滞回性能耗散地震能量, 保护主承重构件不受损坏, 实现了“抗震二道防线”;并使结构在大震下的抗震性能比设计预期有明显提高, RBS消能墙在大震下耗散的能量与结构构件塑性耗能基本相当, 且略大于地震输入总能量的20%, 说明其布置较为经济合理。

　　 工程的L形长边外包尺寸约为305m×173m, 305m长度内未设结构缝, 属于超长结构, 应计算温度应力作用的影响。采用SAP2000软件进行模拟分析, 模型包括3层地下室及其外墙, 但不考虑侧向土压力和水压力对地下室外墙的约束作用, 楼板采用膜单元模拟, 模型嵌固在基础底板, 计算模型如图11所示。结构整体在负温差作用下, 梁板构件产生收缩变形, 而结构的竖向构件对梁板水平构件形成水平约束, 使梁板水平构件产生较大的拉力, 同时竖向构件受到相应的水平剪力作用。结构整体在正温差作用下, 梁板水平构件主要产生压应力。由于混凝土构件的抗压性能远远优于其抗拉性能, 故主要考虑负温差作用, 根据已有资料统计分析得到, 该项目地上部分最大负温差为-27.9℃, 地下部分最大负温差为-6.30℃。

　　 研究结果表明, 地下2层楼板中部的最大拉应力为4.62MPa, 楼板开洞周围和楼板角部由于应力集中, 最大拉应力达8MPa, 地下2层楼板采用双层双向配筋可抵抗负温差和混凝土收缩产生的拉应力。地下2层夹层楼板中部的最大拉应力为3.23MPa, 采用双层双向配筋可抵抗负温差和混凝土收缩产生的拉应力。地下1层和地面层楼板中部的最大拉应力为4.62MPa, 采用双层双向配筋可抵抗负温差和混凝土收缩产生的拉应力。

　　 由于地上结构的负温差较大, 且地面层夹层楼板受到框架柱的约束作用较大, 如果该层楼板不分缝, 楼板中部最大拉应力达6.77MPa, 采用增加配筋抵抗拉应力代价较大, 因此考虑采用悬挑分缝的方式将该层划分为3个区域, 分缝后楼板中部的最大拉应力为4.15MPa, 采用双层双向配筋可抵抗负温差和混凝土收缩产生的拉应力。1层楼板中部的最大拉应力为3.1MPa, 采用双层双向配筋可抵抗负温差和混凝土收缩产生的拉应力。2层以上由于楼板受到框架柱的约束作用较小, 楼板承受的拉应力较小, 2层楼板最大拉应力为0.77MPa, 2层以上楼板最大拉应力为0.46MPa, 采用双层双向配筋即可抵抗负温差和混凝土收缩产生的拉应力。

　　 选取舒适度最不利的1层大中庭及4层竖向自振频率较低的各点, 参照高规附录A进行竖向振动加速度分析。计算时对于楼盖阻抗有效质量的分布宽度B, 按B=CL (高规公式 (A.0.3-2) ) 进行计算, 其中L为梁跨度;C为垂直于梁跨度方向的楼盖受弯连续性影响系数, 对边梁取1, 对中间梁取2。

　　 图12, 13分别为1层大中庭和4层各主要振动点的自振频率分布, 楼盖自振频率介于1.5～4Hz间。

　　 按高规公式 (A.0.2-1) 计算的各区域竖向振动加速度如表3所示, 计算结果表明, 各点竖向振动加速度小于高规第3.7.7条所规定的限值, 满足楼盖竖向舒适度的要求。

　　 青岛华润万象城SEGA主题乐园位于青岛华润万象城4, 5层的北部, 主题乐园中设置有室内过山车, 过山车的轨道固定于楼盖结构梁上, 如图14所示, 过山车通过轨道时, 结构梁受到过山车的动力荷载会随着过山车的运动不停地发生改变。通过有限元模拟对过山车通过时楼盖的加速度进行了分析。

　　 取楼盖边缘位置及过山车支座立柱位置为观测点, 计算这些点在过山车通过过程中的最大加速度值, 经过计算发现楼盖最边缘点的竖向加速度值最大为0.09m/s², 小于高规第3.7.7条所规定的限值0.15m/s², 满足规范要求。

　　 项目场地抗浮设计水头从西至东为29～17m, 水头较高, 结构整体抗浮不满足设计要求, 需采取相应的抗浮措施。根据以往工程经验并结合工程场地情况, 初步设计时做了以下三种抗浮设计方案。

　　 方案一 (全抗方案) :因地下室底板标高处岩层大部分为微风化或中风化花岗岩, 采用底板满打锚杆的形式抗浮, 完全用“抗”的方式压住地下水。通过计算, 因水头高, 该方案锚杆若用常规的HRB400或HRB500, 锚杆间距需做到1.5m, 并且单根锚杆的钢筋面积还需大于3根直径32mm的钢筋, 钢筋用量多且不经济;若采取预应力锚杆, 根据《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) ^[5]要求, 预应力锚杆自由段需≥5m, 岩石的摩阻力得不到充分利用, 锚杆长度过长也不经济。针对上述情况, 设计了一种全新的锚杆——免张拉全粘结高强精制螺纹钢锚杆 (图15) , 锚杆体采用1080级精制预应力螺纹钢筋, 长度约6m, 锚杆间距1.8m。能充分利用钢筋的强度和岩石的摩阻力, 施工与一般全粘结锚杆相同。该方案优点是对周边地下水文环境无影响;缺点是施工工期较长, 造价较高。

　　 方案二 (全疏方案) :场地四周及防水板下设置排水管沟, 并设竖向检修井, 如图16所示。完全用“疏”的方式降低地下水。该方案优点是地下室底板无需考虑抗浮设计, 降低了土建造价, 并可大大缩短施工工期;缺点是对周边地下水文环境影响较大, 极端暴雨天存在排水不及时、地下车库灌水的可能, 影响使用, 且后期维护成本较高。

　　 方案三 (半抗半疏方案) :根据场地地形及室外地坪, 在场地西侧地面层以上设置永久支护, 永久支护下设排水管沟, 通过水力坡度将地下水汇集至东南角最低处并排入市政管网 (图17) ;地下室底板下设抗浮锚杆, 以抵抗永久支护以下的地下水作用。

　　 通过多次专家论证会研究, 最终选择了方案三。方案三既通过自然疏导的方式降低了地下水位, 又通过设置锚杆满足结构的抗浮设计, 将“抗”与“疏”相结合, 有效地解决了抗浮水头较高带来的设计问题。采用该设计方案, 场区地下水位依据场地周边地形, 按照水力梯度细分, 最终施工图设计时采用的抗浮水位如图18所示。

　　 在图18所示不同抗浮设计水位下, 采用4■32的锚筋, 从而保证锚杆根数最少, 且为最大化利用锚杆钢筋强度和岩石摩阻力, 通过反复计算锚杆杆体摩擦力和钢筋面积A_s, 得到不同抗浮水位下的锚杆间距。因锚杆钢筋根数超过3根, 为安全起见, 在现场做了4组4根钢筋的锚杆试验。试验结果表明4根钢筋锚杆的工作状态良好, 在实际工程中应用是可行的。

　　 基础抗浮方案对工程造价和进度影响较大, 应进行多方案比较, 以实现较好的效益。提出的免张拉全粘结高强精制螺纹钢锚杆能充分利用钢筋的强度和岩石的摩阻力, 今后可在抗浮水头较高的工程中加以利用。

　　 青岛华润万象城虽然结构非常复杂, 具有扭转不规则、楼板局部不连续、竖向不规则、抗侧力构件不连续、结构超长等特点, 但是经过详细全面的小震弹性计算、小震弹性时程分析、中震及大震验算, 并对结构的温度应力作用、抗浮及舒适度进行了计算研究, 还进行了二道防线设计, 结构各项指标能较好满足规范的相关要求, 最终实现了结构安全可行的设计目标。工程于2013年开始建设, 于2015年4月投入使用, 工程使用和运营状况良好。