昆明巨和齐泰城 (图1) 位于昆明市盘龙区, 用地面积为57 562.77m², 总建筑面积为345 687m², 其中地上建筑面积为253 994m², 地下建筑面积为91 693m²。本项目主要由5栋商住回迁住宅楼 (1#, 2#, 3#, 4#, 5#) 和3栋办公楼 (A栋、B栋、C栋) 及其商业裙房构成。5栋商住回迁住宅楼均为钢筋混凝土结构。商业裙房通过防震缝分为商业1、商业2两部分。商业裙房地下3层, 地下1层层高4.75m, 地下2层层高3.6m, 地下3层层高3.7m;地上5层, 另有2层局部屋面, 屋面最大建筑高度34.6m, 结构高度33.1m, 首层层高6m, 其他层层高5.1m。3栋办公楼的1～5层和裙房连成一体, 形成商业综合体, 3栋办公楼及商业裙房均采用钢结构, 为云南省2013年规模最大的钢结构商业综合体。本文重点介绍商业裙房部分的结构设计。

　　 商业综合体建筑面积57 600m², 商业1和商业2的1～4层为普通商业, 5层为电影城, 总共12个影厅, 可同时容纳1 720人观看电影, 其中IMAX厅可容纳400人。本工程设计有如下难点:1) 分缝后裙房单体建筑平面体型复杂;2) 建筑平面有大开洞, 楼板不连续, 特别是影院层开洞面积较大, 少部分柱不可避免地成为穿层柱;3) 柱网开间较大, 典型柱网为8.1m×16.2m, 最大跨度处达24.3m, 对挠度控制和舒适度要求更加严格;5) 悬挑段为圆弧, 最大悬挑处弧长9.8m, 加大了结构设计难度。

　　 本工程设计使用年限为50年, 商业裙房及3栋办公楼底下5层为重点设防类, 地基基础设计等级为甲级;抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.20g, 设计地震分组为第三组, 场地类别为Ⅲ类。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[1], 本工程特征周期为0.65s, 结构安全等级为一级, 钢框架抗震等级为一级。本工程楼屋面活荷载、风荷载、雪荷载按《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[2]规定取值, 活荷载取3.5kN/m², 风荷载取昆明市50年重现期的基本风压0.30kN/m², 雪荷载取昆明市50年重现期的雪压0.30kN/m²。

　　 本工程的防震缝设置如图3所示, 项目设计时消防审查部门要求在首层商业内部须设有净宽为13.2m的室外通道。结构分缝时沿通道分开, 上部各层通过连廊连接各结构单体;中间圆弧处为商业之间的走道, 走道建筑造型要保持圆环的形状, 此处梁不能拉直, 必须随建筑圆环轮廓做成弧梁, 因此不适宜做成连廊;所以圆环处必须通过双边结构对挑实现走道连通, 两边悬挑长度相差不大, 防震缝设置在圆环中间。即便如此, 此处最大的圆弧悬挑长度也达到了9.8m。其他部位的防震缝沿各栋办公楼边缘设置, 优先保证各栋办公楼的平面规则。这样处理后, 裙房部分的体型不规则程度有所增加。

　　 A栋办公楼采用方钢管混凝土柱+钢框架中心支撑体系, B栋、C栋办公楼采用方钢管混凝土柱+钢框架梁体系;商业裙房部分结构体系采用方钢管混凝土柱+钢梁+钢筋桁架混凝土楼板, 属于《钢管混凝土结构技术规范》 (GB 50936—2014) ^[3]中的框架结构。主要柱截面为□800×800×30～□500×500×14, 采用Q390B级钢材, 钢管内混凝土强度等级为C45;主要框架梁截面为H600×250×12×25和H600×250×12×14, 采用Q390B级钢材。设计方案初期主要结构柱网为8.1m×8.1m, 方案后期业主提出要做成大开间的商业 (图4) 。结合项目实际情况, 工程师在刚度较大的方向隔排抽柱, 将主要结构柱网调整为8.1m×16.2m。抽柱后带来三方面问题:1) 结构的整体刚度减小, 结构的总体参数较难控制。2) 相比混凝土结构, 钢结构较柔, 跨度越大, 梁的挠度就有可能成为钢梁截面的主要控制因素。如钢梁挠度过大, 楼板和隔墙则容易开裂, 影响美观且可能影响舒适度。3) 甲方对结构用钢量有严格要求。针对以上问题, 结构布置时调整了次梁布置, 为了控制挠度, 在16.2m跨的中间拉一道连续梁作为一级次梁 (图4) , 一级次梁与主梁或端柱刚接, 8.1m跨的中间拉一道铰接二级次梁, 最后设计8.1m跨次梁的最大挠度为25mm (25/8 100=1/324<1/250) 。而不采用刚接连续梁时, 经试算同等截面下16.2m跨梁挠度达到44mm。这样的布置方案使得16.2m跨梁挠度得到有效控制, 钢梁截面也较为合理。本工程大跨度梁截面设计成变截面, 次梁设计成组合梁;柱采用方钢管混凝土柱, 设计时优化截面、壁厚, 减少柱用钢量。因商业裙房部分体型不规则、平面体量大, 设计时加强其角部框架和边框架, 控制结构的扭转效应。通过采取以上措施, 本工程用钢量为90kg/m², 远小于业主100kg/m²的限额要求。

　　 商业裙房结构超限类型和程度如下:1) 商业1最大位移比为1.34, 商业2最大位移比为1.38, 均为扭转不规则结构。2) 商业1、商业2第5层均为电影院, 存在大面积开洞;商业2中间有大开洞;两者均为楼板不连续结构。3) 商业1、商业2在电影院层均存在个别穿层柱。4) 消防通道上空圆环处有大悬挑, 最大圆弧悬挑长度达9.8m。

　　 综合以上分析, 本工程为超限高层建筑, 并属于重点设防类建筑, 根据《超限高层建筑工程抗震设计专项审查技术要点》 (建质[2010]109号) 和《云南省建设工程抗震设防管理条例》 (2007年版) 规定, 应进行抗震设防专项审查。

　　 本工程结构抗震性能目标按《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 附录M中性能水准4设计, 不同部位构件的抗震性能目标见表1。

　　 针对超限采取的分析和设计措施如下:

　　 (1) 严格控制框架柱轴压比, 提高柱的延性。本工程柱最大轴压比为0.39, 规范限值为0.7, 距离规范限值有足够的富余, 保证柱在地震作用下有足够的延性。

　　 (2) 对商业大跨楼盖进行舒适度验算, 控制楼盖振动峰值加速度满足规范要求。

　　 (3) 对于电影院屋面层不可避免的穿层柱, 采取了以下措施:1) 概念设计方面:优化结构布置, 减少梁抬柱, 保证结构柱贯通至屋顶, 尽量拉通框架梁, 保证穿层柱的侧向稳定。2) 计算方面:对穿层柱 (图5) 另外建模 (设屋面层的层高为影厅高度, 夹层荷载以节点荷载的形式加载于柱上) 计算复核, 进行包络设计。结果表明, 穿层柱的长细比、强度以及本层的刚度比均满足规范要求, 且有一定的富余。3) 对穿层柱和影院柱进行设防地震复核, 使其达到中震弹性的性能目标要求。

　　 (4) 针对商业2中IMAX电影厅下端的薄弱部位 (图6) 及楼板大开洞情况, 采取了以下加强措施:1) 概念设计方面:对洞口周边区域的楼板加厚, 板厚均为120mm, 提高配筋率至0.25%并双层双向拉通;在大洞口周围设置楼板面内支撑 (图6) , 提高其传递水平力的能力;增大洞口周围框架梁截面。2) 在计算方面:IMAX电影厅下端的薄弱部位单独建模计算复核, 进行包络设计。结果表明, IMAX电影厅下端部分结构构件的长细比、强度均满足规范要求, 且有一定的富余;采用ETABS软件进行中震下楼板应力分析, 计算结果如图7所示。ETABS软件计算的大洞口边的最大应力为3.54MPa, 取1m长度的板带进行楼板应力计算, 可得钢筋面积A_s=590mm², PKPM计算的1m长度的板带的钢筋面积A_s=960mm², 洞口周边区域板的实际配筋比计算结果大, 实际配筋为双层双向ϕ10@150 (1 048mm²) , 保证了洞口周边楼板满足设定的性能目标要求。

　　 (5) 针对商业1、商业2圆环连接处的大悬挑部分 (设计大悬挑主要是为了挑空首层 (图8) , 上面5层的挑梁均由斜腹杆和竖杆相连) , 本次设计采取了以下措施:为了加强挑梁和腹杆的稳定性及抗扭性能, 设计时大悬挑部分选用方钢管;挑梁平面内也设置拉梁, 作为大悬挑桁架的面内腹杆。这样大悬挑部分就变成一个空间桁架, 桁架分为4层, 每层桁架高5.1m, 桁架总高20.4m, 保证了悬挑部分有足够的刚度来满足建筑功能要求。对大悬挑桁架及其相邻梁柱进行了以下计算分析:1) 考虑竖向地震对结构进行中震分析, 计算结果表明, 大悬挑部分以及相邻一跨的梁和柱满足中震弹性的性能目标要求, 保证了其在地震作用下有足够的安全度。2) 选用SAP2000软件复核验算大悬挑桁架及其相邻梁柱的应力比, 并对比SAP2000计算结果和PKPM计算结果, 进行包络设计。3) 大悬挑桁架部分性能目标按中震弹性控制, 对楼盖结构的舒适度也进行了中震作用下的验算。经计算, 中震作用下商业1大悬挑桁架部分楼板的竖向振动频率为8.1Hz;商业2大悬挑桁架部分楼板的竖向振动频率为10Hz。均远大于规范要求的3Hz, 说明大悬挑部分刚度足够大, 满足规范对楼板舒适度的要求。

　　 弹性阶段设计主要采用PKPM系列软件中的SATWE分析, 采用ETABS复核计算;两种软件主要指标计算结果见表2、表3。由表可知, 两种软件的计算结果基本一致, 且均满足规范要求。

　　 商业1、商业2均采用PKPM系列软件中的PUSH&EPDA对结构进行静力弹塑性分析。荷载类型为倒三角形, 基底剪力与结构总重的比值为1, 水平地震影响系数最大值α_max=0.9, 特征周期T_g=0.7s, 弹性状态阻尼比为0.040, 弹塑性状态阻尼比为0.050。商业2倒塌结果验算曲线见图9。计算结果表明, 商业1部分X, Y向性能点处对应的层间位移角分别为1/74, 1/75, 商业2部分X, Y向性能点处对应的层间位移角分别为1/86, 1/90, 较规范限值1/50有较大富余, 表明结构在大震作用下仍有一定的安全储备。

　　 另外, 计算结果表明, 大震作用下, 结构的塑性铰首先出现在框架梁上, 即框架梁首先进入耗能状态, 框架柱未出现塑性铰。说明框架梁是结构耗能的主要构件之一, 整体结构满足“强柱弱梁”要求, 形成了合理的整体型结构屈服机制, 满足抗震设防的要求。

　　 关于钢结构的周期折减系数, 《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[4]和《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 中都没有相关的规定, 而在《高层民用建筑钢结构技术规程》 (JGJ 99—98) ^[5]4.3.6条中规定, 周期折减系数可以取0.9;《高层民用建筑钢结构技术规程》 (JGJ 99—2015) ^[6]中规定, 周期折减系数可以取0.9～1.0。在实际工程设计中, 很多审图人员觉得周期折减系数0.9太大, 应该参考混凝土框架结构的折减系数取值, 要求设计人员重新取值计算的情况也经常出现, 加大了设计人员工作量;对于类似于本工程的大开间结构, 由于采用了轻质墙体, 且用量较少, 填充墙对结构的刚度影响有限, 可以按照《高层民用建筑钢结构技术规程》 (JGJ 99—2015) 规定, 周期折减系数取0.9～1.0, 而不应该要求按《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[7] 4.3.17条对框架结构的规定, 取周期折减系数为0.6～0.7。

　　 现在很多工程中铰接次梁普遍采用组合梁设计;次梁只承受正弯矩和剪力, 上部混凝土板和上翼缘组合受压, 下部钢梁下翼缘受拉, 剪力也可假定全部由钢梁承受;这种受力情况很符合混凝土和钢材两种材料的特性, 也能节省钢结构用钢量, 所以对于铰接次梁应采用组合梁普遍没什么争议。但是对于主梁, 很多人认为由于负弯矩区的混凝土板受拉, 因此不能设计为组合梁。其实, 混凝土板的受拉可以通过在负弯矩区混凝土翼板有效宽度范围内配置纵向受拉钢筋解决。《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) 11.2.1条已有完善的组合梁负弯矩作用区段的计算方法。因此, 在受力明确时, 在负弯矩作用区段配置纵向钢筋且钢筋锚固符合规范要求的情况下, 主梁按组合梁设计也未尝不可。

　　 (1) 本工程为高烈度地区的大型商业综合体, 乙类建筑, 结构体型较为复杂, 存在扭转不规则、楼板不连续、局部不规则 (穿层柱) , 属特别不规则结构。存在大跨度框架、楼板大开洞、穿层柱、大悬挑桁架等设计难点。根据抗震原则和工程特点, 结合概念设计, 采取了一系列措施, 使之达到规范要求, 实现了建筑功能需求, 并且经济性较为满意。

　　 (2) 对关键部位和构件采用了性能化设计, 保证了结构在小震下处于完全弹性, 在中震、大震下满足设定的性能目标。使用多种计算程序对结构进行了弹性、弹塑性分析, 从而保证了结构安全。

　　 (3) 对钢结构设计中常见问题 (周期折减系数取值、组合梁设计) 进行了探讨。建议在只有少量轻质填充墙的情况下周期折减系数可取0.9～1.0;受力明确时, 在负弯矩作用区段配置纵向钢筋且钢筋锚固符合规范要求的情况下, 主梁也可按组合梁设计。