1 工程概况

　　 本项目位于长沙市岳麓区，是集创业、居住、购物、休闲、娱乐为一体的综合性开发项目，项目总用地面积77 491m²,总建筑面积约294 473m²。其中商业建筑分为东商、西商两部分，两者之间的地下结构功能为轨道交通，上部结构为大跨度钢结构连廊。东商、西商的地上2层均有过街连廊，并与本项目住宅、公寓相连。东商地上共六层、地下共四层，地下4层、地下3层层高分别为3.9,4.8m, 地下2层至地上2层层高均为5.6m, 地上3～6层层高均为5.4m, 东商总建筑面积约16万m²,其中地上建筑面积约11万m²。西商地上共六层、地下共两层，地下2层至地上2层层高均为5.6m, 地上3～6层层高均为5.4m, 西商总建筑面积约8万m²,其中地上建筑面积约6万m²,建筑效果如图1所示。

　　 图1 建筑效果图 

　　  

　　 本项目建筑结构安全等级为一级，地基基础设计等级为甲级，建筑抗震设防类别为乙类，地震设防烈度为6度(0.05g) ^[1],场地类别为Ⅱ类，基本风压为0.35kN/m²,基本雪压为0.45kN/m²。基础形式主要为筏板+下柱墩基础，部分区域采用旋挖桩基础，上部结构为框架结构，标准柱网尺寸为8.5m×11.0m, 中庭、影院区域主要梁跨度为20～26m。

　　 本项目跨地铁连廊与西商之间设变形缝(防震缝),结合建筑功能，变形缝位置在跨地铁连廊西侧一跨至两跨的范围内，跨地铁连廊与东商之间不设缝，二者为一个结构单元。结构存在竖向构件不连续、楼板大开洞、大跨度、大悬挑、跨地铁连廊、结构超长、多梁交汇等设计难点，地上3层平面布置见图2。

　　 图2 地上3层结构平面布置图 

　　  

2 结构设计中的关键问题

2.1 竖向构件不连续

　　 图3 中庭区域局部斜柱、转换柱示意图  

　　  

　　 由于建筑需要，中庭每层走廊均不对齐，导致中庭区域洞口边柱竖向不连续，本工程采用斜柱和转换柱解决竖向构件不连续的问题。中庭区域转换柱和斜柱如图3所示。

(1)转换柱

　　 东商在地上3层存在两个转换柱，由于被转换柱荷载较大，根据转换柱间转换梁净跨不同，采用型钢梁转换和钢筋混凝土支撑转换两种方式。

　　 型钢梁转换见图4,转换柱间转换梁净跨5 450mm, 由于荷载很大，转换梁截面尺寸为1 200×1 500时，抗弯承载力仍不满足要求，故在梁中增设型钢，型钢截面为H1 100×500×20×50。为使型钢梁可靠工作，在与其相连的框支柱内设置构造型钢，构造型钢截面为H700×600×20×40,计算时不考虑其作用。

　　 钢筋混凝土支撑转换见图5,转换柱间转换梁净跨为7 300mm, 因荷载较大，转换梁截面尺寸为1 200×1 400时，抗弯承载力仍不满足要求。结合建筑布置，此处增设两根截面为900×900的钢筋混凝土支撑。

　　 图4 型钢梁转换  

　　  

　　 图5 钢筋混凝土支撑转换  

　　  

(2)斜柱

　　 中庭区域洞口边斜柱均向远离洞口方向倾斜，典型部位斜柱如图6所示。取节点隔离体分析可知，与斜柱上端相连的框架梁受压，与斜柱下端相连的框架梁受拉。

　　 图6 典型部位斜柱示意图  

　　  

　　 对斜柱采取如下加强措施，斜柱相邻楼板板厚不小于150mm, 按弹性板计算，配筋不小于双层双向10@200;倾斜角度15°以内的斜柱采用普通钢筋混凝土柱，倾斜角度15°～30°的斜柱采用型钢混凝土柱；与斜柱相连框架梁采用型钢梁或钢筋混凝土梁，当梁受拉时，纵筋采用机械连接；当斜柱倾斜角度大于30°时，柱内设型钢，平衡斜柱的拉力不考虑楼板作用，全部由框架梁承担；与斜柱相连的框架梁受拉时梁顶通长筋面积不小于支座筋的50%,腰筋不小于16@200。

2.2 大跨度与大悬挑结构

　　 根据建筑方案要求，本项目中庭区域不能出现框架柱，因此在中庭区域存在较多的大跨度与大悬挑结构，典型中庭布置见图7。对跨度大于18m或悬挑长度大于5m且计算配筋率大于1.8%的框架梁或柱边悬挑梁采用型钢梁方案，次梁采用预应力梁方案，并复核次梁的挠度及裂缝。采用预应力梁方案时，连续梁支座处预应力矢高为180mm, 梁底矢高为150mm, 预应力筋线型为二次抛物线，悬挑梁预应力筋线型为直线。为保证大跨度与大悬挑结构的安全及舒适度，设计采取了如下措施：

　　 图7 典型中庭布置 

　　  

　　 图8 典型位置变截面梁示意图  

　　  

　　 (1)大跨度梁高跨比不小于1/20,悬挑梁梁高与净挑出长度比不小于1/6,挑梁间距小于梁截面平均宽度8倍时，梁高与挑出长度比适当放宽，但不得小于1/8。为减轻悬挑结构自重并增加走廊净高，大跨度梁与悬挑梁采用变截面梁，如图8所示。

　　 (2)根据《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016) ^[2]规定，本项目型钢梁箍筋直径不小于10mm。悬挑型钢梁中钢骨伸入内跨长度不小于1.2倍悬挑长度，并不小于计算需要长度与钢骨截面高度之和。

　　 (3)悬挑长度大于5.5m的梁，构造设计加腋，腋高300mm, 腋长1 500mm, 柱边、主梁边悬挑梁构造加腋分别如图9,10所示。

　　 图9 柱边悬挑梁构造加腋 

　　  

　　 图10 主梁边悬挑梁构造加腋 

　　  

　　 (4)预应力梁预应力度不宜大于0.7,不应大于0.75,并复核开裂弯矩。

　　 (5)大跨度梁底筋、大悬挑梁面筋实际配筋率较计算放大1.2倍。

　　 (6)钢筋混凝土结构支承扶梯时，振动频率不小于4Hz, 其他区域不小于3.5Hz, 钢梁支撑混凝土楼板区域振动频率也按不小于3.5Hz控制。

　　 东商5层为电影院，5层的北侧中庭洞口需要封闭，楼盖最大跨度为22.5m, 结构采用钢梁加钢筋桁架楼承板，经计算此处为楼板振动舒适度最不利位置，如图11所示，其振动频率为3.55Hz, 满足振动舒适度要求。

　　 图11 5层楼板最不利振动位置示意图 

　　  

2.3 东、西商跨地铁连廊

　　 东、西商间跨地铁连廊采用钢结构桁架方案，桁架最大跨度为60.3m, 与西商设缝脱开，与东商连接成一个整体，钢结构桁架两端为型钢混凝土柱，柱截面尺寸为1 400×1 400,内设方钢骨，钢骨截面尺寸为800×50,跨地铁连廊模型如图12所示。第二榀桁架由于建筑功能需要不能在4层设置竖杆及斜杆，故在2层楼面至4层楼面、5层楼面至屋面层楼面形成了X形桁架，其立面示意如图13所示。

　　 图12 东、西商间跨地铁连廊模型 

　　  

　　 图13 东、西商间跨地铁连廊桁架立面示意 

　　  

　　  

2.4 中庭采光顶设计

　　 中庭采光顶采用钢结构单层网壳，网壳杆件为矩形钢管，截面为□350×120×10×12,最大采光顶跨度为36m, 采光顶网格划分示意见图14。为使采光顶立柱与主体结构可靠连接，在采光顶周边混凝土梁中设置了型钢钢骨。采光顶网壳立柱与主体结构连接如图15所示。

　　

　　 图14 采光顶网格划分示意 

　　  

　　 图15 采光顶与主体结构连接  

 

2.5 控制周期比

　　 东商由于平面不规则，周期比难以满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[3]的要求，经多次试算在平面北侧和东侧楼梯间隔墙处增设混凝土斜撑以增大结构的抗扭刚度，控制结构周期比在0.9以内，与斜撑相连的框架柱按中震弹性设计，并满足大震抗剪不屈服的要求。混凝土斜撑在受拉开裂时刚度退化，其刚度按折减0.5倍考虑。

2.6 多梁交汇节点

　　 由于本项目平面布置复杂，不可避免存在多梁交汇节点。当型钢混凝土柱与多根混凝土梁连接时，在交汇节点处增设环梁，与型钢混凝土柱正交的梁纵筋采用套筒连接或穿孔贯通，斜交方向梁纵筋通过环梁锚固，见图16。本项目屋面层存在6根钢筋混凝土梁与型钢混凝土柱交汇，见图17。即使设置环梁，钢筋锚固和混凝土浇筑也较困难，设计时在顶层将型钢混凝土柱变换为钢管混凝土柱，见图18。6根钢筋混凝土梁端部全部改用短钢梁与钢管混凝土柱连接，6根钢筋混凝土梁纵筋焊接于短钢梁上。

　　 图16 环梁锚固框架梁节点示意图 

　　  

　　 图17 梁柱交汇示意图 

　　 图18 型钢混凝土柱变钢管 混凝土柱示意  

2.7 过街连廊

　　 本项目过街连廊布置如图19所示，采用单跨钢梁方案，一端采用固定支座，一端采用滑动支座，见图20所示。为保证弧度较大的弧形连廊的稳定性，增设了钢拉杆与主体结构竖向构件相连，见图21。

　　 图19 2层过街连廊 布置示意  

　　  

　　 图20 过街连廊端支座 示意图  

　　  

　　 图21 弧形连廊钢拉杆大样  

3 超长结构温度应力

3.1 温度荷载取值

　　 根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[4]及长沙市气象资料，考虑实际施工合拢时间，选取结构后浇带合拢时间是春秋季节，连续五日平均气温不高于15℃。长沙市区统计春秋季节最高气温38℃,最低气温-3℃。季节温差最大降温值ΔT₁=-3-15=-18℃,季节温差最大升温值ΔT₂=38-15=23℃。

(1)混凝土收缩当量温差计算

　　 参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004) ^[5]附录F,混凝土收缩计算公式如下：

　　  

　　  

　　 εcs(t,ts)=εcso⋅βs(t−ts)εcso=εs( fcm)⋅βRHεs(fcm)=[160+10βsc(9−fcm/fcmo)]×10−6βRH=1.55[1−(RH/RH0)3]βs(t−ts)=[(t−ts)/t1350(h/h0)2+(t−ts)/t1]0.5εcs(t,ts)=εcso⋅βs(t-ts)εcso=εs( fcm)⋅βRΗεs(fcm)=[160+10βsc(9-fcm/fcmo)]×10-6βRΗ=1.55[1-(RΗ/RΗ0)3]βs(t-ts)=[(t-ts)/t1350(h/h0)2+(t-ts)/t1]0.5

　　 式中各个字符的含义见《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004) ^[5],混凝土线膨胀系数取1×10^-5,得到各层板混凝土收缩当量温差ΔT₃约为-20℃,其值与《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[4]9.1.3条文相近。

(2)混凝土综合温差计算

　　 由于混凝土收缩应力是一个长期的过程，混凝土的徐变特性对收缩温度应力均有一定的有利作用 ^[6]。根据类似工程经验 ^[7,8],本项目混凝土收缩徐变应力松弛系数ϕ₀取0.3,弹性计算中没有考虑混凝土开裂后刚度下降的影响，在进行温度分析时，可适当降低构件刚度来考虑开裂后刚度下降的影响。本项目结构构件弹性刚度折减系数α取0.85。混凝土综合降温差ΔT_降温=αϕ₀(ΔT₁+ΔT₃),则综合降温差ΔT_降温=-9.7℃;混凝土综合升温差ΔT_升温=αϕ₀ΔT₂,则综合升温差ΔT_升温=5.9℃。

3.2 楼板温度应力分析

　　 一般认为混凝土结构在温降工况下混凝土受拉易开裂，为温度作用下重点考察的工况，温升工况主要影响的是边柱的弯矩和剪力。东商在温降工况下的结构变形如图22所示，从图中可看出结构端部变形大，中间变形小。在温度作用下的楼板应力随着楼层层数增大而递减，这是由于框架结构的刚度较弱，其构件间相对变形能迅速减弱温度应力，温降工况下2层楼板应力云图如图23所示。2层楼板最大应力部位为跨地铁连廊桁架西侧端部型钢混凝土柱附近，由于型钢混凝土柱截面尺寸为1 400×1 400,且桁架的刚度也较大，此处产生了较大的应力集中，最大达4MPa, 桁架东侧型钢混凝土柱附近也产生了应力集中，约为2.4MPa, 温度应力超过混凝土抗拉强度的部位采用加强配筋的方式抵抗应力集中。虽然中庭洞口间的连廊楼板宽度较小，但产生的温度应力并不大，约为0.8～1.3MPa, 小于混凝土的抗拉强度。3层楼板温度应力比2层小得多，主要在跨地铁连廊两侧型钢混凝土柱处产生了应力集中，最大为1.7MPa, 其余部位拉应力均小于混凝土的抗拉强度。

　　  

　　 图22 东商在温降工况下结构变形/mm  

　　 图23 温降工况下2层楼板应力云图/MPa 

　　  

3.3 超长结构的加强措施

　　 本工程针对结构超长采取了如下加强措施：

　　 1)设置伸缩后浇带，释放早期混凝土收缩应力。后浇带间距为40m, 局部考虑施工因素用膨胀加强带代替后浇带。后浇带封闭时间不少于两侧混凝土浇筑后90d, 且后浇带封闭时的连续5日平均气温应在15℃以下。2)梁板采用补偿收缩混凝土，限值膨胀率不低于0.015%,后浇带、膨胀加强带处限制膨胀率不低于0.025%。膨胀剂选用高性能膨胀防水抗裂剂，其施工配合比应通过试验确定。3)楼板采用双层双向配筋，首层楼面双层双向配筋10@170;2～6层楼板面筋配筋为10@200,底筋配筋为8@150;屋面层面筋配筋为10@150,底筋配筋为8@150。虽然中庭区域连廊计算温度应力不大，但偏于安全依然采用双层双向配筋不小于10@150。4)在2层楼面每隔60m设置一道诱导缝。5)采用普通硅酸盐水泥，减小水化热，控制砂的含泥量小于3%,在混凝土中掺入粉煤灰，减小水泥用量。敦促施工单位结合结构及混凝土材料特性制定专项施工方案，施工过程中加强混凝土的养护，覆盖养护时间不少于7d。

4 大震弹塑性时程分析

　　 为确保结构在罕遇地震作用下的抗震性能，采用YJK-EP程序对结构进行了大震弹塑性时程分析。为了解结构在地震波激励下，结构的位移反应以及刚度退化情况 ^[9],对结构顶部某代表节点在大震弹塑性与大震弹性时程响应下的位移曲线进行对比分析，如图24所示，从图中可以看出，结构弹塑性时程曲线与弹性时程曲线出现了分离现象，最大幅值和振动频率均不同步，但弹塑性时程曲线相对弹性时程曲线无明显拉长，结构周期无明显增长，说明结构在地震波激励作用下虽有部分构件累积损伤，但结构整体刚度退化不明显，结构进入非线性状态的程度较低。

　　 东商竖向构件在大震作用下混凝土受压损伤和钢筋受拉损伤分别如图25、图26所示，可以看出混凝土和钢筋损伤程度均较低，最大损伤发生在跨地铁连廊西侧型钢混凝土柱，混凝土受压损伤值约为0.5,钢筋受拉损伤值约为0.3,柱处于基本完好的状态。

　　 图24 大震作用下顶点位移时程响应  

　　  

　　 图25 大震作用下混凝土受压损伤 

　　  

　　 图26 大震作用下钢筋受拉损伤  

　　  

　　 东商在大震作用下X向、Y向的最大层间位移角分别为1/254,1/245,小于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[3]规定的1/50的限值要求，结构整体进入非线性的程度较低，竖向构件处于基本完好的状态，能确保在大震作用下结构的安全。

5 结语

　　 (1)对竖向构件不连续，可采用斜柱或转换柱处理，当斜柱倾斜角度大于15°时可增设型钢保证重要构件的安全度。对抬柱转换也不必拘泥于一种形式，应根据转换梁跨度和被转换柱荷载采用合适的转换方式，跨度、荷载较小时可采用梁式转换，跨度、荷载较大时可采用梁加支撑方式转换。

　　 (2)对大跨度、大悬挑结构可采用型钢梁和预应力梁结合的方式处理，框架部位采用型钢梁，非框架部位采用预应力梁。

　　 (3)在框架结构中楼梯间部位增设普通混凝土支撑可以改善结构的周期比，但必须考虑普通混凝土支撑在往复地震作用下混凝土开裂，受拉刚度退化的影响。

　　 (4)对多梁交汇节点可增设环梁改善节点混凝浇筑质量。对型钢混凝土柱多梁交汇，也可将型钢混凝土柱变成钢管混凝土柱，混凝土梁采用短钢梁与钢管混凝土柱连接。

　　 (5)框架结构在温度作用下底部楼层温度应力较大，上部楼层温度应力迅速减小，根据温度应力计算结构加强应力集中部位的配筋，采取合适的施工措施可有效解决结构超长问题。