王 佐，陳 杰，張運(yùn)良，楊海龍

（1、重慶新和建筑工程有限公司 重慶 401120；2、中國建筑第二工程局有限公司西南分公司 重慶 401120；3、重慶大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 重慶 400030；4、重慶浩豐規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 重慶 401120）

1 工程概況

甘肅某大型商業(yè)建筑，總建筑面積13.5 萬m2，地下2 層、地上4 層、局部5 層，典型層（見圖1）平面尺寸135 m×165 m。主要功能為商業(yè)娛樂及配套，地上各層設(shè)置環(huán)形室內(nèi)步行街，步行街內(nèi)不允許設(shè)柱，樓板開設(shè)很多不規(guī)則形狀的大洞。采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架典型跨度8.4 m，最大跨度26 m，最大懸挑8 m。典型柱截面從地面1 000 mm×1 000 mm收到屋面800 mm×800 mm。典型框架梁截面400 mm×800 mm，采用單向雙次梁布置，次梁250 mm×600 mm，樓板厚100 mm?？蚣苤罡呋炷翉?qiáng)度C45，梁板C30。場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為8 度（0.3g），設(shè)防類別為乙類，按9度采取抗震措施，框架抗震等級一級，關(guān)鍵構(gòu)件特一級。設(shè)計(jì)工作年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級?；A(chǔ)采用旋挖鉆孔灌注樁，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級。

圖1 1層頂結(jié)構(gòu)平面布置Fig.1 First Floor Top Structure Layout Plan

2 結(jié)構(gòu)安全等級

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)：GB 50223—2008》［1］，該項(xiàng)目抗震設(shè)防類別為乙類，提高一度按9度考慮其抗震措施。但其結(jié)構(gòu)安全等級應(yīng)該取二級還是一級，工程實(shí)踐中有不同的認(rèn)識。如果取一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.1，對結(jié)構(gòu)的造價(jià)影響比較大?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：GB 50068—2018》［2］規(guī)定，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果，即危及人的生命、造成經(jīng)濟(jì)損失、對社會或環(huán)境產(chǎn)生影響等的嚴(yán)重性，采用不同的安全等級。對人的生命、經(jīng)濟(jì)、社會或環(huán)境影響很大時(shí)，屬于破壞后果很嚴(yán)重，安全等級應(yīng)按一級。影響較大時(shí)，屬于破壞后果嚴(yán)重，安全等級按二級。具體什么樣的影響屬于“很大”，什么樣的影響屬于“較大”呢？文獻(xiàn)［2］沒有明確。條文說明里雖然示例了大型公共建筑應(yīng)劃為安全等級一級，但是也沒有明確什么樣的公共建筑屬于“大型”公共建筑。這就導(dǎo)致了在工程實(shí)踐中，由于認(rèn)識不同、或由于業(yè)主與設(shè)計(jì)人關(guān)注點(diǎn)不同，對此有不同的解讀。比如有觀點(diǎn)認(rèn)為，既然已經(jīng)劃為了乙類設(shè)防類別，就沒必要在結(jié)構(gòu)安全等級上再提高，只有那些具有紀(jì)念意義的特殊建筑才有必要提高安全等級為一級。也有建議把設(shè)計(jì)使用年限與安全等級一一對應(yīng)［3］。

雖然抗震設(shè)防類別和結(jié)構(gòu)安全等級的劃分都是要考慮結(jié)構(gòu)破壞造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和社會影響的大小，但是二者是兩個(gè)不同的概念。地震設(shè)計(jì)狀況時(shí)抗震構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為［4］：

式中：S為包含地震作用效應(yīng)在內(nèi)的效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

持久設(shè)計(jì)狀況和短暫設(shè)計(jì)狀況的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為［5］：

式中：S為不包含地震作用效應(yīng)的效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對安全等級為一級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.1，對安全等級為二級的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不應(yīng)小于1.0。

可見，設(shè)防類別的劃分只對抗震構(gòu)件產(chǎn)生影響，包括地震作用和抗震措施兩方面。而結(jié)構(gòu)安全等級對所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力計(jì)算產(chǎn)生影響，但是只對非地震作用組合的承載力計(jì)算產(chǎn)生影響。比如次梁和樓板，因其屬于非抗震構(gòu)件，不受設(shè)防類別劃分的影響，但是其承載力計(jì)算會受結(jié)構(gòu)安全等級（涉及γ0）的影響?？拐鹪O(shè)防類別的劃分更側(cè)重于考慮地震的防災(zāi)救災(zāi)、及地震發(fā)生時(shí)逃生的難易程度。而結(jié)構(gòu)安全等級的劃分主要是考慮在非地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)破壞后果的嚴(yán)重性。乙類設(shè)防類別提高了抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能，但是并不能保證所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件在非地震作用下承載能力的提高。因此，對于大型公共建筑，即使已經(jīng)劃為了乙類抗震設(shè)防類別，也有必要提高結(jié)構(gòu)安全等級為一級。

至于大型公共建筑的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)［2］沒有明確。按照文獻(xiàn)［1］，建筑面積1.7萬m2以上的商業(yè)建筑可認(rèn)定為大型商業(yè)公共建筑?！睹裼媒ㄖ芎臄?shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 154—2007》［6］將公共建筑分為中小型公共建筑和大型公共建筑，其中單棟建筑面積大于2 萬m2的公共建筑為大型公共建筑。根據(jù)建設(shè)部等部委聯(lián)合發(fā)布的建質(zhì)［2007］1 號文《關(guān)于加強(qiáng)大型公共建筑工程建設(shè)管理的若干意見》［7］，大型公共建筑一般指建筑面積2 萬m2以上的辦公建筑、商業(yè)建筑、旅游建筑、科教文衛(wèi)建筑、通信建筑以及交通運(yùn)輸用房。因此，可按建筑面積不小于2 萬m2作為公共建筑是否屬于“大型”的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目建筑面積遠(yuǎn)大于2 萬m2，其結(jié)構(gòu)安全等級應(yīng)取一級，重要性系數(shù)γ0取1.1。

3 框架層間位移角

框架結(jié)構(gòu)自重輕、材料省、抗震性能好，而且由于其布置靈活，更容易滿足大型商業(yè)建筑復(fù)雜多變的空間需求，因而成為本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系的首選。但是框架結(jié)構(gòu)由于抗側(cè)剛度較小，在高烈度區(qū)，地震作用下變形較大，層間位移角不容易滿足規(guī)范要求。解決此問題有兩種思路，一是增大結(jié)構(gòu)剛度，二是減小地震作用。

3.1 增大結(jié)構(gòu)剛度

最常見的做法就是利用樓梯、電梯間的隔墻設(shè)置少量的剪力墻，形成少墻框架結(jié)構(gòu)。少墻框架結(jié)構(gòu)中雖然剪力墻很少，但是其剛度很大，在地震作用時(shí)承擔(dān)了過多的地震作用，很容易開裂甚至破壞。這種結(jié)構(gòu)體系本質(zhì)上仍然屬于框架結(jié)構(gòu)范疇，其中剪力墻的作用只是在多遇地震作用階段提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、減小彈性層間位移角。在罕遇地震作用時(shí)，剪力墻退出工作，結(jié)構(gòu)剛度和承載力急劇退化。本項(xiàng)目建筑功能是大型商業(yè)，抗震設(shè)防類別為乙類，不但要求結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下具有必要的抗側(cè)剛度和承載力，保持彈性工作狀態(tài)，而且要求結(jié)構(gòu)在遭受罕遇地震作用時(shí)具有很好的延性，抗側(cè)剛度不能急劇退化，避免結(jié)構(gòu)倒塌，確保建筑內(nèi)大量密集人群的疏散和逃生?；谝陨显?，本項(xiàng)目不適合采用少墻框架結(jié)構(gòu)。

3.2 減少、減輕墻體材料

高烈度區(qū)結(jié)構(gòu)采用減震、隔震技術(shù)可以顯著地減小地震作用。消能減震裝置的布置一定程度上影響到了建筑的美觀性和功能性，本項(xiàng)目沒有采用減震、隔震技術(shù)。結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，主要通過減少砌體墻材、采用輕質(zhì)墻材來達(dá)到減小地震作用，減小層間位移角的目的。建筑外周維護(hù)主要采用鋁板幕墻，內(nèi)隔墻部分采用輕質(zhì)砌體墻、部分采用玻璃隔斷和鋁合金卷簾。

3.3 調(diào)整周期折減系數(shù)

建筑的非承重墻不但增加了建筑的自重導(dǎo)致地震作用增大，還增大了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。單自由度體系結(jié)構(gòu)的周期為：

可見結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度K越大，自振周期T越小。根據(jù)文獻(xiàn)［4］地震影響系數(shù)曲線，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期T大于特征周期Tg時(shí)，結(jié)構(gòu)自振周期T越小，地震影響系數(shù)越大，即結(jié)構(gòu)剛度越大地震作用越大。文獻(xiàn)［8］通過對結(jié)構(gòu)的自振周期進(jìn)行折減來考慮砌體墻增大結(jié)構(gòu)剛度造成的地震作用增大。影響周期折減系數(shù)的因素主要是非結(jié)構(gòu)墻的數(shù)量和材料。

文獻(xiàn)［9］主張應(yīng)結(jié)合非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的數(shù)量和以往同類建筑的實(shí)測結(jié)果合理確定周期折減系數(shù)的取值。文獻(xiàn)［10］通過對已有建筑的動(dòng)力實(shí)測發(fā)現(xiàn)，計(jì)算周期大于實(shí)測周期，對于填充墻的占比較小（25%以內(nèi)）時(shí)，計(jì)算周期與實(shí)測周期的相差不大（在10%以內(nèi)），而對于填充墻的占比較大（50%左右）時(shí)，計(jì)算周期與實(shí)測周期相差較大（20%～45%）。

文獻(xiàn)［8］規(guī)定非承重墻為砌體墻時(shí)框架結(jié)構(gòu)的周期折減系數(shù)可取0.6～0.7，對于采用其他非承重墻體時(shí)，可根據(jù)工程情況確定周期折減系數(shù)。事實(shí)上不同種類的砌體墻其周期折減系數(shù)是不同的，文獻(xiàn)［11］基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本原理采用剛度等效的方法推算，建議普通混凝土空心砌塊填充墻的框架周期折減系數(shù)取0.8～0.9。

本項(xiàng)目砌體墻較少，部分內(nèi)隔斷為玻璃和卷簾，外周主要是鋁板幕墻。砌體墻部分周期折減系數(shù)取0.85，玻璃、卷簾和鋁板幕墻對結(jié)構(gòu)剛度幾乎沒有影響。綜合考慮到建筑功能靈活多變，實(shí)際計(jì)算取周期折減系數(shù)為0.9，使得周期的折減比較符合本建筑墻體材料的特點(diǎn)，也能確保結(jié)構(gòu)的抗震安全性。

通過減少、減輕墻體材料，并調(diào)整周期折減系數(shù)為0.9，顯著地減小了結(jié)構(gòu)的地震作用。多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角從1/428 減小到了1/565，滿足了規(guī)范要求，避免了為滿足層間位移角限值而盲目地增大框架梁柱截面。

4 樓板局部不連續(xù)

本建筑地上各層設(shè)置環(huán)形室內(nèi)步行街，步行街樓板開設(shè)多個(gè)不規(guī)則大洞，步行街外側(cè)的環(huán)形樓板與步行街內(nèi)側(cè)的中島樓板通過多塊5 m左右寬度的連廊樓板進(jìn)行連接，有效樓板寬度不足典型寬度的50%，屬于樓板局部不連續(xù)的平面不規(guī)則類型，連廊部位樓板為薄弱連接。

4.1 樓板的連接作用

樓板在結(jié)構(gòu)中除了起到承擔(dān)并傳遞豎向荷載的作用外，還將結(jié)構(gòu)各豎向構(gòu)件連接為一個(gè)整體，使其協(xié)調(diào)變形，在豎向構(gòu)件間傳遞和分配水平力，形成完整的抗側(cè)力體系。在地震作用下，連廊連接處樓板一旦過早破壞，將使得所連接的主體結(jié)構(gòu)分離成幾個(gè)小的結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和動(dòng)力特性急劇改變，抗震能力降低，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)主體的整體性破壞。因此，該薄弱連接部位樓板的抗震設(shè)計(jì)就顯得非常必要且重要。

4.2 分塊剛性樓板

對完整的樓板，整體計(jì)算時(shí)樓板可假定為面內(nèi)剛度無限大的剛性樓板，所有構(gòu)件在剛性板的協(xié)調(diào)下統(tǒng)一平移或圍繞樓板剛心轉(zhuǎn)動(dòng)。薄弱連接樓板面內(nèi)剛度不足，其面內(nèi)變形不能忽略，難以完全協(xié)調(diào)兩端結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形。整體計(jì)算地震作用時(shí)應(yīng)采用分塊剛性樓板模型，將薄弱的連接樓板設(shè)置為彈性樓板，考慮其面內(nèi)實(shí)際剛度和變形，更真實(shí)地模擬計(jì)算結(jié)構(gòu)各部分在地震作用下的反應(yīng)。

4.3 罕遇地震樓板應(yīng)力分析

一般情況下，對樓板做平面內(nèi)無限剛的假定而忽略了樓板的平面內(nèi)應(yīng)力。對于樓板不連續(xù)，應(yīng)進(jìn)行樓板地震應(yīng)力分析，考慮在協(xié)調(diào)變形、傳遞和分配水平力時(shí)產(chǎn)生的平面內(nèi)剪力和軸力，并采取相應(yīng)技術(shù)措施。從平面應(yīng)力問題的角度討論連接板的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，推薦采用主拉應(yīng)力表達(dá)式［12］。利用PMSAP對罕遇地震作用時(shí)的樓板應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果如圖2所示，連廊樓板大部分位置主應(yīng)力值較小，在-1.8～1.9 MPa 之間，小于C30 混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（ftk=2.01 MPa）。在連廊4 個(gè)角部很小的區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，最大主壓應(yīng)力3.2 MPa，最大主拉應(yīng)力達(dá)到了5.1 MPa。說明在罕遇地震下，連廊薄弱連接板除角部很小區(qū)域可能會開裂外，其它部位沒有開裂，保持了完整性，可以繼續(xù)履行其連接功能。

圖2 罕遇地震樓板主應(yīng)力Fig.2 Principal Stress of Floor Slab in Rare Earthquake

4.4 連廊薄弱連接板加強(qiáng)措施

根據(jù)連廊薄弱連接板的重要性及計(jì)算分析結(jié)果，采取以下加強(qiáng)措施：

⑴連接板處確保至少有1根框架梁拉通，兩側(cè)設(shè)置邊梁且向內(nèi)跨延伸，加大拉通框架梁及邊梁的上下拉通筋、腰筋；

⑵連廊薄弱連接板區(qū)域板厚取130 mm，雙層雙向配筋，每層每個(gè)方向配筋率不小于0.25%；

⑶連廊角部分別設(shè)置3 根直徑12 mm 的斜向加強(qiáng)筋。

5 大跨單跨框架井字梁抗震設(shè)計(jì)

建筑第5 層為影院放映廳，如圖3所示，抽掉了中間4 根柱，屋頂為框架井字梁樓蓋，雙向跨度3×8.4=25.2 m。4 根井字梁作為框架梁與框架柱形成局部單跨框架，且為大跨框架，需同時(shí)考慮水平地震作用和豎向地震作用。影院放映廳為人員密集場所，綜合抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)的特殊性以及結(jié)構(gòu)抗震破壞后果，將該大跨單跨框架井字梁的梁和對應(yīng)的柱作為關(guān)鍵構(gòu)件，根據(jù)《甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 62/T25-3055—2011》［13］，按中震不屈服進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，抗震等級提高一級按特一級進(jìn)行設(shè)計(jì)。柱端彎矩增大系數(shù)ηc、柱端剪力增大系數(shù)ηvc、梁端剪力增大系數(shù)ηvb均提高20%，并提高其最小配筋率，但是梁端彎矩和抗彎鋼筋不加大，以體現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原則。

圖3 大跨單跨框架井字梁Fig.3 Long-span Single Span Frame Well Beam （mm）

6 結(jié)論

通過工程實(shí)例，對高烈度區(qū)大型商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾個(gè)重要問題進(jìn)行了探討，并采取了技術(shù)措施，可供同類工程設(shè)計(jì)參考。

⑴大型商業(yè)建筑在提高抗震設(shè)防類別為乙類的同時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生后果的嚴(yán)重性，應(yīng)當(dāng)提高結(jié)構(gòu)安全等級為一級。

⑵高烈度地區(qū)框架結(jié)構(gòu)通過采用輕型墻材、減少砌體墻，周期折減系數(shù)可取0.9，能夠顯著地減小框架結(jié)構(gòu)的地震作用和層間位移角，避免盲目增大梁柱截面。

⑶對樓板局部不連續(xù)，除按分塊剛性樓板局部指定彈性樓板進(jìn)行整體計(jì)算外，尚應(yīng)利用有限元軟件對地震作用下樓板的應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)充分析，對薄弱部位采取加強(qiáng)措施。

⑷ 影院放映廳抽柱后形成大跨單跨框架井字梁，其梁和柱宜作為關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。