城市里的层峦叠嶂！武汉新地标——武汉长江中心大型商业综合体结构设计

· 武汉长江中心大型商业综合体结构设计 ·

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文/季俊，包联进，陈建兴，等

1、项目概况

武汉长江中心A1、B1地块大型商业综合体项目临近长江，北临临江大道，西临武车二路，由A1、B1地块商业建筑及A1、B1地块之间的连桥组成。建筑师通过超300m的地上平面尺度，形成巨构形体，营造层峦叠嶂的城市空间形象；面对多个城市界面，360°成为长江之畔的城市焦点，项目与长江、汉江两轴联动，形成武汉市新的顶级品质商业金融中心。建筑效果图如图1~4所示。

其中A1地块商业建筑地上8层，总高度约46m，典型平面尺寸为185m×135m；B1地块商业建筑及连桥地上7层，建筑高度约40m，典型平面尺寸约为150m×60m；地上典型建筑平面图如图5所示。项目地下室为4层，典型平面尺寸达360m×220m，埋深约18m。

图1 武汉长江中心商业综合体整体效果图

图2 武汉长江中心A1地块商业建筑效果图

图3 武汉长江中心B1地块商业建筑效果图

图4 武汉长江中心A1、B1地块之间市政道路上方连桥建筑效果图

图5 典型商业建筑平面

2、结构设计概况

A1地块商业采用钢筋混凝土框架结构体系，中庭大跨区域采用钢梁+钢筋桁架楼承板，如图6所示，其中黄色填充区域为大跨中庭楼板加厚区域，蓝色虚线为钢梁。B1地块商业采用钢筋混凝土框架结构体系，连桥区域采用型钢混凝土柱+钢梁结构体系，如图7所示，蓝色线为钢梁。地下室采用钢筋混凝土框架结构体系。B1地块商业建筑及连桥，与A1地块商业在地上通过抗震缝分开形成各自独立的单体，如图5所示。

图6 A1地块商业典型结构平面布置示意图

图7 B1地块商业及连桥典型结构平面布置图

本工程50年一遇基本风压为0.35kN/m2，因项目临近长江，地面粗糙度类别取B类。根据荷载规范8.3.2条，商业结构周围高层建筑相距较近，考虑风力相互干扰的群体效应，对体型系数μs乘以1.1的相互干扰系数，即迎风面体型系数为0.8×1.1=0.88；背风面体型系数为0.5×1.1=0.55。

本工程主要地震作用参数取值为：抗震设防烈度：6度（0.05g）；设计地震分组：第一组；场地类别：III类。抗震设防类别：重点设防类。根据武汉市相关规定及抗震审查会意见，本工程地震动参数按《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版）取包络采用。

3、结构设计亮点

亮点1：结构建筑融合在商业建筑中的实现：通过柱位的合理化设计实现商业建筑美、灵动空间与功能需求

实现建筑与结构设计的完美融合是我们在结构设计过程中一直孜孜追寻的目标。对于商业业态，其主要的建筑特点与设计需求是灵动的中庭大跨空间需求，复杂业态包括影院、宴会厅、带泳池的健身房、跨越市政道路的连桥等不同业态复杂柱位的设计要求，以及地上灵活的商业柱网对地下室规则柱网的设计应对需求。在结构设计时，基于对商业建筑需求的充分理解，对复杂柱网精心设计、依托全面的结构设计与分析技术，实现建筑师对形体美、商业空间与功能需求。本工程地上结构柱数量约300根，需在首层转换的框架柱数量仅为11根，结构建筑融合设计在本工程商业设计中得到完美体现。

图8 市政道路上方连桥结构的柱位设计与整体效果

亮点2：全面的性能化设计，基于商业结构特点进行针对性加强

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，A1、B1商业结构存在的不规则项为：1）凹凸不规则：平面凹进尺寸较大；2）楼板不连续：对于中庭开洞区域，开洞尺寸超出该层楼板宽度50%；3）竖向构件不连续：结构地上框架柱有梁托柱及斜柱转换；4）扭转位移比大于1.2等。鉴于本工程的超限情况和结构特点，对抗侧构件实施全面的性能化设计，构件的抗震性能目标细化表述如下表1所示。

表1 结构抗震性能目标

除了对构件进行性能化设计之外，为保证超限结构的安全性，基于结构特点与薄弱位置进行了针对性分析与加强。

（1）楼面大开洞楼板应力分析

以A1商业为例，由于中庭建筑造型需求、电影院及宴会厅等建筑空间要求，各层均存在一定的楼板大开洞。为保证楼板的安全性，开展了地震作用下楼板应力分析，并根据分析结果进行了楼板配筋加强。

图9 X方向小震作用下楼板水平方向拉应力示意图

（2）超长混凝土温度应力分析

A1地块商业结构地上平面尺寸达185m×135m，需要进行超长楼板的温度应力分析。地上结构混凝土设计时降温温差为-30℃，同时考虑徐变折减系数0.3；钢梁的设计降温温差取值为-15℃。根据分析结果进行了楼板配筋加强，结构梁柱构件验算也考虑了温度作用的影响。

图10 温度作用下F2层楼板X方向拉应力

（3）提高结构整体抗扭刚度的措施

商业结构的特点为超大的平面尺度，抗扭刚度相对较弱。以A1商业结构为例，采用如下措施加强结构的抗扭刚度及外框架的抗剪承载力：

1）加大结构外围梁柱截面尺寸，其中结构外框梁高增加至1.4m，增强结构整体抗扭刚度。

2）将周边框架柱箍筋全长加密以提高外框架的抗剪承载力。

3）周边框架柱轴压比限值控制在0.7以内，以提高外框结构地震作用下延性性能。

（4）其它的一些专项分析与加强如下文所述。

亮点3：商业大跨无柱中庭结构专项研究

商业中庭是商业建筑设计的亮点。中庭为大跨无柱空间，典型柱距18m，最大柱距28m，给结构设计带来了挑战。典型中庭连廊结构平面布置如图11所示。侧向荷载作用下中庭内侧及外侧结构需要由中庭梁板协调工作，故需对中庭内外结构协同工作情况开展专项分析。在柱位设计时，充分考虑了建筑需求以及中庭内外结构刚度的均匀性。主要研究方法为：

（1）对中庭楼板在协同内外结构工作时的内力传递进行了分析研究

分析表明：X方向的楼层剪力中仅有0.4%需通过中庭楼板协调传递，Y方向仅有0.9%；可以得出，A1商业结构中庭内外框架刚度均匀，对中庭楼板协同工作的需求较小。

图11 X、Y方向地震作用下中庭楼板的内力示意图

（2）中庭楼板刚度折减前后主要指标分析

比较了中庭原始厚度模型（150mm）及中庭楼板刚度损伤至原厚度约30%（50mm）时结构总体指标的变化。典型结构指标分析结果如表2所示；从表中可以看出，中庭楼板刚度折减后，结构主要指标几乎没有变化，说明在本工程中，中庭内外框架刚度较均匀，对楼板协同工作的需求较小。

表2 不同方案典型结构指标计算结果表

（3）对中庭内外两个结构单元开展分析研究

取消中庭，将整体结构拆分为中庭内外两个结构单元进行比较研究。分析可知：整体模型与中庭内外结构单独模型周期接近，各楼层中庭内外结构小震下位移差值很小，均在3mm以内，进一步证明了中庭内外结构刚度均匀、接近，对中庭楼板协同工作的需求较小。

图12 拆分出来的中庭外结构单元模型

（4）大震下中庭楼板抗剪承载力分析

根据抗震审查要求，将中庭楼板按大震工况开展抗剪承载力分析，并通过动力弹塑性时程分析进行验证。分析表明：除个别区域外，罕遇地震下包括中庭在内的楼板钢筋塑性发展程度较低，钢筋应力均匀，实现了结构性能化设计要求。

图13 Y向罕遇地震弹塑性时程分析F3层楼板钢筋塑性发展

亮点4：B1地块及连桥结构顶部楼层鞭梢效应分析

在初步设计时，B1地块及连桥结构顶层由于建筑采光及造型需要，楼板开洞较大，黄色区域为屋面开洞，天蓝色区域为150mm厚屋顶楼板区域。

图14 B1地块及连桥屋顶层初步设计阶段建筑平面示意图

考虑到本层刚度削弱较多，研究了B1地块屋顶鞭梢效应的取值。具体的计算方法为：选择两条天然波以及一条人工波开展弹性时程分析，计算屋顶层典型位置（主要是分块楼板角部）框架柱响应加速度峰值，则屋顶层典型位置框架柱节点响应加速度峰值与地面输入的时程波加速度峰值的比值，为鞭梢效应的放大系数。分析得到，屋顶层典型位置框架柱底节点响应加速度峰值与地面输入的时程波加速度峰值比值为：X方向峰值加速度放大的最大倍数为2.3；Y方向峰值加速度放大的最大倍数为2.4。在进行B1地块及连桥屋顶层构件设计时，考虑鞭梢效应对地震作用的放大进行设计加强。

结合鞭梢效应分析结果，考虑屋顶天窗的效果对楼面进行加强，如图15所示，有效楼板面积得到增加，刚度突变问题得到有效改善。