浅谈大型商场超市等商业建筑结构设计

浅谈大型商场、超市等商业建筑结构设计【摘要】本文针对大型商场、超市等商业建筑的自身特点，简要阐述设计过程中结构方案的合理选择、荷载取值、计算分析以及规范要点的正确理解与探讨。通过典型的工程实例，详细介绍具体工程中结构设计所采用的特殊处理方法。不同种类的建筑因其自身使用功能的不同，具有不同的特点。对于大型卖场、超市建筑其主要有以下一些特点：首先，此类建筑一般为四、五层多层建筑，且有地下室作为停车库。大空间的使用要求使其具有柱距大、层高高的特点。楼面使用荷载较大，根据超市的工艺布置，不同区域使用荷载有不同取值。而且不同区域使用功能的不同，使得楼面做法具有一定的多样性。此类建筑还具有综合性强的特点，使用功能的复杂性使得水、电、暖通等各专业需交叉设计、密切配合。此类建筑设计比较复杂，考虑因素繁多。结构设计就以下几个方面谈谈个人总结的一些见解：1结构类型及受力体系结构类型及受力体系大卖场、超市在使用上对空间的要求，决定了此类建筑采用框架结构最为合理，同时考虑大跨度、荷载大的特点，楼面采用井字梁双向板受力体系，可以最大限度减小主梁梁高，增大楼层使用高度。2荷载取值设备用房的荷载取值宜由设备专业按实际情况计算提供。否则可以按照《全国民用建筑结构技术措施》取值。值得注意的是，此类建筑在屋面集中有许多暖通设备，结构设计需要设备专业提资，准确考虑设备及设备基础重量。3计算分析的方法计算分析对于上部结构设有伸缩缝，将建筑分成几个单体，而地下室为一个整体的建筑，这种方案有两种情况，即地下室作为上部结构嵌固点和不作为上部结构嵌固点。可否作为嵌固点这个问题后面另作介绍。地下室计算应考虑地下室室外土体对结构的约束作用，如果地下室作为上部的嵌固点，那么地下室室外土体对结构完全约束，地下室顶板的侧向水平位移为零，否则，需考虑室外土体对结构的刚度比。地下室设计应按单体建模计算分析，不同区域按照各塔计算结果设计。若按多塔计算分析，局部梁、柱内力计算偏小，这是因为不同模型计算周期的差异在地下室的集中反映。对于上部结构，地下室作为上部结构嵌固点的情况，因伸缩缝兼抗震缝的作用，上部结构是独立的单体，计算时应分别建模分析。当然理论上也可以按多塔整体分析，但不同的计算软件或相同的计算软件，按两种方法计算的结果并不完全相符，其主要原因也是不同模型计算周期的差异引起的，集中反映在底层，局部梁、柱计算内力的差异。所以，设计时需要进行比较分析，谨慎设计。安全起见建议采用单体分别建模分析。不作为上部结构嵌固点的情况，地震力作用下地下室顶板的水平位移对相邻塔有一定的影响，采用多塔计算更为合理。4结构计算过程参数的取值4.1基础的设计等级基础的设计等级不同于结构的安全等级，基础设计安全等级应按国家有关规范规定采用。特别是文献[6],作为国家专业标准文件,虽然根据地基复杂程度、建筑物规模和功能等将地基基础分为三个设计等级,但却未能确定基础安全等级的划分,使设计人员感到困惑。况且,设计等级与设计安全等级是完全不同的两个概念。文献[2]有关基础安全等级的引注是在建筑结构的安全等级一节中,意味基础的安全等级不完全等同于上部结构的安全等级。作为地方规范的文献[9]将地基基础划分为三个安全等级,并说明除注明外一般可取为乙级,经查阅该文献建筑类地基基础部分未有特别注明的安全等级。笔者以为，基础的安全等级不宜低于上部结构的安全等级。4.2框架抗震等级结构抗震等级的确定直接影响到结构构件地震作用验算和抗震措施的采用，结构抗震等级对于结构水平、竖向地震作用计算没有关系，但在构件、及节点设计时，他对结构构件的设计内力做调整。对于大型超市、卖场，根据文献[1]其属于乙类建筑，按照《抗震规范》要求，“乙类建筑，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求。”所以，当抗震设防烈度为6～8度时，框架抗震等级要提高一级。4.3地下室做为上部结构嵌固点的必要条件文献[10]对这个问题有明确的说明，如下面三种情况。a．单层地下室采用箱型基础，上部结构为框架、剪力墙或框剪结构，顶板可以作为上部结构嵌固点。b．多层地下室采用箱型基础，上部结构为框架、剪力墙或框剪结构，地下室的层间侧移刚度大于上部结构侧移刚度的1.5倍时，地下室结构顶部可以作为上部结构嵌固点。c．地下室采用筏板基础，上部结构为框架、剪力墙或框剪结构，地下室的层间侧移刚度大于上部结构侧移刚度的1.5倍时，地下室结构顶部可以作为上部结构嵌固点。对于b、c项，上部结构为框架、框剪结构时，地下室墙的间距还须满足以下条件：6度、7度，小于等于4B且小于等于50m；8度，小于等于3B且小于等于40m；9度，小于等于2B且小于等于30m；B为地下一层结构顶板宽度。5结构设计中采用的特殊处理方法5.1轴压比超限处理方法对于非抗震设计或6度区建筑，柱的截面大小由轴压比控制，相同的截面，相同的混凝土等级，难免会出现个别柱轴压比超限，不满足要求。考虑建筑美观、使用要求及施工方便，在不便加大柱截面的时候，可以根据《混凝土结构设计规范》11.4.16款附注4、5项说明，如下图所示，则轴压比限值可提高0.05～0.10。这样就可解决轴压比超限的问题。另外一种情况，如果底层柱两边有填充墙时，可将墙体设计成混凝土墙，与柱共同受力，形成扶壁柱，这样加大了柱的受压面积，也可解决轴压比超限的问题.5.2特殊部位梁高度受限结构设计现代建筑立面造型的奇形怪状，使得结构设计趋于复杂，按照常规设计总不能满足建筑要求。这就需要特殊部位采用特殊结构形式处理。最常见的就是梁的高度受到限值，不可以做高，按照常规的混凝土梁设计无法实现，传统的处理方式是采用预应力混凝土梁，但随着科技的不断发展，型钢混凝土梁的成熟应用，使得解决这样问题更加简单。笔者所做的一工程实例如下：混凝土采用C30,钢筋HRB400级，梁支座负弯矩为M＝1071KN.m，建筑允许梁高750mm，宽350mm。普通混凝土梁这样的截面无法实现，采用型钢混凝土梁，如下图：型钢采用热轧H型钢H500x200x10x16，Q345材质。计算得W=0.29mm，满足要求。5.3建筑超长结构设计对于大型超市、卖场建筑物，长、宽经常会超出《规范》关于伸缩缝、沉降缝设置间距的规定。由于建筑功能要求，不能设永久缝，这样在建筑内部只能采取各种措施解决超长问题。设计中增加温度应力钢筋，在楼板中负弯矩钢筋隔一断一，正弯矩钢筋尽量通长，不能通长的钢筋搭接。另外，每隔30～40m之间设一道1000mm宽后浇带。留出后浇带后，施工过程中混凝土可以自由收缩，从而大大减少了收缩应力。钢筋和混凝土的抗拉强度可以大部分用来抵抗温度应力，提高结构抵抗温度变化的能力。另外，在后浇带中添加高效抗裂外加剂，减少混凝土裂缝的产生，解决建筑物超长问题。由于超市为商业建筑，建筑专业防火要求较高，各设备专业需配合各种管道系统。这也相应要求结构专业配合，做好各种管件、预埋件的预留工作。另外，超市设有扶梯、自动人行步道梯、观光电梯等竖向交通设备供顾客使用，结构设计中应密切结合各种电梯设备土建样本，做好预留孔洞、预埋件、缓冲底坑、顶层机房的预留工作，保证设备安装的顺利进行。上述问题是笔者在工作实践中遇到并积累的，理解和处理方法未必正确。笔者的认识可能会引起同行的不同见解。但笔者认为，一些不明确的和不合理的问题只有通过提出和讨论才可能达到最终认识的统一。恒荷载取值按照不同区域建筑做法，实际计算取值；活荷载的取值应谨慎，根据工艺布置及结构受力体系，计算确定。大型超市几乎都采用敞开式货架,商品堆放与以往的商场相比要集中得多,某些区域特别是仓储区和饮料堆放区,货物的活荷载相当大。但在传统的建筑结构设计中,依据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001),商场的楼面活荷载标准值通常取3.5kN/m2。但实际使用中在超市的很多区域已经被大大超过，某些区域实测的均布荷载值甚至超过了20kN/m2,这些区域主要集中在仓储区和卖场的食品杂货区。所以，在设计时应根据实际使用情况，计算确定荷载取值。超市等效均布荷载是按照《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001)中附录的“楼面等效均布活荷载的确定方法”计算确定的。也就是说，楼面活载是将作用于楼面的各种形式的荷载，根据内力等值的原则，将它们换算成均布荷载。根据建筑的结构情况，实际中常用的结构形式，即密肋楼板、井字梁楼板以及主次梁楼板，进行分析。由于今后超市在使用时可能会出现差异，实际使用中商品的堆放位置也常会改变，因此必须考虑可能出现的最不利情况。构件不同部位截面中的最不利内力和同一截面上不同内力类型的最不利值取决于不同的活荷载布置方式。因此，活荷载的不利位置是根据截面位置和内力类型分别确定的。通过对结构及内力类型的分析，在最不利的位置处布置该区域的活荷载代表值，由于该区域具有代表性的活荷载的类型可能有所不同，因此在不同的工况下分别计算由最不利位置的活荷载在构件内引起的最大弯矩，然后按照内力等值的原则反推出等效均布活荷载。因为材料的非线性特性，荷载的内力并不成比例,所以均布荷载是用逼近法求得的。计算采用SAP2000及理正工具箱V3.03对结构进行了非线性有限元的分析。一般情况，对于国内外一些大型卖场、超市，如世纪联华、易初联华、易买得、欧尚等等，活荷载的取值是不需要设计人员自己计算的，由使用方计算提供不同使用区域的荷载取值。李东平新外建副主任结构工程师