上海虹橋某一商務廣場辦公大樓結構設計

【摘要】上海虹橋商務廣場2#樓為帶兩層地下室，高度近40米的多層辦公樓，采用鋼筋混凝土框架結構體系，針對該結構的超限情況，采用STAWE和PMSAP軟件進行多遇地震作用下結構的分析和彈性時程分析，同時還進行了大震下的靜力彈塑性推覆分析。計算結果表明，該結構加強相關構造措施后，能滿足相關規范的各項要求，保證結構安全，可供同類工程參考。

【關鍵詞】不規則框架結構；彈性時程分析；彈塑性變形

1、工程概況

本項目位于上海虹橋商務核心區一期01地塊，整體由地下室連成一體地上獨立的4個結構布置幾乎一致的塔樓組成，本文集中討論其中一個8層的辦公樓（2#樓）。

4個塔樓在地下室連為整體，地下二層層高4米，地下一層層高5m，地下一層夾層層高5m，地上2#樓一層層高6.6m，二層層高4.5m，三層以上標準層的層高均為4.3m。機房層高5.9m，屋面高度未超過40米，采用鋼筋混凝土結構體系。

工程場地地震基本烈度為7度，一層及地下一層存在大面積的商業區域，設防類別為乙類，按高于本地區設防烈度采用抗震措施，其余樓層均按丙類設防，按本地區設防烈度采用抗震措施。

2、結構整體分析

2.1計算模型

本工程采用SATWE程序和PMSAP程序進行了多遇地震作用和風荷載作用下結構的內力和位移計算。周期折減系數取0.7，采用剛性樓蓋模型，考慮雙向地震及扭轉耦聯振動影像。主要計算結果見表2.1。

2.2 結構分析及超限情況

通過2個程序的計算對比可以看出，SATWE程序和PMSAP兩個程序的主要計算結果比較接近，對結果簡要分析如下：

1）平面規則性：

（1）SATWE及PMSAP程序計算結果表明：結構第一扭轉周期與第一平動周期之比均小于0.85，滿足規范要求。

（2）在考慮偶然偏心影響的規定水平力下，樓層最大位移比值大于1.2倍，但是小于1.4，屬于扭轉不規則。

（3）結構各層樓板有效寬度及開洞面積均滿足規范要求

（4）2#樓的平面在2層以上成槽形，左翼突出部位尺寸與平面尺寸的比值約為33.6/59.8=0.56>0.40，右翼最大突出部位尺寸與平面尺寸的比值約為42.0/68.2=0.61>0.40。屬凹凸不規則。

2）豎向規則性：

（1）各層側向剛度均滿足規范要求（見圖2.1）。

（2）結構下層與上層的抗剪承載力比值均大于0.80（見圖2.2），樓層抗剪承載力無突變。

（3）主要樓層結構豎向構件均連續，2#樓僅在地上第八層有部分轉換構件。

（4）主要樓層質量分布較均勻，與相鄰下層樓層質量比均小于1.50，滿足規范

以上分析可知， SATWE、PMSAP兩個程序的計算結果基本規律一致，分析表明該樓平面豎向均是不規則結構。

3、多遇地震作用下結構彈性時程分析

根據《建筑抗震設計規范》GB20011-2010第5.1.2條，及《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第4.3.4條，本工程應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。根據規范規程的要求，采取3條時程曲線計算結果的包絡值與振型分解反應譜法計算結果的較大值作為結構設計的依據。

3.1 天然波及人工波的選擇

采用彈性時程分析法，按建筑場地類別和設計地震分組選用兩組天然波和一組人工波。人工波選用上海人工波SHM1-4，波水平方向峰值加速度為35.0cm/s2，兩組天然波水平方向加速度峰值參照人工波換算為35.0cm/s2，時程分析時不考慮雙向地震。

三條地震波與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%，地震影響系數曲線比較見下圖3.1。

3.2 時程分析與反應譜樓層剪力對比

時程分析時，結構模型去掉作為嵌固端的地下室，樓層底部剪力的對比情況匯總見表3.1。

由上表可知，每條地震波計算所得的結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法65%，三條地震波計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法的80%。所選地震波滿足抗規5.1.2條高規第4.3.5條的要求。 各地震波彈性時程計算結果與振型分解反應譜法計算樓層剪力對比如下列圖3.2～3.3所示。

從圖3.2～3.3可知，在上部樓層（頂部2層），彈性時程分析所得的地震剪力包絡值略大于反應譜地震剪力，因此可以通過適當放大反應譜地震剪力來協調二者的差值，以滿足規范取反應譜和時程包絡設計的要求。

時程分析和反應譜分析計算的各樓層傾覆彎矩對比如表3.4～3.5所示。從圖中可以看出，時程分析結果均小于反應譜結果。

3.3 時程分析與反應譜分析位移及位移角對比

時程分析和反應譜計算最大層間位移角和基底剪重比如表3.2所示，可以看出，時程分析所得的層間位移角滿足規范限值要求。

3.4 罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算

根據《高規》3.7.4條，本工程應進行罕遇地震作用下的彈塑性變形計算。由《高規》5.5.2條可知，本工程可采用《高規》5.5.3條的簡化方法進行彈塑性變形計算。但為了驗證簡化方法對本工程的適用性，我們選用了目前工程上比較通用的EPDA/PUSH程序來進行靜力彈塑性分析（即Pushover分析）作為簡化方法的對比。

為進行結構的Pushover分析，建立了基于彈塑性梁單元和彈塑性墻單元的結構三維模型，并將模型進行了簡單的處理：①去掉作為上部結構嵌固端的地下室；②去掉對整體結構抵抗地震作用沒有太多貢獻的次梁，并將次梁的恒載等效為面荷載作用在板上，使結構質量沒有變化，并保留主要的結構抗側力構件。

結構彈塑性變形計算時，按上海抗規要求，場地特征周期取Tg=1.10s，地震影響系數最大值取αmax=0.45，結構阻尼比ξ=5%。

按照罕遇地震下的相關參數，建立了結構的需求譜曲線、能力曲線，抗倒塌驗算結果其中結構彈塑性變形計算結果所得的彈塑性層間位移角如表3.3所示。其中對應CQC荷載模式下的性能點時的基底剪力匯總見表3.4。

可以看出：在X、Y兩個方向，雖然簡化方法得出的最大彈塑性層間位移角均比Pushover分析得出最大彈塑性層間位移角要大，但均能滿足規范對框架結構規定的結構彈塑性層間位移角限值θp≤1/50的要求。所以對于一般的框架結構，利用簡化方法對進行罕遇地震下的彈塑性變形驗算，可以保證整體結構的安全性。

4、抗震加強措施

工程屬于平面豎向均不規則的結構，工程于2012年通過上海市超限高層建筑設防專項審查，為增強結構的抗震能力，除按規范要求進行設計外，采取以下加強措施。

（1）所有樓層休閑露臺及大屋面的板厚加厚均加厚為130mm，并采用雙層雙向拉通配筋，且每層每向配筋率不小于0.25% 。

（2）頂層樓層梁托柱轉換構件提高抗震等級，加大相鄰框架柱的配筋。

（3）控制跨度較大梁的撓度和裂縫寬度。

（4）補充計算45度方向樓層層間位移角，通過調整左上角局部構件布置，控制此方向的層間位移。

（5）補充罕遇地震作用下結構彈塑性層間位移角驗算。

（6）參照滬建建管[2012]16號文的要求，樓梯間周邊的框架柱、框架梁的抗震等級提高一級，箍筋全長加密。

結語：

通過對該超限工程進行計算分析，加強多項構造措施，可以保證結構安全，可供同類工程參考。