上海久置大廈結構超限設計淺析

鄭望林

摘 要：本文通過對上海久置大廈超限結構設計的介紹，簡述了超限結構工程的設計特點。本項目存在扭轉不規則、樓板不連續、豎向尺寸突變、豎向抗側力構件不連續、塔樓偏置等多種結構不規則。針對結構存在多項超限，對整體結構采用中震彈性及中震不屈服設計，對豎向關鍵構件進行抗震性能化設計。多遇地震分析時，采用YJK與SATWE兩種軟件進行分析，并采用MIDAS/Building進行動力彈塑性分析，計算結果表明，關鍵構件滿足抗震性能設計目標。

關鍵詞：平面不規則；扭轉不規則；穿層柱；抗震性能化設計；樓板應力分析；動力彈塑性分析

1 工程概況

本工程位于上海市徐匯區，肇嘉浜路以南，大木橋路西側，與地鐵12號線外掛交通服務區地下車站出入口組成公共建筑綜合體。本工程地下共三層，地上13層，包括四層商業裙房及其上的兩座13層高層辦公塔樓。商業裙房屋面標高19.650m，主樓屋面標高41.650m。由于建筑使用上的要求，四層商業與兩棟塔樓之間未設抗震縫，兩棟塔樓在裙房頂形成多塔。裙房之上兩座辦公塔樓相互獨立。本工程結構設計使用年限為50年；建筑結構安全等級為二級；抗震設防類別：商業為重點設防類，裙房以上為標準設防。度烈為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計抗震分組為 第二組，建筑場地類別為IV類，建筑的設計特征周期為 0.90s；基本風壓0.55KN/m2，地面粗糙度為C類。

根據《建筑工程抗震設防分類標準》GB 50223—2008中3.0.3的規定[1]，底部四層（局部五層）商業為乙類建筑。由于建筑功能需求，塔樓與裙房連成整體，不設置抗震縫。裙房上一層抗震設防類別為重點類，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級。標高24.550m以上為標準抗震設防類別，框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級二級。裙房屋面標高為19.450m，建筑總高度為59.150m，收進部位大于建筑總高度的20%，故主樓沿裙房四周豎向構件在裙房屋面上下各兩層范圍內豎向構件抗震等級提高一級。同理東塔樓在41.450m局部收進，收進部位與屋面相交豎向構件在標高41.450m上下各兩層，豎向構件抗震等級提高一級。

轉換柱采用型鋼混凝土柱，轉換梁采用型鋼梁。結構設計考慮將相關轉換構件抗震等級提高一級，即轉換框支梁抗震等級為一級，框支柱及相連剪力墻抗震等級為特一級。

2 基礎設計

本工程地基基礎設計等級為甲級。本工程所有地上單體均位于一個大地下室上，地下室層數3層。塔樓樁長64.0m，樁底端進入第9層（粉砂層），單樁承載力設計值3000kN。中庭部分有抗拔為主，樁頂標高為-14.80m（絕對標高），樁端進入第7-2層土，樁長L=35m。采用樁筏基礎，主樓下筏板厚度1200mm，裙房區域筏板厚度800mm，柱下局部加厚。由于離地鐵站很近，沉降有嚴格要求，最終沉降量10mm。

3 結構布置及不規則情況

3.1 結構布置要點

典型柱距為8.1×8.1，典型柱截面為900×900，典型框架梁截面為450×800，次梁為250×600（單向布置）， 由于本項目需要做裝配式，所以布置單向板，樓板厚度為140mm。

3.2 規則性判斷

該建筑高度不高，但結構不規則情況較為復雜， 本工程存在如下不規則情況。

扭轉不規則：在考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，樓層豎向構件最大的水平位移和層間位移與該樓層平均值之比，Y向為1.33>1.2屬于扭轉不規則。

樓板不連續：三層夾層部分樓板缺失，有效樓板寬度約為45.6%<50%；20m大跨轉換梁，形成局部豎向轉換，屬于豎向不規則。二層～三面穿層柱計算高度為11.55m。按實際計算長度系數復核并加強穿層柱配筋。東塔樓在41.450m局部收進，收進大于25%。商業在底部四層與塔樓連在一起，裙房以上收進大于25%。裙房以上塔樓質心相差大于相應邊長的50%。裙房以上分成東西兩個塔樓，屬于多塔結構。

綜上所述，本工程有六項超限，屬于特別不規則結構。

4 結構性能設計

結合本超限建筑的工程特性，綜合考慮抗震設防、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等多方面因素，根據《高規》3.11節結構抗震性能設計的有關內容，確定本工程抗震性能化目標為C級。即在多遇地震、設防地震及罕遇地震作用下分別達到1、3、4三個水準的性能要求。

5 結構計算分析

5.1 多遇地震作用下彈性分析

分別采用PMSAP、YJK軟件計算分析。以地下室頂板作為上部結構嵌固端，考慮雙向水平地震作用及偶然偏心的影響，采用模擬施工加載3，主要結果如表1所示。

PMSAP、YJK兩種軟件計算結果均滿足規范要求，且誤差均在允許范圍內。用兩種軟件對整體模型、及東西塔分別比較周期、質量、層間受剪承載力、位移角、剛重比、剪重比、整體穩定性等方面進行比較分析，兩種軟件計算結果比較接近，誤差在3%以內。

5.2 彈性時程分析

根據《抗規》第5.1.2條規定，特別不規則建筑應采用時程分析法進行多遇地震的補充計算。取七組及七組以上的時程曲線時，計算結果可取時程法的平均值和振型分解反應譜法的較大值。

本工程所選兩組人工波，5組天然波均滿足要求。本工程彈性時程計算采用YJK，阻尼比為0.05。峰值加速度取35gal。采用兩個水平方向分量，地震波主向與次向輸入比例為1：0.85。

5.3 彈性時程分析結論

通過分析數據可知，選取的七組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響曲線在統計意義上相符：多組時程波的平均地震影響曲線與振型分解反應譜法相比，在對應結構主要振型周期點上相差不大于20%；每條時程曲線計算所得的結構底部剪力大于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值也大于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80%，滿足《抗規》第5.1.2的要求。按照時程波計算所得地震剪力在頂部樓層大于振型分解反應譜法計算所得地震剪力，施工圖設計將對頂部樓層的地震剪力進行調整。

6 罕遇地震彈塑性分析

6.1 進行罕遇地震彈塑性時程分析的目的

（1）評價結構在罕遇地震作用下的彈塑性行為，根據主要構件的塑性變形和整體結構變形情況，確定結構是否滿足“大震不倒”的設防水準要求。

（2）根據結構在大震作用下的基底剪力、剪重比、層間位移角等綜合指標，評價結構在大震作用下的力學性能。

（3）分析梁、柱、墻、連梁主要構件在大震下的塑性鉸的出現順序和構件損傷程度，判斷結構的關鍵構件與性能目標的吻合度。

（4）通過計算分析發現薄弱樓層以便有的放矢的予以加強。

（5）評價結構總體抗震性能，并針對分析結果中揭示的設計問題提出適當的改進或加強建議。

6.2 地震波的選用及其頻譜特性

依照抗震規范要求，選用了一組人工波（USE1波）和兩組天然地震動記錄（USE2波和USE3波）和。按照規范要求，進行了雙向時程分析，各分析工況均采用雙向輸入，主、次方向地震波強度比按1：0.85確定，罕遇地震峰值加速度取200gal。

6.3 彈塑性時程分析的總體結果

6.3.1 基底剪力分析

3組地震波作用下結構在x、y兩個方向基底剪力最大值分別為89376.9KN（USE1）和96450.5KN（USE2）。3組地震波計算的最大基底剪力與相應的剪重比，匯總于表2。

6.3.2 結構的彈塑性位移響應

三組地震波輸入下，塔1結構頂層（大屋面）X向位移最大值為0.22m（USE1）、塔2結構頂層（大屋面）X向位移最大值為0.24m（USE1），分別為結構總高度的1/268、1/246。塔1結構頂層（大屋面）Y向位移最大值為0.33m（USE2）、塔2結構頂層（大屋面）y向位移最大值為0.28m（USE1），

6.3.3 結構層間位移角響應

根據沿X、Y向為主向輸入時結構在各主方向的最大樓層位移角曲線。結構在罕遇地震作用下，塔1彈塑性層間位移角整體上變化不大未觀察到明顯的突變。塔2在第10層由于有收進，觀察到明顯的突變，塔2在第10層產生明顯的薄弱層。

在罕遇地震下結構連梁最先出現塑性鉸，然后連梁損傷迅速發展并出現剪切損傷，連梁損傷逐步累積；結構部分框架梁進入塑性階段參與結構整體塑性耗能；隨著罕遇地震時程的輸入，裙房頂部剪力墻、塔樓頂部剪力墻和立面收進塔樓底部剪力墻的角部、洞口邊出現剪切破壞；剪力墻軸壓受壓一直處于彈性狀態，沒有出現混凝土壓碎損傷；除個別剪力墻鋼筋達到屈服，剪力墻鋼筋拉壓應力均小于屈服強度，處于彈性狀態。由于結構存在塔樓偏置，導致部分裙房四角剪力墻剪切應變比較大，達到極限狀態；部分墻體在雙向地震作用下出現拉應力較大，故設計在剪力墻端部加設型鋼。隨著剪力墻第一道防線破壞，地震力里往框架柱上分配，框架柱出現部分屈服，底部加強區只有個別框架柱屈服。

結構破壞形態及抗震性能總結：

（1）在完成罕遇地震彈塑性分析后，結構仍保持直立，3組波層間位移角滿足小于1/100的規定要求，結構整體性能能滿足“大震不倒”的設防水準要求。

（2）在罕遇地震波輸入過程中，結構的破壞形態可描述為：在罕遇地震下結構連梁最先出現塑性鉸，然后連梁損傷迅速發展，隨時程輸入連梁損傷逐步累積；結構部分框架梁進入塑性階段參與結構整體塑性耗能，但框架梁整體塑性損傷有限；結構框架柱全部未進入屈服狀態，部分框架柱出現開裂；地震輸入結束時剪力墻出現極少量局部損傷，未出現剪力墻全截面進入屈服狀態。

（3）罕遇地震作用下，框架梁的塑性損傷超過開裂強度水準，達到屈服強度水準，實現耗能；除很少部分頂層框架柱達到屈服強度水準，大部分框架柱塑性損傷達到開裂強度水準，底部加強區域只有一兩根框柱達到屈服水準。結構外框架作為第二道設防體系具有足夠的富余。

綜上，結構在罕遇地震輸入下的彈塑性反應及破壞機制，符合結構抗震工程的概念設計要求，抗震性能達到 “大震不倒”的性能目標。

7 結構性能設計

7.1 結合本超限建筑的工程特性

綜合考慮抗震設防、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等多方面因素，根據《高規》3.11節結構抗震性能設計的有關內容，確定本工程抗震性能化目標為C級。即在多遇地震、設防地震及罕遇地震作用下分別達到1、3、4三個水準的性能要求。

7.2 中震偏心受拉墻驗算

由于本工程有數項超限的高層，為保證結構的安全，設計中提高了重要結構構件的安全度水平，中震作用下，底部加強區剪力墻及普通豎向構件滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服，經計算墻體中震下能滿足抗剪彈性要求。

底部墻體混凝土強度等級為C60，由《混規》表4.1.3-2，ftk=2.85N/mm2。底層墻肢中震時雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力，大部分墻肢的平均名義拉應力小于混凝土軸心抗拉強度標準值。平均名義拉應力大于混凝土軸心抗拉強度標準值的墻肢設置型鋼，根據彈性模量換算后的平均名義拉應力均不超過兩倍混凝土抗拉強度標準值。滿足《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》要求。

7.3 大震墻肢剪壓比驗算

由于本工程中的剪力墻端部均設置鋼骨，按照《高層建筑混凝土結構技術規程》3.11.3的第4款規定，鋼筋混凝土豎向構件的受剪界面應符合式3.11.3-4的規定：

[VGE]+[V*EK][≤]0.15[fck]b[h0]

計算結果表明，墻體的墻肢截面尺寸滿足規范要求。

8 樓板應力分析

裙房板厚為120mm，裙房中庭區域區域為150mm。樓板混凝土強度等級均為C35。本工程的樓板應力分析地下室頂板、二、三層大開洞層的樓板應力，通過應力分布圖得出樓板受力集中與相對薄弱的部位，為樓板的構造加強提供依據。本文通過分析多遇地震作用下、設防地震作用下樓板應力。利用midas/gen對整體模型進行多遇地震、設防地震作用下樓板應力分析。多遇地震作用時，樓板在框柱和剪力墻周邊和洞口周邊拉應力達到0.6MPa～1.5MPa，不超過混凝土C35抗拉強度標準值2.20MPa。樓板基本能滿足“小震不開裂”的要求。設防地震作用時，樓板在框柱和剪力墻周邊和洞口周邊拉應力達到1.0MPa～2.43MPa。中震作用下，鋼筋應和豎向荷載彈性計算的樓板鋼筋相加。

9 抗震加強措施

9.1 針對剪力墻的加強措施

鋼筋混凝土剪力墻作為本結構的主要抗側力體系，承擔50%以上的基底剪力及50%以上的傾覆彎矩，是整個結構的第一道抗震防線，其底部加強區的安全更關系到整個結構體系的安危。因此，對本項目底部加強區的剪力墻，采取了以下加強措施：

（1）剪力墻的抗震等級取一級，本項目東西兩棟塔樓與裙房之間未設縫斷開，底部加強區范圍為地下兩層。按規范要求控制加強區墻體在重力荷載代表值設計值下的軸壓比在0.5以下。

（2）設防地震時雙向水平地震下，墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力超過混凝土抗拉強度標準值時，墻內設置型鋼，控制平均名義拉應力不超過兩倍混凝土抗拉強度標準值。

（3）在罕遇地震作用，剪力墻截面尺寸滿足大震受剪驗算要求。

（4）在較厚墻體中布置多層鋼筋，以使墻截面中剪應力均勻分布且減少混凝土的收縮裂縫。

9.2 針對穿層柱、轉換柱的加強措施

因建筑功能及立面要求，本工程存在二層層高穿層柱及轉換柱。為提高結構整體抗震性能，采取以下措施：

（1）采用抗震性能較好、技術成熟可靠的型鋼混凝土柱，并適當提高型鋼的含鋼率。（2）增加轉換應力分析，確保設防地震時節點處于彈性狀態。（3）對跨層柱進行屈曲分析確定計算長度。（4）增大柱子截面，按設防地震作用下處于彈性狀

9.3 立面收進處加強措施

針對東塔立面收進大于25%，收進部位豎向構件抗震等級提高一級，并定義為關鍵構件，滿足大震抗剪彈性，抗彎不屈服性能目標。

10 結論

本工程的結構體系采用框架剪力墻的雙重抗側體系。根據其重要性，確定建筑結構安全等級為二級。整體結構及構件全面融入了性能化設計思想，整體采用C級抗震性能化設計目標，關鍵轉換柱按照中震彈性進行設計。

通過合理調整框架與剪力墻的抗側剛度，提高了框架柱對結構整體剛度的貢獻，顯著提高了框架柱二道防線整體安全水平，降低剪力墻剛度退化及其內力重分布對結構整體的不利影響。同時，剪力墻底部加強區采用設置型鋼的措施提高延性。

綜上所述，本工程的結構設計滿足了規范設計要求，可滿足結構安全性目標。

參考文獻：

[1] GB 50223—2008.建筑工程抗震設防分類標準[S].

[2] GB 50011—2010.建筑抗震設計規范[S].