上海某超高層大廈超限結構體系設計綜述

王偉杰（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200041）

上海浦江雙輝大廈位于陸家嘴金融貿易區，西靠浦東南路，南臨銀城中路。地上總建筑面積約 20 萬m2，地下建筑面積約 10 萬m2。由兩幢獨立超高層辦公樓組成，左幢為農業銀行辦公樓，右幢為建設銀行辦公樓。大屋面結構標高207 m，地上各有 49 層，地下 4 層。建筑效果圖，如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

大廈結構設計使用年限為 50 a，建筑安全等級二級，結構設計基準期 50 a?？拐鹪O防類別丙類，抗震設防烈度為 7度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為 0.10 g，場地類別為 Ⅳ 類，場地特征周期為 0.9 s。

1 結構體系

辦公樓為 A、B 兩幢，結構體系一致。下面以 A 幢為例介紹。

辦公樓的結構體系采用鋼筋混凝土框架（型鋼混凝土柱）-鋼筋混凝土筒體結構，底部平面尺寸 46 m×53 m，其中一邊逐層收進至辦公樓中部再逐步伸出。外框柱距12～14 m，內部核心筒尺寸 18.7 m×31 m，外框柱中至核心筒邊 7.8～13.5 m，結構平面規則、均勻，立面逐層收進再伸出，平面為規則類型。

結構布置上，重點是盡量均勻布置豎向抗側力構件的位置及大小，使結構體系能有適當的剛度和強度，在水平力、豎向力的作用下有良好的性能。筒體為主要的抗側力構件，筒體墻厚從底部由 1300 mm 漸變至頂部的 400 mm。在34層以下采用型鋼混凝土柱，而34層至屋頂層，則采用在柱中加配芯柱和復合箍筋等措施來保證柱的延性。核心筒剪力墻和框架柱混凝土強度等級從下到上為 C60～C40，樓面梁板混凝土采用 C35。

在低區和高區跨度較大的區域鋼筋混凝土梁截面采用加腋做法，同時對四周的框架梁予以加強。

本項目有 4 層地下室，均為鋼筋混凝土結構。標準柱距8.1 m×8.1 m，局部 9.0 m×9.0 m。僅在兩幢辦公樓之間設有一層裙房，與兩幢辦公樓以抗震縫分開。辦公樓以外的地下室均采用混凝土框架體系，適應使用功能和荷載要求，并為辦公樓提供水平嵌固作用。

嵌固層位置為 B1 層樓板，同時 B1 層樓板加厚至200 mm 可以傳遞水平力。辦公樓結構主要設計參數，如表1 所示。

表1 辦公樓結構主要設計參數

2 基礎設計

基礎選用樁+筏板形式。樁基選用鉆孔灌注樁。兩幢辦公樓抗壓區采用 Φ 850 m，樁身混凝土強度等級 C35（水下C40），持力層 ⑦2a，樁入土深度 65 m，有效樁長 44 m，采用后注漿工藝，單樁抗壓承載力設計值 6600 kN（未考慮樁底注漿后單樁承載力提高）。 裙房及其余抗浮區域采用Φ 700 mm 或 Φ 600 mm 的抗拔樁。

辦公樓芯筒下基礎底板厚 3500 mm，辦公樓芯筒外基礎底板厚 3100 mm；裙房基礎底板密集拔樁區及兩幢辦公樓之間厚度為 1400 mm，其他區域為 1200 mm。

3 超限判別和對策

超限情況匯總，如表2 所示?？芍竟こ探Y構高度超過B級框架-核心筒結構體系最大適用高度 180 m，且結構存在薄弱層。因此，必須對超限采取對策。

表2 超限情況匯總

3.1 超限性能目標

根據性能化抗震設計的概念進行設計。設定超限性能目標，如表3 所示。

表3 超限性能目標

3.2 針對性抗震措施

設計中采取了一系列針對超限情況的抗震措施。

（1）辦公樓和裙房之間自 B1 層（嵌固層）以上設置結構縫，將裙房與辦公樓分成獨立部分，避免相互不利影響。

（2）提高底部加強區的剪力墻和框架柱的抗震等級為特一級?？刂频撞考訌妳^各墻肢在多遇地震下的主拉應力不大于混凝土抗拉強度設計值；各墻肢中震時截面剪力不大于斜截面承載力。

（3）地下二層豎向構件配筋不小于地下一層 1.1倍。

（4）結構薄弱層的地震剪應力乘以增大系數 1.15。

（5）嚴格控制底部加強區豎向構件的軸壓比，底部加強區內芯筒角部設置型鋼，底、中區周邊框架柱采用型鋼混凝土組合柱，高區混凝土柱采用設置芯柱的措施，提高其延性性能。

（6）對少量剪力過大的連梁，在連梁中間設置型鋼，以滿足強剪弱彎的抗震概念設計要求。

4 結構整體指標

結構整體計算分析采用 ETABS 軟件。計算的主要結果，如表4 所示。

表4 主要計算結果

5 結構設計要點

5.1 外圍斜框架柱設計

本工程采用混凝土框架-核心筒體系。核心筒一側的框架柱在低區和高區為斜柱，傾斜角度約為 85。（參見圖1）。針對這一特點，在結構分析中著重考慮了以下情況。

在 SATWE 結構整體分析中，對斜柱按支撐的形式輸入，以準確得到截面的軸力、彎矩和剪力，供截面設計使用。框架-核心筒體系中的框架部分作為抗側力體系的第二道防線，應具備一定的抗側能力。設計中根據 JGJ 3─2002《高層建筑混凝土結構技術規程》8.1.4條對 0.2Q0 的要求，對框架部分的地震作用標準值進行調整。由于部分框架柱為斜柱，SATWE 中不能直接考慮此部分結構的抗側貢獻，為此通過手算的方式提取斜柱層的框架部分剪力，再利用人工編寫調整系數的方式進行調整，確保 0.2Q0 調整的準確性。

利用 SAP2000 建立斜柱的單榀框架模型，對其進行精細化分析，并將此結果與 SATWE 分析結果進行對比，確保設計的準確性。采取 K 形框架分析，如圖2 所示，并有以下結論和措施。

（1）K 形框架頂部、底部轉折處存在水平拉力。頂部兩層與斜柱相連的框架梁按拉彎構件設計，并在梁、板配筋中考慮了此拉力的影響。頂層框架梁驗算了拉彎作用下的裂縫滿足規范相關要求。底部轉折處的拉力級別較高，為此在轉折層與斜柱相連的框架梁內設置了抗拉鋼骨，同時在框架梁與芯筒相交處設置鋼板，以傳遞拉力。

圖2 K 形框架分析

（2）K 形框架中部兩個轉折位置存在水平壓力。轉折層與斜柱相連的框架梁按照壓彎構件考慮，并在梁內設置鋼骨，傳遞此壓力。

（3）高區斜柱為外斜式。計算中考慮了 P-Delta 效應對斜柱的影響，并在柱配筋中予以考慮。對 K 形框架中的斜柱通高設置鋼骨，以提高其延性性能。

5.2 框支柱（SRC柱）分析

兩幢辦公樓在 18 層、35 層樓面處核心筒分別由南側和北側向內收，在保證結構側向位移滿足規范要求的前提下，逐步擴大了辦公面積，提高了建筑物的經濟性。在核心筒墻肢內收的同時，原核心筒部分內墻肢成為外墻，其墻肢上洞口情況發生變化，豎向抗側構件進行轉換。原內墻肢成為框支柱，且其受力情況復雜。因此，建立了單榀轉換模型，分析其內力情況。部分框支柱（墻肢）內力非常大 ，設計中在柱內設置鋼骨，并采用自編程序對其 N-M 關系進行計算，確保設計的可靠和安全。

5.3 靜力彈塑性分析

采用中國建筑科學研究院開發的 EPDA 程序對本工程辦公樓進行了靜力彈塑性（Pushover) 分析，驗算結構在大震時的薄弱部位和抗倒塌能力。

彈塑性靜力分析結果表明：結構在罕遇地震下的最大層間位移角滿足規范“大震不倒”的性能目標要求；同時，塑性鉸出現的部位、次序也符合抗震概念設計的要求，即連梁作為結構抗震的第一道防線，首先進入塑性，消耗地震能量，框架作為第二道防線，框架梁也進入塑性，形成梁鉸機制。因此，整個結構的抗震體系是合理、有效的。

6 結 語

本項目 A 幢辦公樓有多項指標超限。根據計算分析結果，依照抗震概念設計采取相應對策,并針對設計中的若干關鍵問題進行詳盡分析。根據分析結果，應加強薄弱部位，以確保超高層辦公樓安全、可靠。