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。抗震設防類別丙類，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。可知本工程結構高度超過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。控制底部加強區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。