上海世博A09A-01地塊項目塔樓超限設計

林 曉 宇

(華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002)

1 工程概況

本工程位于上海黃浦江西岸，世博園區內A09A-01地區，總建筑面積57 714 m2，地上共13層，包括5層裙房，主要功能為辦公。本項目建筑高度為64.6 m，結構高度為58.5 m，地上建筑形態為一體，在2層局部為挑空，結構主樓與裙房不設縫，連成一體并在6層有較大尺度收進，且形體較長，鑒于上部結構的復雜性以及預制裝配率要求，主體結構采用鋼框架—混凝土剪力墻結構體系。

建筑效果圖見圖1。

2 塔樓結構布置及超限情況分析

2.1 結構體系與布置

主樓地上共13層，首層層高為6.0 m，標準層層高為4.3 m，大屋面標高為58.350 m，小屋面標高為64.550 m。裙房地上共5層，大屋面標高為23.350 m，主樓與裙房連為一體，結構整體計算模型如圖2所示，2層及標準層結構布置如圖3所示。

本工程采用鋼框架—混凝土剪力墻結構體系，其抗側力結構體系主要由周邊鋼框架和內部混凝土核心筒組成，地震作用和風荷載所產生的剪力及傾覆力矩由二者共同協同作用傳遞至基礎。

2.2 超限情況分析

本工程塔樓高度不超限，有兩平面一般不規則和一項豎向一般不規則，不存在特別不規則，共3項不規則超限，為超限高層建筑，超限情況分析見表1[1，2]。本工程按要求進行了抗震超限審查，并獲得通過。

表1 塔樓超限情況分析表

2.3 抗震加強措施及抗震性能目標

針對以上超限內容，采取了如下加強措施。

2.3.1針對扭轉不規則采取的措施

塔樓長寬比較大(3.5)，整體結構的質心與剛心偏差較大；在水平地震作用下，整體結構將產生較大的扭轉效應。通過合理調整核心筒墻厚和墻肢長度等結構措施，減小平面質心與剛心的偏差，控制底部樓層規定水平力作用下考慮偶然偏心的樓層扭轉位移比在1.5以下，控制標準層扭轉位移比1.22；同時適當加大周邊框架梁的剛度，控制整體結構的扭轉周期比在0.85以內。

2.3.2針對尺寸突變情況采取的措施

針對首層軟弱層以及6層的立面收進超過相應尺寸的25%，有效控制結構的剛度比和抗剪承載力的比值，避免同時形成薄弱層和軟弱層；同時，對底部加強區樓層以及收進樓層的上下層的核心筒和框架柱，提高其抗震性能目標，即按“中震不屈服”驗算其承載力，按“大震不屈服”復核抗剪截面。對底部軟弱層，按1.25倍的地震力放大系數放大地震力。

2.3.3針對樓板不連續情況采取的措施

針對3層樓板不連續，設計時2層及3層采用鋼筋桁架樓承板，樓板按雙向雙層配筋，配筋率不小于0.25%，本層及上層的樓板厚度加厚至150 mm等構造措施，采用有限元軟件分析其在地震作用下的樓板應力，并復核其相應承載力。

關鍵構件的抗震設防性能目標如表2所示。

表2 本工程結構抗震性能目標

3 塔樓結構計算分析與設計

3.1 基礎設計

擬建場地主要由粘性土、粉性土及砂土組成，地層總體分布較穩定，無軟土震陷和液化土層分布，擬建場地為穩定場地，適宜建造本工程建(構)筑物。

本工程各擬建構筑物均采用樁基礎，塔樓區域采用φ700鉆孔灌注樁，樁長為30 m，樁端持力層為⑦2層粉砂層，考慮樁底后注漿，單樁豎向承載力設計值為3 400 kN。

筏板采用C35防水混凝土，設計抗滲等級P10。一般板厚1 100 mm，芯筒及柱下筏板加厚為1 400 mm。

經地基變形驗算，最大沉降量為22 mm，小于規范容許沉降值。

3.2 結構彈性計算分析

工程所在地上海市的建筑抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅳ類，特征周期為0.9 s。按GB 50009—2012建筑結構荷載規范和GB 50011—2010抗震設計規范對主要方向的地震和風荷載進行計算。

結構設計計算采用SATWE及ETABS兩個程序分別進行整體計算比較，保證計算結果的準確和完整[1,3]。SATWE和ETABS兩個程序計算結果見表3。

由表3可知：兩個程序的計算指標基本一致，結構的第一階振型為Y向平動，第二階振型為X向平動，第三階振型是繞Z軸扭轉，扭轉周期比為0.75，說明結構具有較大的扭轉剛度；位移比最大為1.46，小于1.5的限值。剪重比及剛重比都滿足規范要求。

表3 結構小震計算指標

按JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程計算的樓層與其相鄰上層的側向剛度比為1.37，不滿足不小于1.5(底部嵌固層)要求，說明結構存在剛度突變的軟弱層。受剪承載力比大于0.95，說明結構不存在薄弱層，底層不同時存在軟弱和薄弱層，設計時將底部剪力放大1.2倍，確保結構安全性。

3.3 罕遇地震動力彈塑性分析

為與“大震不倒”的第三水準抗震設防目標相對應，本工程對建筑結構進行了第二階段抗震設計，采用動力彈塑性方法分析，以期得到大震下的整體變形和關鍵構件損傷情況，對結構薄弱部位針對性的提出指導建議。

動力彈塑性分析采用三維非線性有限元軟件SAUSAGE進行，采用顯示積分方法，對梁柱采用桿單元，剪力墻、樓板采用分層殼單元，分析模型中將剪力墻約束邊緣構件采用簡化集中配置，將跨高比小于5的連梁采用殼單元模擬，并采用擬模態阻尼體系，確保模型動力響應充分。

采用一條人工波AW1.1-1和兩條天然波進行分析，每條地震波的基底剪力均大于振型分解反應譜法的65%且小于135%，三組地震波的基底剪力平均值大于振型分解反應譜法的80%且小于120%，所選地震波滿足規范要求。三條波的基底剪力如表4所示。

結構在X方向和Y方向的最大層間位移角分別為1/212和1/162，均滿足小于1/100的規范限值要求，滿足大震不倒的性能要求。

圖4表示塔樓在大震下的核心筒性能狀態，連梁大面積達到重度損壞或者嚴重損壞水平。連梁混凝土出現剛度退化后，形成耗能機制，保護了主體墻肢。主體大部分墻肢僅為輕度損壞，僅在底部樓層角部墻體出現小范圍中度破壞及重度損壞，但整個核心筒仍然具有較好的性能，能夠達到設計預期的抗震性能目標。對局部墻肢出現中度及重度損壞的區域，提高其構造及受力配筋率，提高其延性，減少大震下的損壞。

表4 大震彈塑性基底剪力及剪重比

4 結語

世博A09A-01地塊項目塔樓為超限高層建筑，本文對其超限類型和程度進行了分析，有針對性地提出有效控制安全的技術措施及性能目標要求。通過對小震作用下整體結構的計算分析，并對結構補充進行罕遇地震動力彈塑性分析，把握了結構的動力特性、控制了結構的位移及扭轉等指標，找出了影響結構抗震安全的薄弱位置并采取加強措施使之能滿足預期的性能目標，可滿足規范關于“小震(多遇地震)不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標，確保結構在地震下的安全。