上海某超限裝配式高層結構設計分析

劉 昌 勝

(中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 457000)

裝配式建筑由于其綠色環保、施工方便(像搭積木一樣的建造房子)，近年來越來越多的采用到工程中，本文通過對裝配式建筑的結構設計與分析，對裝配式建筑設計要點進行總結，對高度超限的裝配式結構進行彈性時程分析補充驗算，對關鍵構件進行抗震性能化設計，提出更高的施工質量要求，從而確保了裝配式結構的安全，供設計同行參考。

1 工程概況

本項目位于上海市青浦區，地塊東至青泰路，南至盈浦路，西至丁家港路，北至陳家江。本地塊設計由6棟商品住宅、1棟保障房(含兩層商業裙房)、1棟酒店建筑、兩層地下車庫組成。設計的室內地坪±0.000標高為5.50 m(吳淞高程基準)。地下車庫不設縫，地上為獨立的各棟單體。

本工程抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.10g，建筑場地類別：Ⅲ類，設計地震分組為第一組，設計特征周期為0.65 s。查GB 50009—2012建筑結構荷載規范可以得出，10年一遇的基本風壓：w0=0.40 kN/m2；50年一遇的基本風壓：w0=0.55 kN/m2；地面粗糙度類別：B類；1號～3號樓及8號樓高層整體位移指標控制采用50年重現期的風荷載控制，構件強度設計時則采用50年重現期基本風壓的1.1倍進行配筋設計和校核。

2 結構布置

以2號為例，根據建筑平面布置特點，結構體系采用裝配整體式鋼筋混凝土剪力墻結構體系，結構平面樓蓋體系采用裝配式疊合混凝土梁板體系，梁板混凝土強度等級均為C30；剪力墻墻身部分采用預制，混凝土強度等級為C40～C30。

根據相關規范對2號樓的不規則性進行判別：本單體考慮偶然偏心下的個別樓層扭轉位移比大于1.2，但不超過1.4，為扭轉不規則。本單體為裝配整體式剪力墻結構體系，根據DGJ 08—9—2013上海市建筑抗震設計規程中第7.1.3條表7.1.3(預制混凝土結構房屋使用的最大高度)的要求，本單體超過抗震設防烈度為7度抗震墻(預制疊合抗震墻)結構對60 m的最大高度的限制，故將此單體歸入建筑高度超限的特殊類型的高層建筑，故應進行超限高層抗震專項審查。

3 多遇地震下的抗震分析與設計

本單體結構采用PKPM-SATWE，PKPM-SAP計算程序，樓板采用剛性樓板假定，計算地震作用按照規范中要求的參數進行主體結構分析計算，均考慮空間扭轉耦連震動。選取地震波：根據《建筑抗震設計規范》的相關要求，本工程共選用三組時程曲線進行彈性時程分析，其中兩條天然波，一條人工波。振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線與三組時程曲線的平均地震影響系數曲線相符，其加速度時程的最大值按照規范35 cm/s2取值，頻譜特性和持續時間均滿足規范要求。

3.1 計算結果對比

本棟樓采用了PKPM-SATWE與PKPM-SAP進行分析，主要結果詳見表1。

表1 計算結果

3.2 結構彈性時程分析結果及比較分析

分析用地震波采用PKPM自帶地震記錄和人工波，2號樓具體選波見表2，SATWE和彈性時程計算結果對比見表3。

表2 2號樓彈性時程分析所用地震波特性

表3 2號樓(25F商品住宅)——單

結論：通過規范反應譜計算結果與彈性時程分析結果的對比分析，結果表明三條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值大于分解反應譜法計算結果的80%，每條時程曲線計算所得結構底部剪力均大于振型分解反應譜法計算結果的65%，選用地震波滿足規范及設計要求。

3.3 計算結果的分析

1)通過兩種計算模型的分析比較，發現其周期、振型、質量、地震力等基本接近，表明本工程計算模型的合理性。

2)通過計算分析，本工程上部結構的位移比大于1.2，屬于扭轉不規則。

3)彈性時程分析表明，各地震波的選取滿足規范要求，且各波的平均地震反應和最大地震反應均小于反應譜分析結果，反應譜結果可作為設計依據。

4 基于性能的抗震設計

為保證結構設計安全，除按照規范的要求及目標進行計算和設計外，亦提出了抗震性能化設計的要求。確定結構抗震性能目標為D級，對結構關鍵豎向構件(底部加強區剪力墻)按照正截面中震不屈服、斜截面中震彈性進行驗算。

計算結果表明，在設防烈度地震下，底部加強區剪力墻滿足斜截面抗剪彈性，正截面抗彎不屈服，可以實現預定的性能目標。

中震不屈服下，底層受拉墻體截面驗算結果表明：在中震下，大部分墻肢仍處于受壓狀態，部分小墻肢受拉。通過拉長或者加厚小墻肢后，受拉狀態的小墻肢拉應力標準值均小于混凝土抗拉強度標準值，滿足了規范要求。

5 大震作用下的彈塑性變形驗算

采用PKPM系列的PUSHOVER軟件進行了擬靜力推覆，來驗算驗證2號樓在大震作用下的彈塑性變形能力。抗倒塌驗算結果表明，在預估的大震作用下，X向和Y向彈塑性層間位移角小于規范限值，說明在大震作用下，本單體具有良好的變形性能，達到了“大震不倒”的抗震設防要求。

6 抗震設計加強措施

6.1 地下室頂板結構設計抗震加強措施

1)本工程各塔樓于地面以下連為整體且地下室頂板作為嵌固端，地下室頂板與地下室單體頂板存在約1.7 m的高差，在高差交接位置的豎向構件的抗震構造措施等級均提高一級，對單體塔樓與地下車庫頂板錯層交接位置設置1∶1坡度的梁上加腋，以保證水平力的有效傳遞。

2)由于本項目為地下室超長結構(長約221.1 m，寬77.0 m)，在地下室頂板、底板、側墻等合理部分設置溫度后澆帶，使其在施工階段形成35 m～40 m的溫度區段，減小溫度應力和溫度作用的影響。加強施工組織管理，做好施工養護，低溫入模，低溫合龍。

6.2 塔樓結構加強措施

1)針對塔樓高度超過DGJ 08—9—2013上海市建筑抗震設計規程中第7.1.3條表7.1.3(預制混凝土結構房屋使用的最大高度)中相應最大適用高度的情況，適當提高底部加強區范圍內的剪力墻及框架柱的配筋，且在底部加強區及上一層抗側力構件均采用現澆結構，避免采用裝配構件。

2)根據PKPM-SAP進行的彈性時程分析得出地震作用放大系數回填到PKPM-SATWE中進行結構的梁柱剪力墻配筋。

3)針對本工程為裝配整體式建筑，在設計時進行預制剪力墻墻身的定義，對現澆部分的結構構件進行內力及配筋的放大，放大比例不小于設計值的10%，剪力墻端部邊緣構件采用現澆結構。

4)結構抗震等級按照JGJ 1—2014裝配式混凝土結構技術規程中第6.1.3條確定為二級，按照二級對結構進行內力調整，并采取抗震構造措施。

5)布置剪力墻時，避免采用較多的短肢剪力墻，短肢剪力墻承擔的底部傾覆力矩小于結構底部總地震傾覆力矩的30%。短肢剪力墻不得采用預制墻體，須采用全現澆，嚴格控制其軸壓比，適當提高墻身配筋率，保證短肢剪力墻的延性。

6)嚴格要求施工質量：對預制構件連接節點采用全預拌混凝土現澆，豎向構件鋼筋連接處采用套筒灌漿，要加強監測，確保灌漿質量。

7)連廊處樓板和梁不得采用預制構件，采用全預拌混凝土現澆，適當加厚樓板加強配筋，保證傳力連續性。

7 結語

按照相關國家規范、規程對本單體在地震荷載、重力荷載及風荷載作用下進行了詳細分析。各項參數指標基本達到規范要求；在施工圖中有針對性地加強構造措施。

根據本工程的超限情況，提出抗震性能化設計目標，對關鍵構件(底部加強區剪力墻)進行抗震設防地震下驗算及罕遇地震下的彈塑性分析，有針對性地提出了高于規范的設計要求，并保證結構在高于設防烈度的地震作用下仍具有一定的安全性。提高對施工質量的要求，設計與施工相結合，從而保證了建筑的結構安全。