上海真如城市副中心启动区A3地块9号楼及裙房超限高层结构抗震设计

刘桂

（上海建筑设计研究院有限公司，上海200041）

上海真如城市副中心启动区A3地块9号楼及裙房超限高层结构抗震设计

刘桂

（上海建筑设计研究院有限公司，上海200041）

针对上海真如城市副中心启动区A3地块9号楼及其裙房的工程概况，对该项目的结构布置及超限情况进行了介绍，采用SATWE和PMSAP有限元计算程序对该超限结构进行了抗震分析，并找到了结构抗震薄弱部位，结果表明，该超限高层结构的设计均能满足规范要求，剪力墙作为抗震第一道防线，具有较好的延性，框架作为抗震第二道防线，保证大震作用下的结构安全，对于结构薄弱部位，采用构造加强措施确保抗震性能。

超限高层；抗震设计；框架-剪力墙

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.004

1 工程概况

上海真如城市副中心项目9号楼位于A3地块北侧，设有2层地下室，并与A3地块地下室整体相连。地上2层为带裙房的商业，层高分别为5.5m和5.0m。其上部建筑功能为：办公与酒店，其中，低区标准层（3～13层）为办公，平面形状为L型布置（见图1）。高区标准层（14层～屋顶层）为酒店，平面形状收至矩形（见图2）。上部结构标准层层高均为3.1m，机电转换层和管道夹层分别位于标高10.50m和46.60m处，层高分别为2.0m及2.150m，结构主屋面标高98.350m。

9号楼地上部分为标准设防类建筑（丙类），地下1层、地下2层主要建筑功能为商业，营业面积超过7 000m2,属重点设防建筑（乙类）。本工程设计使用年限为50a，设计基本地震

加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.9s，结构阻尼比为0.05。

图1 低区标准层结构平面（L型）

图2 高区标准层结构平面（矩形）

2 结构体系与布置

A3地块9号楼地上31层、地下2层。根据建筑高度以及建筑平面的特点，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，以钢筋混凝土剪力墙作为抗震第一道防线，钢筋混凝土框架作为抗震第二道防线。

9号楼首层框架柱截面尺寸主要为1200mm×1000mm，直至低区、高区标准层逐渐变化为800mm×800mm，剪力墙厚度为200～450mm，框架梁截面尺寸主要为450mm×700mm，外框架梁截面尺寸为600mm×800mm，以便有效削弱结构的扭转效应。首层板厚为180mm（室外250mm），机房及屋面板厚为150mm，2层、3层楼面大开洞以及14层、15层结构立面收进，板厚为150mm，其余楼层板厚均为110mm。

3 结构不规则简介

3.1 平面不规则

A3地块9号楼及其裙房在平面上同时具有以下不规则情况[1]。

平面不规则主要类型：

1）扭转不规则：考虑偶然偏心，最大层间位移比为1.34，大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍；

2）平面凹凸不规则：在低区标准层部分，结构平面的凸出长度大于相应投影方向总尺寸的50%；

3）楼板不连续：裙楼2层、2层夹层为门厅上空，存在楼板开洞，此处有效楼板宽度小于该处楼板典型宽度的50%；

3.2 竖向不规则

A3地块9号楼及其裙房在平面上同时具有以下不规则情况。

竖向不规则主要类型：

1）侧向刚度不规则：在第14层处立面收进，局部收进后的水平向尺寸小于相邻下一层的50%；

2）竖向抗侧力构件不连续：轴线L交轴线9-N、9-M及轴线9-K3根框架柱在首层转换；

依据我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[2]，当结构具有3个或3个以上主要不规则类型时，为特别不规则结构，具有较明显的抗震薄弱部位。因此，由3.1、3.2所列不规则类型情况可知，A3地块9号楼及其裙房属于特别不规则结构。

4 结构计算

为研究A3地块9号楼及其裙房的抗震性能，并找出该结构的抗震薄弱部位，采用中国建筑科学研究院研发的SATWE和PMSAP有限元计算程序，对该结构进行了小震分析、静力弹塑性分析(Push-over)、弹性时程分析以及楼板应力分析。文献[3]指出，对于高层建筑结构的转换构件，因竖向抗侧力构件上下不连续，若在结构计算模型中仍采用刚性楼板假定，则会导致转换层的层间位移角、转换层相邻楼层的剪力分配等指标存在较大的误差，故本结构在整体模型计算分析时，对转换层及其相邻楼层均采用弹性膜进行模拟。

4.1 振型、周期比及位移比

表1 结构自振周期、周期比及结构总质量

依据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》[4](JGJ 3—2010)，计算振型数应使各振型参与质量之和不小于总质量的

90%，扭转为主的第一自振周期T3与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85。由表1计算结果可知，结构X、Y向振型参与质量之和以及结构扭转周期比均能满足规范要求。此外，在风荷载和地震作用下，结构最大扭转位移比小于1.4，楼层最大位移角小于1/800，首层X、Y向最大层间位移角小于1/2000，均能满足规范要求。

4.2 框架柱地震剪力比及倾覆力矩比

规定水平力作用下，框架柱地震剪力比和倾覆力矩比分别如图3和图4所示。

图3 规定水平力作用下框架柱地震剪力比

图4 规定水平力作用下框架柱倾覆力矩比

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010),框架部分分配的楼层地震剪力标准值的最大值不宜小于结构底部总地震剪力标准值的10%，而图3结果表明，A3地块9号楼及其裙房的框架部分X、Y向分配的地震剪力标准值的最大值均大于底部总地震剪力标准值的10%。因此，对于框架部分分配到地震剪力标准值小于底部总地震剪力标准值的20%的楼层，按结构底部总地震剪力标准值的20%和框架部分楼层地震剪力标准值中最大值的1.5倍二者的较小值进行了调整。

由图4可知，在规定的水平力作用下，结构X、Y向底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值分别为43.95%、24.51%，大于10%但不大于50%，依据文献[4],本结构可按框架-剪力墙结构进行设计。

4.3 楼层刚度比、楼层抗剪承载力、轴压比及刚重比

楼层刚度比和楼层抗剪承载力如图5、图6所示。

图5 楼层刚度比

图6 楼层抗剪承载力

对于框架-剪力墙结构，计算楼层侧向刚度比时考虑层高修正，依据文献[4]，要求本层与相邻上层侧向刚度比值不宜小于0.9，当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1，对结构底部嵌固层，该比值不宜小于1.5；同时，层间受剪承载能力不宜小于其相邻上层受剪承载能力的80%。由图5、图6可知，A3地块9号楼及其裙房各楼层刚度比以及楼层受剪承载能力比均能满足规范要求。

结构底部剪力墙及框架柱轴压比分别为0.5和0.74，分别小于规范限值0.6和0.85。由此可知，剪力墙具有较好的延性

和一定的冗余度，能作为结构抗震第一道防线，具有良好的抗震性能。

结构X、Y向刚重比分别为4.45、3.55，满足规范要求，并可在弹性分析时不考虑重力二阶效应的不利影响。

4.4 弹性时程分析

采用弹性时程分析方法和振型分解反应谱法(CQC)分别对结构进行分析，弹性时程分析选用上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》[5](DGJ 08—9—2013)附录 A所列的SHW1～7条地震波，其中 SHW1、SHW2为人工波，SHW3～SHW7为天然波，特征周期为0.9s，加速度峰值调整为35cm/s2。

依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)，弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。由结果可知，弹性时程分析所选用地震波的计算结果均能够满足规范要求。此外，CQC计算基底剪力值能包络各条地震波弹性时程分析计算值，因此，采用CQC方法计算偏于安全。

4.5 静力弹塑性分析

采用静力弹塑性法(Push-over)对结构进行分析，用以判断在未来可能地震作用下结构及构件的变形能力。分析时，梁柱等一维构件采用纤维束模拟，剪力墙等平面构件采用弹塑性墙单元模拟，单元切线刚度直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系[5]。结构侧向加载采用倒三角加载模式和弹性CQC地震力加载模式。罕遇地震影响系数取值0.45，特征周期取1.1s。

由计算结果可知，结构大震性能点对应的X向、Y向层间位移角分别为1/176与1/178，均小于规范限值1/100的要求。X、Y向大震、小震性能点对应基底剪力值以及采用CQC法计算多遇地震下基底剪力值如下表2所示。从表中结果可知，X向大震性能点处基底剪力值，约为小震性能点处4.4倍，CQC法计算多遇地震下结果的3.5倍；Y向大震性能点处基底剪力值，约为小震性能点处4.3倍，CQC法计算多遇地震下结果的4.3倍。

表2 基底剪力对比

在整个静力弹塑性分析过程中，塑性铰首先出现在连梁上，并随着加载步数的增加、裂缝的开展，连梁上塑性铰的数量逐渐增加，同时，局部底部剪力墙也出现塑性铰而退出工作。当墙体裂缝逐渐加大时，退出工作的墙肢越来越多，同时框架梁两端出现塑性铰。最后底层框架柱出现塑性铰，结构变为机构。

从塑性铰的形成、发展来看，本结构基本符合抗震概念设计的要求，即连梁和剪力墙作为抗震第1道防线，率先进入塑性，并消耗地震能量，框架作为抗震第2道防线，能够抵挡后续的地震作用，保证结构的安全。

大震作用下，结构整体呈现弯剪变形，底部加强区的部分墙体刚度退化较大，局部墙肢出现水平和斜向裂缝。底部加强区在设计过程中重点加强，尤其是裂缝开展较多的墙肢，并适当提高边缘构件及水平、竖向分布钢筋的配筋率，以提高剪力墙的抗剪承载能力。

4.6 楼板应力分析

为保证结构整体的抗震性能，对A3地块9号楼2层、3层存在大开洞的楼板进行应力分析，保证小震下楼板不开裂及中震下楼板钢筋不屈服。

由计算结果可知，除却个别应力集中点，楼板拉应力值在0.13～1.50MPa范围内，楼板应力集中主要在洞口周边及楼板阴阳角附近区域。

小震下，楼板应力应满足σ1k,小震≤ftk，其中，ftk为混凝土抗拉强度标准值，σ1k,小震为考虑地震作用效应组合的小震下楼板主拉应力标准值。2层、3层楼板混凝土强度等级为C35，其混凝土抗拉强度标准值为2.2MPa，故楼板应力能大致满足小震下不开裂的要求。

5 抗震构造加强措施

由分析结果可知，本结构存在的抗震薄弱部位，应对薄弱部位进行抗震构造加强，以保证结构的抗震性能，具体如下：

1)楼板开洞处，周边梁纵筋拉通，腰筋加强，周边柱配筋率适当提高；

2)2、3层楼板大开洞，板厚增至150mm，按弹性板计算，真实模拟楼板受力情况。

3)立面收进楼层(14层)及其相邻楼层板厚增至150mm，采用双层双向配筋，并适当放大配筋量，同时加大此范围内柱配筋。

4）严格控制结构底层剪力墙、柱的轴压比，使结构具备一定的安全储备。

5）跃层柱抗震措施提高一级。

6）针对结构超短柱，采取箍筋全长加密、适当增大纵筋配筋率等构造措施保证构件延性。此外，以中震不屈服模型控制超短柱的配筋，以大震不屈服模型控制超短柱的截面，同时控制在大震性能点下，超短柱不出现塑性铰。

7）按大震下抗剪性能设计底部剪力墙肢截面。

6 结语

由于建筑使用功能的需要，A3地块9号楼及其裙房结构属于存在多种平面不规则及立面不规则类型的复杂超限高层结构。采用两种有限元软件计算对比小震下结构各种效应，以确保计算结果的可靠性。对比弹性时程分析与振型分解反应谱法(CQC)计算结果，可知CQC计算结果能够包络弹性时程分析各值，故用CQC法计算结构弹性地震作用效应是安全的。对结构进行静力弹塑性分析，可知连梁和剪力墙率先出现塑性铰，耗散能量，能作为抗震第一道防线，框架作为第二道防线，抵抗后续地震作用，保证结构安全。对大开洞楼板进行应力分析，保证小震下楼板不开裂及中震下楼板钢筋不屈服。此外，对抗震薄弱部位采用构造加强措施。通过以上分析及薄弱部位的加强，能够保证本结构的安全可靠性，并具有良好的抗震性能。

【1】吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].上海：同济大学出版社,2005.

【2】GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].

【3】荣维生，王亚勇.楼板刚、弹性计算假定对梁式转换高层建筑地震作用效应的影响[J].建筑结构，2005,35（11）：19-21.

【4】JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

【5】上海市城乡建设和交通委员会.建筑抗震设计规程[M].上海：同济大学出版社，2013.

【6】王启文,吕志军,雷婷.深圳迈瑞大厦超限结构抗震设计[J].建筑结构学报,2009（S1）:87-93.

Seismic Structural Design of Complex High-rise Building Named No.9 Building and Podiumin A3 BlockWhich is thePromoter Zone of Zhenru Sub-center in Shanghai

LIU Gui
（InstituteofShanghaiArchitecturalDesignandResearchCo.Ltd.,Shanghai 200041,China）

This article is going to introduce and analysis the structure layout design of No.9 B-uilding and its annex structure located at Zhenru auxiliarycity center,qidong A3 district.Wit-h the assistance of finite element analysis software such as SATWE and PMSAP,the out-of-codesstructure'sabilitytoresistseismicmovementhasbeenanalyzed;subsequentlyitsweakn-essparthasbeenidentifiedandlocated. Theresultsindicatethatthestructureaspectofthiso-ut-of-codeshigh-risebuildingfulfillstherequirementsofcurrentstandardsimplemented byCh-ineseauthority.Actingasthefirstlineofdefensetoresistearthquake,shear-wallpossessesn-oticeablepropertiessuchashighductility. Asthe second line of defense,the frame isable t-o ensure the integrityofthe structure.Structure fortification methods should be applied at stru-cture'sweakspot.

out-of-codeshigh-risestructure;seismicresistancedesign;Frame-Shearwallstructure

TU973

B

1007-9467（2016）07-0031-05

2016-04-18

刘桂（1984～），男，江苏盐城人，工程师，从事结构工程研究，（电子信箱）liugui@isaarchitecture.com。