上海某超限高层建筑的结构分析及其措施

2018-02-03有亮

上海理工大学学报 2018年1期

, 有亮,

(1.上海理工大学环境与建筑学院,上海 200093; 2.上海建筑设计研究院有限公司,上海 200041)

1 工程概况

本项目位于上海浦东新区,北临耀体路,东临平家桥路,用地面积14 679.1 m2,地上总建筑面积88 791.4 m2,地下总建筑面积38 083.6 m2.本项目的地块平面如图1所示,主要由塔楼T3,T4及其裙楼组成,形成大底盘双塔楼的高层结构.塔楼T3地上主体结构15层、地下3层,结构主屋面高度为66.00 m;塔楼T4地上主体结构24层、地下3层,结构主屋面高度为106.50 m.塔楼T3和T4由位于裙楼的抗震缝分开,抗震缝宽度为150 mm.塔楼采用钢筋混凝土框架—核心筒结构.本文对塔楼T4进行超限分析及论述.

图1 本项目地块平面Fig.1 Plot plan

2 有关设计计算指标和参数取值

a. 设计使用年限及结构安全等级:本工程设计使用年限为50年.裙楼地下一层及塔楼的一至四层的建筑结构安全等级为一级,建筑抗震设防类别为标准设防类(乙类);塔楼五层及以上的建筑结构安全等级为二级,建筑结构抗震设防类别为标准设防类(丙类).

b. 基本风压:50年重现期的基本风压为0.55 kN/m2.根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[1],本塔楼工程结构超过60 m,属于对风荷载较敏感的高层建筑,风荷载按照1.1倍基本风压进行计算.地面粗糙程度为C类.

c. 设防烈度:本工程设计采用的基本地震加速度值为0.10 g (相当于抗震设防烈度7度),设计地震分组为第二组,水平地震影响系数最大值在多遇地震时取0.08,在罕遇地震时取0.50,场地类别为Ⅳ.

3 结构抗震性能目标

本项目的抗侧力体系为:框架—核心筒.核心筒剪力墙作为最重要的抗震防线,承担大部分的水平剪力及倾覆弯矩.布置于周边的框架结构也为整体结构提供了较大的抗剪及抗弯刚度.通过混凝土楼板相连,核心筒剪力墙与框架共同工作,以控制层间位移,满足规范对层间位移角的限值.结构分别采用SATWE和PMSAP两种不同力学模型的三维空间分析软件进行整体计算,采用弹性方法计算结构荷载和多遇地震作用下内力和位移,并考虑P-效应,采用弹性时程分析法进行补充验算.图2为塔楼T4的计算模型.

图2 3D 计算模型Fig.2 3D computing model

a. 楼板分析设计的目标.

多遇地震下(小震),框架梁处于偏心受拉工作状态,按偏心受拉构件进行设计,根据地震作用下,弯矩、轴力通过承载力计算确定梁内的纵筋,同时满足正常使用状态下最大裂缝宽度wmax<0.3 mm的要求.设防烈度地震下(中震),通过承载力计算,梁内配置足够的钢筋以满足中震钢筋不屈服.

为满足规范[2-9]对楼层位移角的要求,结构将用表1层间位移角限值设计.

表1 层间位移角限值Tab.1 Limit value of the story drift ratio

b. 为满足规范[2-9]对楼层位移角的要求,混凝土结构将用表2受弯挠度限值设计.混凝土受弯构件的挠度应按荷载效应的准永久组合并考虑荷载长期作用影响进行计算.其中l0为混凝土受弯构件跨度.

表2 混凝土结构受弯挠度限值Tab.2 Bending deflection limit value of the concrete structure

c. 为满足规范[2-9]对楼层位移角的要求,钢结构将用表3受弯挠度限值设计.其中l为受弯构件跨度,悬臂梁为悬伸长度的2倍.

表3 钢结构受弯挠度限值Tab.3 Bending deflection limit value of the steel structure

4 超限判断

4.1 超限判断

对照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[11],本项目存在扭转不规则、偏心布置、楼板不连续、尺寸突变、局部穿层柱等多项不规则类型.其结构超限判断如表4和表5所示.本项目属于A级高度的高层建筑.根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》,对于7度抗震设防烈度区(0.10 g),采用框架—核心筒体系时,建筑高度小于130 m为A级建筑.

表4中可知,裙楼以上部分的最大扭转位移比为1.29,含裙楼部分的最大扭转位移比为1.41,属扭转不规则超限.4层以上塔楼偏心率小于0.15;2～4层由于裙楼偏置,偏心率大于0.15(最大偏心率在2层为0.16).裙楼层面缩进处,塔楼上部质心与下部底盘的质心差与底盘相应边长的比值分别为3.2%和24.1%,属偏心布置超限.建筑二、三层存在平面开洞,属楼板不连续超限.塔楼不发生尺寸突变,尽管裙楼屋面收进尺寸大于25%,裙楼高度为塔楼高度的15.5%.局部有穿层柱,属局部不规则超限.

表4 T4塔楼结构一般规则性超限检查Tab.4 General regularity transfinite checks of the T4 structure

表5 T4塔楼结构严重规则性超限检查Tab.5 Serious regularity transfinite checks for the T4 structure

5 超限设计的措施和对策

本项目采用了两个不同力学模型的结构分析软件(SATWE,PMSAP)进行了整体计算分析,以保证力学分析的可靠性.从其后的分析结果可知,PMSAP和SATWE的分析结果基本一致.

5.1 针对扭转不规则的措施

高层建筑扭转不规则的判断,主要从刚重比、周期比、位移比、剪重比等方面考虑[12].结构高度越高,平面扭转效应的控制越严.《高层建筑混凝土结构技术规程》中3.4.5条规定[1],一般情况下,应控制各楼层,考虑偶然偏心的扭转位移比不大于1.5.结构扭转为主的第一振型周期Tt与平动为主的第一振型周期T1之比,A级高度高层建筑不应大于0.9.《高层建筑混凝土结构技术规程》中5.3.7条规定[1],高层建筑结构计算中,当地下室的顶板作为上部结构嵌固端时,地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍.剪重比是反映地震作用大小的重要指标,它可以由“有效质量系数”来控制,当“有效质量系数”大于90%时,可以认为地震作用满足规范要求.

SATWE和PMSAP建模的结构动力特性见表6和表7,塔楼T4的X向与Y向嵌固层下层与上层的刚度比均大于2,满足规范要求.表6,第一振型T1以X向为主、第二振型T2以Y向为主,第三振型以扭转为主,两个软件计算的周期比Tt/T1<0.90,满足规范要求,扭转刚度强.根据结构布置,塔楼T4在考虑偶然偏心时,裙楼以上部分的楼层最大扭转位移比为1.29,小于 1.4;含裙楼部分的楼层最大扭转位移比为 1.41,小于 1.5;满足规范要求.塔楼T4在X向和Y向有效质量系数均大于90%,满足规范要求.

表6 SATWE和PMSAP计算模型振型指标Tab.6 Vibration mode index by calculation model SATWE and PMSAP

在设计中,若存在扭转不规则,主要从刚重比、周期比、位移比、剪重比等指标考虑.通过对整体结构的平面布置的调整,合理调整整个结构体系的刚度(包括抗扭刚度),结构的扭转效应减小至最小,从而增强整个结构体系的抗震性能,并严格控制结构的周期.

5.2 针对偏心布置的措施

为了减少结构的扭转振动反应,上部塔楼结构的综合质心与底盘结构质心的距离不宜大于底盘相应边长的20%.底盘屋面层楼宜连续,不宜出现大开洞、错层、连接薄弱等不规则类型.

塔楼T4上部质心与下部底盘的质心差为3.2%,其质心距离为底盘相应边长的24.1%. 塔楼由于偏心体型收进,上下质心的偏移超过 20%,引起结构竖向不规则,需要对塔楼、裙楼周边竖向构件以及裙楼屋面加强,来弥补超限带来的不利影响.

表7 SATWE和PMSAP计算模型结构技术指标Tab.7 Structure technical index by calculation model SATWE and PMSAP

具体加强措施如下:

a. 裙楼屋面收进部位的楼板(L4)加厚至150 mm,楼板双层双向通长配筋.体型收进部位上、下结构的楼板也应加强构造措施.

b. 体型收进部位上、下各两层塔楼周边竖向结构构件(如图3所示)的抗震等级宜提高一级. 体型收进部位下两层塔楼周边竖向结构构件的抗震等级由一级提高至特一级,而体型收进部位上两层塔楼周边竖向结构构件的抗震等级由二级升到一级.

图3 结构加强部位Fig.3 Structural reinforcement site

c. 由于塔楼T4为偏心收进,加强收进部位以下 2 层结构周边竖向构件的配筋构造措施.例如,柱纵向钢筋的最小配筋率宜适当提高(宜提高10%以上),柱箍筋在加强范围内加密等.

5.3 针对楼板不连续的措施

对楼面平面开大洞的情况,大洞口周边宜设钢筋混凝土梁,并加强洞口周围楼板的厚度及配筋.对由于楼面开洞形成的狭长板带传递水平力时,周边梁的拉通钢筋及腰筋应予以加强,并可靠锚固.

a. 针对L2,L3层建筑平面大开洞的情况,在设计时考虑对该层楼板整体加厚为130 mm,楼板双层双向通长配筋.对L2,L3层楼板进行抗侧力分析,将洞口周边一跨范围的楼板可定义为弹性膜单元,其余楼板仍按刚性楼板处理.考虑地震组合工况下1.0(DL+0.5LL)+1.0EL的正常使用极限状态下,除极少区域外,均小于混凝土抗拉强度标准值 2.2 N/mm2(C35混凝土).超出的部分区域将通过额外钢筋加强以抵抗相对较高的拉应力水平.

b. 顶板开洞边设置抗震墙,确保水平地震力的可靠传递,墙体均调整为带端柱和有转角翼墙,避免单肢墙和短肢墙.

c. 开大洞边缘的框架柱箍筋全高加密,抗震构造措施提高一级.

d. 开大洞四周的顶板加强配筋,尤其是开洞阴角处,采用钢筋网进行加强.

5.4 针对体型收进的措施

《高层建筑混凝土结构技术规程》中10.6.5 规定[1],收进处上部结构的底部楼层层间位移角不宜大于相邻下部区段最大层间位移角的1.15 倍.收进部位的楼板厚度不宜小于150 mm,并应加强配筋构造,每层配筋不小于0.25%.

塔楼T4在第四层存在体型收进问题.应加强上部收进结构底部的侧向刚度和承载力.底盘高度与塔楼高度比约为16%,体型缩进约为50%.第五层的最大层间位移角和相邻下部区段最大层间位移角的比值为 0.92 (X向)和 1.04 (Y向).对于塔楼T4,满足要求.

体型缩进部位的楼板(L4)加厚至150 mm,楼板双层双向通长配筋.目前的楼板满足在小震作用下(正常使用极限状态下)不会出现裂缝.

5.5 针对超长结构的措施

由于抗震缝的设置,塔楼T4及其相连裙楼,在南北方向最长约为90 m,在东西方向最长约为60 m;塔楼T3及其相连裙楼,在南北方向最长约为90 m,在东西方向最长约为75 m.《混凝土结构设计规范》建议室内框架结构伸缩缝最大间距为55 m[6].两座塔楼的伸缩缝最大间距均超过了规范建议范围.有如下建议措施:

a. 后浇带是避免施工期收缩裂缝的有效措施,后浇带浇筑注时的温度宜低于主体混凝土浇筑时的温度,最好是室外温度为15～18 ℃.浇筑时间尽量靠后,宜在主体混凝土浇筑2个月后进行;

b. 应规范和监督混凝土的养护,以减少塑性收缩引起的裂缝;

c. 可以采用含减少收缩添加剂的混凝土或纤维混凝土,以减少收缩或控制裂缝的进展;

d. 增加楼板的配筋率或者采用纤维钢筋;

e. 在温度变化较大的现浇板区域,例如,裙楼屋面,应在板的表面双向配置防裂构造钢筋.