上海久置大厦结构超限设计浅析

郑望林

摘 要：本文通过对上海久置大厦超限结构设计的介绍，简述了超限结构工程的设计特点。本项目存在扭转不规则、楼板不连续、竖向尺寸突变、竖向抗侧力构件不连续、塔楼偏置等多种结构不规则。针对结构存在多项超限，对整体结构采用中震弹性及中震不屈服设计，对竖向关键构件进行抗震性能化设计。多遇地震分析时，采用YJK与SATWE两种软件进行分析，并采用MIDAS/Building进行动力弹塑性分析，计算结果表明，关键构件满足抗震性能设计目标。

关键词：平面不规则；扭转不规则；穿层柱；抗震性能化设计；楼板应力分析；动力弹塑性分析

1 工程概况

本工程位于上海市徐汇区，肇嘉浜路以南，大木桥路西侧，与地铁12号线外挂交通服务区地下车站出入口组成公共建筑综合体。本工程地下共三层，地上13层，包括四层商业裙房及其上的两座13层高层办公塔楼。商业裙房屋面标高19.650m，主楼屋面标高41.650m。由于建筑使用上的要求，四层商业与两栋塔楼之间未设抗震缝，两栋塔楼在裙房頂形成多塔。裙房之上两座办公塔楼相互独立。本工程结构设计使用年限为50年；建筑结构安全等级为二级；抗震设防类别：商业为重点设防类，裙房以上为标准设防。度烈为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计抗震分组为 第二组，建筑场地类别为IV类，建筑的设计特征周期为 0.90s；基本风压0.55KN/m2，地面粗糙度为C类。

根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223—2008中3.0.3的规定[1]，底部四层（局部五层）商业为乙类建筑。由于建筑功能需求，塔楼与裙房连成整体，不设置抗震缝。裙房上一层抗震设防类别为重点类，框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级。标高24.550m以上为标准抗震设防类别，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级二级。裙房屋面标高为19.450m，建筑总高度为59.150m，收进部位大于建筑总高度的20%，故主楼沿裙房四周竖向构件在裙房屋面上下各两层范围内竖向构件抗震等级提高一级。同理东塔楼在41.450m局部收进，收进部位与屋面相交竖向构件在标高41.450m上下各两层，竖向构件抗震等级提高一级。

转换柱采用型钢混凝土柱，转换梁采用型钢梁。结构设计考虑将相关转换构件抗震等级提高一级，即转换框支梁抗震等级为一级，框支柱及相连剪力墙抗震等级为特一级。

2 基础设计

本工程地基基础设计等级为甲级。本工程所有地上单体均位于一个大地下室上，地下室层数3层。塔楼桩长64.0m，桩底端进入第9层（粉砂层），单桩承载力设计值3000kN。中庭部分有抗拔为主，桩顶标高为-14.80m（绝对标高），桩端进入第7-2层土，桩长L=35m。采用桩筏基础，主楼下筏板厚度1200mm，裙房区域筏板厚度800mm，柱下局部加厚。由于离地铁站很近，沉降有严格要求，最终沉降量10mm。

3 结构布置及不规则情况

3.1 结构布置要点

典型柱距为8.1×8.1，典型柱截面为900×900，典型框架梁截面为450×800，次梁为250×600（单向布置）， 由于本项目需要做装配式，所以布置单向板，楼板厚度为140mm。

3.2 规则性判断

该建筑高度不高，但结构不规则情况较为复杂， 本工程存在如下不规则情况。

扭转不规则：在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移与该楼层平均值之比，Y向为1.33>1.2属于扭转不规则。

楼板不连续：三层夹层部分楼板缺失，有效楼板宽度约为45.6%<50%；20m大跨转换梁，形成局部竖向转换，属于竖向不规则。二层～三面穿层柱计算高度为11.55m。按实际计算长度系数复核并加强穿层柱配筋。东塔楼在41.450m局部收进，收进大于25%。商业在底部四层与塔楼连在一起，裙房以上收进大于25%。裙房以上塔楼质心相差大于相应边长的50%。裙房以上分成东西两个塔楼，属于多塔结构。

综上所述，本工程有六项超限，属于特别不规则结构。

4 结构性能设计

结合本超限建筑的工程特性，综合考虑抗震设防、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等多方面因素，根据《高规》3.11节结构抗震性能设计的有关内容，确定本工程抗震性能化目标为C级。即在多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下分别达到1、3、4三个水准的性能要求。

5 结构计算分析

5.1 多遇地震作用下弹性分析

分别采用PMSAP、YJK软件计算分析。以地下室顶板作为上部结构嵌固端，考虑双向水平地震作用及偶然偏心的影响，采用模拟施工加载3，主要结果如表1所示。

PMSAP、YJK两种软件计算结果均满足规范要求，且误差均在允许范围内。用两种软件对整体模型、及东西塔分别比较周期、质量、层间受剪承载力、位移角、刚重比、剪重比、整体稳定性等方面进行比较分析，两种软件计算结果比较接近，误差在3%以内。

5.2 弹性时程分析

根据《抗规》第5.1.2条规定，特别不规则建筑应采用时程分析法进行多遇地震的补充计算。取七组及七组以上的时程曲线时，计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。

本工程所选两组人工波，5组天然波均满足要求。本工程弹性时程计算采用YJK，阻尼比为0.05。峰值加速度取35gal。采用两个水平方向分量，地震波主向与次向输入比例为1：0.85。

5.3 弹性时程分析结论

通过分析数据可知，选取的七组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响曲线在统计意义上相符：多组时程波的平均地震影响曲线与振型分解反应谱法相比，在对应结构主要振型周期点上相差不大于20%；每条时程曲线计算所得的结构底部剪力大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值也大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%，满足《抗规》第5.1.2的要求。按照时程波计算所得地震剪力在顶部楼层大于振型分解反应谱法计算所得地震剪力，施工图设计将对顶部楼层的地震剪力进行调整。

6 罕遇地震弹塑性分析

6.1 进行罕遇地震弹塑性时程分析的目的

（1）评价结构在罕遇地震作用下的弹塑性行为，根据主要构件的塑性变形和整体结构变形情况，确定结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求。

（2）根据结构在大震作用下的基底剪力、剪重比、层间位移角等综合指标，评价结构在大震作用下的力学性能。

（3）分析梁、柱、墙、连梁主要构件在大震下的塑性铰的出现顺序和构件损伤程度，判断结构的关键构件与性能目标的吻合度。

（4）通过计算分析发现薄弱楼层以便有的放矢的予以加强。

（5）评价结构总体抗震性能，并针对分析结果中揭示的设计问题提出适当的改进或加强建议。

6.2 地震波的选用及其频谱特性

依照抗震规范要求，选用了一组人工波（USE1波）和两组天然地震动记录（USE2波和USE3波）和。按照规范要求，进行了双向时程分析，各分析工况均采用双向输入，主、次方向地震波强度比按1：0.85确定，罕遇地震峰值加速度取200gal。

6.3 彈塑性时程分析的总体结果

6.3.1 基底剪力分析

3组地震波作用下结构在x、y两个方向基底剪力最大值分别为89376.9KN（USE1）和96450.5KN（USE2）。3组地震波计算的最大基底剪力与相应的剪重比，汇总于表2。

6.3.2 结构的弹塑性位移响应

三组地震波输入下，塔1结构顶层（大屋面）X向位移最大值为0.22m（USE1）、塔2结构顶层（大屋面）X向位移最大值为0.24m（USE1），分别为结构总高度的1/268、1/246。塔1结构顶层（大屋面）Y向位移最大值为0.33m（USE2）、塔2结构顶层（大屋面）y向位移最大值为0.28m（USE1），

6.3.3 结构层间位移角响应

根据沿X、Y向为主向输入时结构在各主方向的最大楼层位移角曲线。结构在罕遇地震作用下，塔1弹塑性层间位移角整体上变化不大未观察到明显的突变。塔2在第10层由于有收进，观察到明显的突变，塔2在第10层产生明显的薄弱层。

在罕遇地震下结构连梁最先出现塑性铰，然后连梁损伤迅速发展并出现剪切损伤，连梁损伤逐步累积；结构部分框架梁进入塑性阶段参与结构整体塑性耗能；随着罕遇地震时程的输入，裙房顶部剪力墙、塔楼顶部剪力墙和立面收进塔楼底部剪力墙的角部、洞口边出现剪切破坏；剪力墙轴压受压一直处于弹性状态，没有出现混凝土压碎损伤；除个别剪力墙钢筋达到屈服，剪力墙钢筋拉压应力均小于屈服强度，处于弹性状态。由于结构存在塔楼偏置，导致部分裙房四角剪力墙剪切应变比较大，达到极限状态；部分墙体在双向地震作用下出现拉应力较大，故设计在剪力墙端部加设型钢。随着剪力墙第一道防线破坏，地震力里往框架柱上分配，框架柱出现部分屈服，底部加强区只有个别框架柱屈服。

结构破坏形态及抗震性能总结：

（1）在完成罕遇地震弹塑性分析后，结构仍保持直立，3组波层间位移角满足小于1/100的规定要求，结构整体性能能满足“大震不倒”的设防水准要求。

（2）在罕遇地震波输入过程中，结构的破坏形态可描述为：在罕遇地震下结构连梁最先出现塑性铰，然后连梁损伤迅速发展，随时程输入连梁损伤逐步累积；结构部分框架梁进入塑性阶段参与结构整体塑性耗能，但框架梁整体塑性损伤有限；结构框架柱全部未进入屈服状态，部分框架柱出现开裂；地震输入结束时剪力墙出现极少量局部损伤，未出现剪力墙全截面进入屈服状态。

（3）罕遇地震作用下，框架梁的塑性损伤超过开裂强度水准，达到屈服强度水准，实现耗能；除很少部分顶层框架柱达到屈服强度水准，大部分框架柱塑性损伤达到开裂强度水准，底部加强区域只有一两根框柱达到屈服水准。结构外框架作为第二道设防体系具有足够的富余。

综上，结构在罕遇地震输入下的弹塑性反应及破坏机制，符合结构抗震工程的概念设计要求，抗震性能达到 “大震不倒”的性能目标。

7 结构性能设计

7.1 结合本超限建筑的工程特性

综合考虑抗震设防、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等多方面因素，根据《高规》3.11节结构抗震性能设计的有关内容，确定本工程抗震性能化目标为C级。即在多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下分别达到1、3、4三个水准的性能要求。

7.2 中震偏心受拉墙验算

由于本工程有数项超限的高层，为保证结构的安全，设计中提高了重要结构构件的安全度水平，中震作用下，底部加强区剪力墙及普通竖向构件满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服，经计算墙体中震下能满足抗剪弹性要求。

底部墙体混凝土强度等级为C60，由《混规》表4.1.3-2，ftk=2.85N/mm2。底层墙肢中震时双向水平地震下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力，大部分墙肢的平均名义拉应力小于混凝土轴心抗拉强度标准值。平均名义拉应力大于混凝土轴心抗拉强度标准值的墙肢设置型钢，根据弹性模量换算后的平均名义拉应力均不超过两倍混凝土抗拉强度标准值。满足《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》要求。

7.3 大震墙肢剪压比验算

由于本工程中的剪力墙端部均设置钢骨，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》3.11.3的第4款规定，钢筋混凝土竖向构件的受剪界面应符合式3.11.3-4的规定：

[VGE]+[V*EK][≤]0.15[fck]b[h0]

计算结果表明，墙体的墙肢截面尺寸满足规范要求。

8 楼板应力分析

裙房板厚为120mm，裙房中庭区域区域为150mm。楼板混凝土强度等级均为C35。本工程的楼板应力分析地下室顶板、二、三层大开洞层的楼板应力，通过应力分布图得出楼板受力集中与相对薄弱的部位，为楼板的构造加强提供依据。本文通过分析多遇地震作用下、设防地震作用下楼板应力。利用midas/gen对整体模型进行多遇地震、设防地震作用下楼板应力分析。多遇地震作用时，楼板在框柱和剪力墙周边和洞口周边拉应力达到0.6MPa～1.5MPa，不超过混凝土C35抗拉强度标准值2.20MPa。楼板基本能满足“小震不开裂”的要求。设防地震作用时，楼板在框柱和剪力墙周边和洞口周边拉应力达到1.0MPa～2.43MPa。中震作用下，钢筋应和竖向荷载弹性计算的楼板钢筋相加。

9 抗震加强措施

9.1 针对剪力墙的加强措施

钢筋混凝土剪力墙作为本结构的主要抗侧力体系，承担50%以上的基底剪力及50%以上的倾覆弯矩，是整个结构的第一道抗震防线，其底部加强区的安全更关系到整个结构体系的安危。因此，对本项目底部加强区的剪力墙，采取了以下加强措施：

（1）剪力墙的抗震等级取一级，本项目东西两栋塔楼与裙房之间未设缝断开，底部加强区范围为地下两层。按规范要求控制加强区墙体在重力荷载代表值设计值下的轴压比在0.5以下。

（2）设防地震时双向水平地震下，墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时，墙内设置型钢，控制平均名义拉应力不超过两倍混凝土抗拉强度标准值。

（3）在罕遇地震作用，剪力墙截面尺寸满足大震受剪验算要求。

（4）在较厚墙体中布置多层钢筋，以使墙截面中剪应力均匀分布且减少混凝土的收缩裂缝。

9.2 针对穿层柱、转换柱的加强措施

因建筑功能及立面要求，本工程存在二层层高穿层柱及转换柱。为提高结构整体抗震性能，采取以下措施：

（1）采用抗震性能较好、技术成熟可靠的型钢混凝土柱，并适当提高型钢的含钢率。（2）增加转换应力分析，确保设防地震时节点处于彈性状态。（3）对跨层柱进行屈曲分析确定计算长度。（4）增大柱子截面，按设防地震作用下处于弹性状

9.3 立面收进处加强措施

针对东塔立面收进大于25%，收进部位竖向构件抗震等级提高一级，并定义为关键构件，满足大震抗剪弹性，抗弯不屈服性能目标。

10 结论

本工程的结构体系采用框架剪力墙的双重抗侧体系。根据其重要性，确定建筑结构安全等级为二级。整体结构及构件全面融入了性能化设计思想，整体采用C级抗震性能化设计目标，关键转换柱按照中震弹性进行设计。

通过合理调整框架与剪力墙的抗侧刚度，提高了框架柱对结构整体刚度的贡献，显著提高了框架柱二道防线整体安全水平，降低剪力墙刚度退化及其内力重分布对结构整体的不利影响。同时，剪力墙底部加强区采用设置型钢的措施提高延性。

综上所述，本工程的结构设计满足了规范设计要求，可满足结构安全性目标。

参考文献：

[1] GB 50223—2008.建筑工程抗震设防分类标准[S].

[2] GB 50011—2010.建筑抗震设计规范[S].