上海某超限复杂高层办公楼结构设计

王世玉

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

1 工程概况

某项目高层办公楼位于上海地区，地上建筑面积44 693.2 m2，地下建筑面积20 520 m2，建筑效果图如图1所示。结构地上21层，屋面结构标高为92.55 m，地上1～2层层高为4.5 m，3～21层层高为4.4 m。地下2层，埋深11.3 m。办公楼1层主要功能为办公大堂、办公配套，2～3层为社区级文化体育设施，4层及以上为办公区区域，建筑剖面图如图2所示。

图2 建筑剖面简图

核心筒内含北横通道风井，此风井从地下2层通至屋顶。地下1层设置非机动车停车夹层，含办公配套、物业管理、机动车库及设备用房，地下2层设置人防区域。

本项目抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10 g，场地特征周期0.90 s。基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙度类别为C类。

2 结构体系

办公楼抗侧力体系采用钢管混凝土框架+钢筋混凝土核心筒混合结构，外框楼面采用钢梁+钢筋桁架楼承板楼盖，核心筒内采用混凝土梁+现浇混凝土楼板楼盖。结构外框柱与核心筒剪力墙截面尺寸见表1～2。

塔楼西侧为实现建筑首层办公大堂开阔空间，塔楼西侧柱不连续，3～4层设置单侧转换桁架对不连续柱进行转换。此外，主楼北侧裙房边柱对应位置地下室2层为车道，边柱无法落地，设置转换梁进行转换。地下室2层通风口处，为保证北横通道通风口有效面积要求，风井南侧核心筒剪力墙无法落地，设置深梁转换。结构设计详见第5节。

表1 外框柱截面

表2 核心筒剪力墙截面

3 超限判别

根据《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》(沪建管〔2014〕954号)，本项目主要超限情况如下。

1)Y向考虑偶然偏心的扭转位移比为1.32大于1.2，属于扭转不规则。

2)2层西侧楼板缺失，有效宽度小于典型宽度的50%，开洞面积为本层面积35%，大于30%，属于楼板局部不连续。

3)塔楼东侧4层、6层最大悬挑跨度7.05 m，大于4.0 m，属于侧向刚度不规则。

4)塔楼西侧柱不连续，通过桁架进行转换；地下室2层通风口处剪力墙缺失，属于竖向抗侧力构件不连续。

针对以上超限情况，主要采取以下措施保障结构安全性：①提高转换桁架及与其相连的框架梁的抗震性能目标，验算转换桁架及与其相连框架梁承载力时考虑竖向地震作用；②针对楼板局部缺失楼层，适当加厚楼板厚度，采用双层双向配筋，并适当提高楼板配筋率；③适当加强跃层柱两端约束作用，确保跃层柱的稳定性，可通过增加柱顶钢梁截面刚度，增加楼板厚度。

4 整体分析结果

采用ETABS和YJK两种软件对结构进行整体分析计算对比，考虑偶然偏心及双向地震作用。

结构整体指标满足现行规范各项指标控制要求。

4.1 周期与振型

计算取60阶振型，表3中仅列出前6阶振型作为对比，可以看出两种软件计算结果相近，且扭转周期比均小于规范限值0.9。

表3 自振周期

4.2 水平荷载

图3对比了多遇地震及风荷载作用下的楼层剪力及倾覆力矩。沿X轴、Y轴方向，楼层剪力和层倾覆力矩均为地震作用控制。

a)楼层剪力比较

b)楼层倾覆力矩比较

4.3 层间位移角

图4对比了多遇地震及风荷载作用下的楼层层间位移角。可见，塔楼层间位移角由多遇地震控制，最大层间位移角X向为1/884，Y向为1/840，满足《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2010)》[1]3.7.3条中层间位移角不大于1/800的要求。首层层间位移角X向为1/2 483，Y向为1/2 815，满足上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程(DGJ08-9—2013)》[2]中嵌固端为地下室顶板时首层层间位移角不大于1/2 000的要求。

图4 塔楼层间位移角分布

5 结构专项设计

5.1 地上大堂转换桁架专项设计

塔楼西侧为实现建筑首层办公大堂开阔空间，塔楼西侧柱不连续，3～4层设置转换桁架对不连续柱进行转换。为与建筑功能协调，转换桁架只布置在转换柱一侧，转换桁架如图5所示。

图5 转换桁架示意图

转换柱与转换桁架支撑的性能目标均为中震弹性、大震不屈服。构件编号如图5所示。对转换结构的承载力进行验算，分析中考虑双向及竖向地震作用。验算结果如表4所示，转换柱最大应力比为0.60，支撑最大应力比为0.82，满足性能目标要求。

表4 转换柱和支撑承载力验算

注：钢材等级为Q345GJC，混凝土等级为C60。

5.2 地下室北侧转换梁专项设计

主楼北侧裙房边柱对应位置地下室2层为车道，边柱无法落地，在地下室1层楼面设置转换梁进行转换，转换构件抗震等级提高为一级，以一榀框架转换梁为例进行说明，转换部位示意如图6所示。

图6 地下室北侧转换部位示意图

相应构件截面尺寸如表5所示，通过验算转换梁柱满足承载力要求。

表5 转换梁柱截面尺寸

5.3 地下室2层通风口转换结构专项设计

北横通道风井从地下2层进入核心筒，通至屋顶。为保证北横通道通风口有效面积要求，风井南侧核心筒剪力墙在地下2层无法落地，如图7所示。为合理传递竖向荷载，利用地下室一层墙体进行深梁转换。

图7 地下2层通风口处示意

具体做法：在风口两侧设置SRC端柱，并延伸至地下室顶板标高，对应部位地下室1层墙体内设置钢骨桁架，形成深梁转换，尽可能将竖向荷载传递到端柱上，如图8所示。通风口处相应构件截面尺寸见表6。

图8 地下2层转换结构示意

表6 通风口处构件截面尺寸

对转换梁内力进行验算，验算结果表明，转换梁承载力满足要求。对转换部位的墙、柱的轴压比进行验算，验算结果表明，各构件轴压比满足规范要求，见表7。

表7 剪力墙与柱轴压比验算结果

由于风口处剪力墙不落地，水平剪力墙抗剪面积减小，为补偿风口处的墙体削弱，适当增加通风口一侧剪力墙(W1～W4)厚度，墙厚增加至700 mm，如图9所示。

图9 地下室2层剪力墙加厚示意

6 结 论

1)在多遇地震和风荷载下，使用YJK和ETABS两种软件对塔楼进行弹性整体分析，两者计算结果相近，各整体指标符合现有规范要求。

2)针对复杂高层的超限项，进行了地上转换桁架、地下室北侧转换梁、地下室2层通风口转换结构的专项分析，转换结构的承载力均满足要求。

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