劉桂

（上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海200041）

上海真如城市副中心啟動區(qū)A3地塊9號樓及裙房超限高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

劉桂

（上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海200041）

針對上海真如城市副中心啟動區(qū)A3地塊9號樓及其裙房的工程概況，對該項目的結(jié)構(gòu)布置及超限情況進(jìn)行了介紹，采用SATWE和PMSAP有限元計算程序?qū)υ摮藿Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析，并找到了結(jié)構(gòu)抗震薄弱部位，結(jié)果表明，該超限高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計均能滿足規(guī)范要求，剪力墻作為抗震第一道防線，具有較好的延性，框架作為抗震第二道防線，保證大震作用下的結(jié)構(gòu)安全，對于結(jié)構(gòu)薄弱部位，采用構(gòu)造加強(qiáng)措施確保抗震性能。

超限高層；抗震設(shè)計；框架-剪力墻

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

1 工程概況

上海真如城市副中心項目9號樓位于A3地塊北側(cè)，設(shè)有2層地下室，并與A3地塊地下室整體相連。地上2層為帶裙房的商業(yè)，層高分別為5.5m和5.0m。其上部建筑功能為：辦公與酒店，其中，低區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層（3～13層）為辦公，平面形狀為L型布置（見圖1）。高區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層（14層～屋頂層）為酒店，平面形狀收至矩形（見圖2）。上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層層高均為3.1m，機(jī)電轉(zhuǎn)換層和管道夾層分別位于標(biāo)高10.50m和46.60m處，層高分別為2.0m及2.150m，結(jié)構(gòu)主屋面標(biāo)高98.350m。

9號樓地上部分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類建筑（丙類），地下1層、地下2層主要建筑功能為商業(yè)，營業(yè)面積超過7 000m2,屬重點(diǎn)設(shè)防建筑（乙類）。本工程設(shè)計使用年限為50a，設(shè)計基本地震

加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅳ類，特征周期為0.9s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。

圖1 低區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面（L型）

圖2 高區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面（矩形）

2 結(jié)構(gòu)體系與布置

A3地塊9號樓地上31層、地下2層。根據(jù)建筑高度以及建筑平面的特點(diǎn)，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，以鋼筋混凝土剪力墻作為抗震第一道防線，鋼筋混凝土框架作為抗震第二道防線。

9號樓首層框架柱截面尺寸主要為1200mm×1000mm，直至低區(qū)、高區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層逐漸變化為800mm×800mm，剪力墻厚度為200～450mm，框架梁截面尺寸主要為450mm×700mm，外框架梁截面尺寸為600mm×800mm，以便有效削弱結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。首層板厚為180mm（室外250mm），機(jī)房及屋面板厚為150mm，2層、3層樓面大開洞以及14層、15層結(jié)構(gòu)立面收進(jìn)，板厚為150mm，其余樓層板厚均為110mm。

3 結(jié)構(gòu)不規(guī)則簡介

3.1 平面不規(guī)則

A3地塊9號樓及其裙房在平面上同時具有以下不規(guī)則情況[1]。

平面不規(guī)則主要類型：

1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心，最大層間位移比為1.34，大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍；

2）平面凹凸不規(guī)則：在低區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層部分，結(jié)構(gòu)平面的凸出長度大于相應(yīng)投影方向總尺寸的50%；

3）樓板不連續(xù)：裙樓2層、2層夾層為門廳上空，存在樓板開洞，此處有效樓板寬度小于該處樓板典型寬度的50%；

3.2 豎向不規(guī)則

A3地塊9號樓及其裙房在平面上同時具有以下不規(guī)則情況。

豎向不規(guī)則主要類型：

1）側(cè)向剛度不規(guī)則：在第14層處立面收進(jìn)，局部收進(jìn)后的水平向尺寸小于相鄰下一層的50%；

2）豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)：軸線L交軸線9-N、9-M及軸線9-K3根框架柱在首層轉(zhuǎn)換；

依據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[2]，當(dāng)結(jié)構(gòu)具有3個或3個以上主要不規(guī)則類型時，為特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，具有較明顯的抗震薄弱部位。因此，由3.1、3.2所列不規(guī)則類型情況可知，A3地塊9號樓及其裙房屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)構(gòu)計算

為研究A3地塊9號樓及其裙房的抗震性能，并找出該結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位，采用中國建筑科學(xué)研究院研發(fā)的SATWE和PMSAP有限元計算程序，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小震分析、靜力彈塑性分析(Push-over)、彈性時程分析以及樓板應(yīng)力分析。文獻(xiàn)[3]指出，對于高層建筑結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換構(gòu)件，因豎向抗側(cè)力構(gòu)件上下不連續(xù)，若在結(jié)構(gòu)計算模型中仍采用剛性樓板假定，則會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層的層間位移角、轉(zhuǎn)換層相鄰樓層的剪力分配等指標(biāo)存在較大的誤差，故本結(jié)構(gòu)在整體模型計算分析時，對轉(zhuǎn)換層及其相鄰樓層均采用彈性膜進(jìn)行模擬。

4.1 振型、周期比及位移比

表1 結(jié)構(gòu)自振周期、周期比及結(jié)構(gòu)總質(zhì)量

依據(jù)我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4](JGJ 3—2010)，計算振型數(shù)應(yīng)使各振型參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的

90%，扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3與平動為主的第一自振周期T1之比不應(yīng)大于0.85。由表1計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)X、Y向振型參與質(zhì)量之和以及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比均能滿足規(guī)范要求。此外，在風(fēng)荷載和地震作用下，結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比小于1.4，樓層最大位移角小于1/800，首層X、Y向最大層間位移角小于1/2000，均能滿足規(guī)范要求。

4.2 框架柱地震剪力比及傾覆力矩比

規(guī)定水平力作用下，框架柱地震剪力比和傾覆力矩比分別如圖3和圖4所示。

圖3 規(guī)定水平力作用下框架柱地震剪力比

圖4 規(guī)定水平力作用下框架柱傾覆力矩比

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010),框架部分分配的樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最大值不宜小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%，而圖3結(jié)果表明，A3地塊9號樓及其裙房的框架部分X、Y向分配的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最大值均大于底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%。因此，對于框架部分分配到地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值小于底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的20%的樓層，按結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的20%和框架部分樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值中最大值的1.5倍二者的較小值進(jìn)行了調(diào)整。

由圖4可知，在規(guī)定的水平力作用下，結(jié)構(gòu)X、Y向底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值分別為43.95%、24.51%，大于10%但不大于50%，依據(jù)文獻(xiàn)[4],本結(jié)構(gòu)可按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

4.3 樓層剛度比、樓層抗剪承載力、軸壓比及剛重比

樓層剛度比和樓層抗剪承載力如圖5、圖6所示。

圖5 樓層剛度比

圖6 樓層抗剪承載力

對于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，計算樓層側(cè)向剛度比時考慮層高修正，依據(jù)文獻(xiàn)[4]，要求本層與相鄰上層側(cè)向剛度比值不宜小于0.9，當(dāng)本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時，該比值不宜小于1.1，對結(jié)構(gòu)底部嵌固層，該比值不宜小于1.5；同時，層間受剪承載能力不宜小于其相鄰上層受剪承載能力的80%。由圖5、圖6可知，A3地塊9號樓及其裙房各樓層剛度比以及樓層受剪承載能力比均能滿足規(guī)范要求。

結(jié)構(gòu)底部剪力墻及框架柱軸壓比分別為0.5和0.74，分別小于規(guī)范限值0.6和0.85。由此可知，剪力墻具有較好的延性

和一定的冗余度，能作為結(jié)構(gòu)抗震第一道防線，具有良好的抗震性能。

結(jié)構(gòu)X、Y向剛重比分別為4.45、3.55，滿足規(guī)范要求，并可在彈性分析時不考慮重力二階效應(yīng)的不利影響。

4.4 彈性時程分析

采用彈性時程分析方法和振型分解反應(yīng)譜法(CQC)分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，彈性時程分析選用上海市工程建設(shè)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》[5](DGJ 08—9—2013)附錄 A所列的SHW1～7條地震波，其中 SHW1、SHW2為人工波，SHW3～SHW7為天然波，特征周期為0.9s，加速度峰值調(diào)整為35cm/s2。

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)，彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。由結(jié)果可知，彈性時程分析所選用地震波的計算結(jié)果均能夠滿足規(guī)范要求。此外，CQC計算基底剪力值能包絡(luò)各條地震波彈性時程分析計算值，因此，采用CQC方法計算偏于安全。

4.5 靜力彈塑性分析

采用靜力彈塑性法(Push-over)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，用以判斷在未來可能地震作用下結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的變形能力。分析時，梁柱等一維構(gòu)件采用纖維束模擬，剪力墻等平面構(gòu)件采用彈塑性墻單元模擬，單元切線剛度直接基于混凝土材料微元和鋼筋材料微元的本構(gòu)關(guān)系[5]。結(jié)構(gòu)側(cè)向加載采用倒三角加載模式和彈性CQC地震力加載模式。罕遇地震影響系數(shù)取值0.45，特征周期取1.1s。

由計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)大震性能點(diǎn)對應(yīng)的X向、Y向?qū)娱g位移角分別為1/176與1/178，均小于規(guī)范限值1/100的要求。X、Y向大震、小震性能點(diǎn)對應(yīng)基底剪力值以及采用CQC法計算多遇地震下基底剪力值如下表2所示。從表中結(jié)果可知，X向大震性能點(diǎn)處基底剪力值，約為小震性能點(diǎn)處4.4倍，CQC法計算多遇地震下結(jié)果的3.5倍；Y向大震性能點(diǎn)處基底剪力值，約為小震性能點(diǎn)處4.3倍，CQC法計算多遇地震下結(jié)果的4.3倍。

表2 基底剪力對比

在整個靜力彈塑性分析過程中，塑性鉸首先出現(xiàn)在連梁上，并隨著加載步數(shù)的增加、裂縫的開展，連梁上塑性鉸的數(shù)量逐漸增加，同時，局部底部剪力墻也出現(xiàn)塑性鉸而退出工作。當(dāng)墻體裂縫逐漸加大時，退出工作的墻肢越來越多，同時框架梁兩端出現(xiàn)塑性鉸。最后底層框架柱出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)。

從塑性鉸的形成、發(fā)展來看，本結(jié)構(gòu)基本符合抗震概念設(shè)計的要求，即連梁和剪力墻作為抗震第1道防線，率先進(jìn)入塑性，并消耗地震能量，框架作為抗震第2道防線，能夠抵擋后續(xù)的地震作用，保證結(jié)構(gòu)的安全。

大震作用下，結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)彎剪變形，底部加強(qiáng)區(qū)的部分墻體剛度退化較大，局部墻肢出現(xiàn)水平和斜向裂縫。底部加強(qiáng)區(qū)在設(shè)計過程中重點(diǎn)加強(qiáng)，尤其是裂縫開展較多的墻肢，并適當(dāng)提高邊緣構(gòu)件及水平、豎向分布鋼筋的配筋率，以提高剪力墻的抗剪承載能力。

4.6 樓板應(yīng)力分析

為保證結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，對A3地塊9號樓2層、3層存在大開洞的樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，保證小震下樓板不開裂及中震下樓板鋼筋不屈服。

由計算結(jié)果可知，除卻個別應(yīng)力集中點(diǎn)，樓板拉應(yīng)力值在0.13～1.50MPa范圍內(nèi)，樓板應(yīng)力集中主要在洞口周邊及樓板陰陽角附近區(qū)域。

小震下，樓板應(yīng)力應(yīng)滿足σ1k,小震≤ftk，其中，ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，σ1k,小震為考慮地震作用效應(yīng)組合的小震下樓板主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值。2層、3層樓板混凝土強(qiáng)度等級為C35，其混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.2MPa，故樓板應(yīng)力能大致滿足小震下不開裂的要求。

5 抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施

由分析結(jié)果可知，本結(jié)構(gòu)存在的抗震薄弱部位，應(yīng)對薄弱部位進(jìn)行抗震構(gòu)造加強(qiáng)，以保證結(jié)構(gòu)的抗震性能，具體如下：

1)樓板開洞處，周邊梁縱筋拉通，腰筋加強(qiáng)，周邊柱配筋率適當(dāng)提高；

2)2、3層樓板大開洞，板厚增至150mm，按彈性板計算，真實(shí)模擬樓板受力情況。

3)立面收進(jìn)樓層(14層)及其相鄰樓層板厚增至150mm，采用雙層雙向配筋，并適當(dāng)放大配筋量，同時加大此范圍內(nèi)柱配筋。

4）嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)底層剪力墻、柱的軸壓比，使結(jié)構(gòu)具備一定的安全儲備。

5）躍層柱抗震措施提高一級。

6）針對結(jié)構(gòu)超短柱，采取箍筋全長加密、適當(dāng)增大縱筋配筋率等構(gòu)造措施保證構(gòu)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，同時控制在大震性能點(diǎn)下，超短柱不出現(xiàn)塑性鉸。

7）按大震下抗剪性能設(shè)計底部剪力墻肢截面。

6 結(jié)語

由于建筑使用功能的需要，A3地塊9號樓及其裙房結(jié)構(gòu)屬于存在多種平面不規(guī)則及立面不規(guī)則類型的復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu)。采用兩種有限元軟件計算對比小震下結(jié)構(gòu)各種效應(yīng)，以確保計算結(jié)果的可靠性。對比彈性時程分析與振型分解反應(yīng)譜法(CQC)計算結(jié)果，可知CQC計算結(jié)果能夠包絡(luò)彈性時程分析各值，故用CQC法計算結(jié)構(gòu)彈性地震作用效應(yīng)是安全的。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，可知連梁和剪力墻率先出現(xiàn)塑性鉸，耗散能量，能作為抗震第一道防線，框架作為第二道防線，抵抗后續(xù)地震作用，保證結(jié)構(gòu)安全。對大開洞樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，保證小震下樓板不開裂及中震下樓板鋼筋不屈服。此外，對抗震薄弱部位采用構(gòu)造加強(qiáng)措施。通過以上分析及薄弱部位的加強(qiáng)，能夠保證本結(jié)構(gòu)的安全可靠性，并具有良好的抗震性能。

【1】呂西林.超限高層建筑工程抗震設(shè)計指南[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,2005.

【2】GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

【3】榮維生，王亞勇.樓板剛、彈性計算假定對梁式轉(zhuǎn)換高層建筑地震作用效應(yīng)的影響[J].建筑結(jié)構(gòu)，2005,35（11）：19-21.

【4】JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【5】上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會.建筑抗震設(shè)計規(guī)程[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2013.

【6】王啟文,呂志軍,雷婷.深圳邁瑞大廈超限結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,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

劉桂（1984～），男，江蘇鹽城人，工程師，從事結(jié)構(gòu)工程研究，（電子信箱）liugui@isaarchitecture.com。