鄭望林

摘 要：本文通過對(duì)上海久置大廈超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的介紹，簡(jiǎn)述了超限結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。本項(xiàng)目存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、豎向尺寸突變、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、塔樓偏置等多種結(jié)構(gòu)不規(guī)則。針對(duì)結(jié)構(gòu)存在多項(xiàng)超限，對(duì)整體結(jié)構(gòu)采用中震彈性及中震不屈服設(shè)計(jì)，對(duì)豎向關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)。多遇地震分析時(shí)，采用YJK與SATWE兩種軟件進(jìn)行分析，并采用MIDAS/Building進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，計(jì)算結(jié)果表明，關(guān)鍵構(gòu)件滿足抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：平面不規(guī)則；扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；穿層柱；抗震性能化設(shè)計(jì)；樓板應(yīng)力分析；動(dòng)力彈塑性分析

1 工程概況

本工程位于上海市徐匯區(qū)，肇嘉浜路以南，大木橋路西側(cè)，與地鐵12號(hào)線外掛交通服務(wù)區(qū)地下車站出入口組成公共建筑綜合體。本工程地下共三層，地上13層，包括四層商業(yè)裙房及其上的兩座13層高層辦公塔樓。商業(yè)裙房屋面標(biāo)高19.650m，主樓屋面標(biāo)高41.650m。由于建筑使用上的要求，四層商業(yè)與兩棟塔樓之間未設(shè)抗震縫，兩棟塔樓在裙房頂形成多塔。裙房之上兩座辦公塔樓相互獨(dú)立。本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年；建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；抗震設(shè)防類別：商業(yè)為重點(diǎn)設(shè)防類，裙房以上為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。度烈為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)抗震分組為 第二組，建筑場(chǎng)地類別為IV類，建筑的設(shè)計(jì)特征周期為 0.90s；基本風(fēng)壓0.55KN/m2，地面粗糙度為C類。

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB 50223—2008中3.0.3的規(guī)定[1]，底部四層（局部五層）商業(yè)為乙類建筑。由于建筑功能需求，塔樓與裙房連成整體，不設(shè)置抗震縫。裙房上一層抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)類，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。標(biāo)高24.550m以上為標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防類別，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)二級(jí)。裙房屋面標(biāo)高為19.450m，建筑總高度為59.150m，收進(jìn)部位大于建筑總高度的20%，故主樓沿裙房四周豎向構(gòu)件在裙房屋面上下各兩層范圍內(nèi)豎向構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí)。同理東塔樓在41.450m局部收進(jìn)，收進(jìn)部位與屋面相交豎向構(gòu)件在標(biāo)高41.450m上下各兩層，豎向構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí)。

轉(zhuǎn)換柱采用型鋼混凝土柱，轉(zhuǎn)換梁采用型鋼梁。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮將相關(guān)轉(zhuǎn)換構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí)，即轉(zhuǎn)換框支梁抗震等級(jí)為一級(jí)，框支柱及相連剪力墻抗震等級(jí)為特一級(jí)。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。本工程所有地上單體均位于一個(gè)大地下室上，地下室層數(shù)3層。塔樓樁長(zhǎng)64.0m，樁底端進(jìn)入第9層（粉砂層），單樁承載力設(shè)計(jì)值3000kN。中庭部分有抗拔為主，樁頂標(biāo)高為-14.80m（絕對(duì)標(biāo)高），樁端進(jìn)入第7-2層土，樁長(zhǎng)L=35m。采用樁筏基礎(chǔ)，主樓下筏板厚度1200mm，裙房區(qū)域筏板厚度800mm，柱下局部加厚。由于離地鐵站很近，沉降有嚴(yán)格要求，最終沉降量10mm。

3 結(jié)構(gòu)布置及不規(guī)則情況

3.1 結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)

典型柱距為8.1×8.1，典型柱截面為900×900，典型框架梁截面為450×800，次梁為250×600（單向布置）， 由于本項(xiàng)目需要做裝配式，所以布置單向板，樓板厚度為140mm。

3.2 規(guī)則性判斷

該建筑高度不高，但結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況較為復(fù)雜， 本工程存在如下不規(guī)則情況。

扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移與該樓層平均值之比，Y向?yàn)?.33>1.2屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

樓板不連續(xù)：三層夾層部分樓板缺失，有效樓板寬度約為45.6%<50%；20m大跨轉(zhuǎn)換梁，形成局部豎向轉(zhuǎn)換，屬于豎向不規(guī)則。二層～三面穿層柱計(jì)算高度為11.55m。按實(shí)際計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)復(fù)核并加強(qiáng)穿層柱配筋。東塔樓在41.450m局部收進(jìn)，收進(jìn)大于25%。商業(yè)在底部四層與塔樓連在一起，裙房以上收進(jìn)大于25%。裙房以上塔樓質(zhì)心相差大于相應(yīng)邊長(zhǎng)的50%。裙房以上分成東西兩個(gè)塔樓，屬于多塔結(jié)構(gòu)。

綜上所述，本工程有六項(xiàng)超限，屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)

結(jié)合本超限建筑的工程特性，綜合考慮抗震設(shè)防、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等多方面因素，根據(jù)《高規(guī)》3.11節(jié)結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的有關(guān)內(nèi)容，確定本工程抗震性能化目標(biāo)為C級(jí)。即在多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震作用下分別達(dá)到1、3、4三個(gè)水準(zhǔn)的性能要求。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1 多遇地震作用下彈性分析

分別采用PMSAP、YJK軟件計(jì)算分析。以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，考慮雙向水平地震作用及偶然偏心的影響，采用模擬施工加載3，主要結(jié)果如表1所示。

PMSAP、YJK兩種軟件計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，且誤差均在允許范圍內(nèi)。用兩種軟件對(duì)整體模型、及東西塔分別比較周期、質(zhì)量、層間受剪承載力、位移角、剛重比、剪重比、整體穩(wěn)定性等方面進(jìn)行比較分析，兩種軟件計(jì)算結(jié)果比較接近，誤差在3%以內(nèi)。

5.2 彈性時(shí)程分析

根據(jù)《抗規(guī)》第5.1.2條規(guī)定，特別不規(guī)則建筑應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震的補(bǔ)充計(jì)算。取七組及七組以上的時(shí)程曲線時(shí)，計(jì)算結(jié)果可取時(shí)程法的平均值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值。

本工程所選兩組人工波，5組天然波均滿足要求。本工程彈性時(shí)程計(jì)算采用YJK，阻尼比為0.05。峰值加速度取35gal。采用兩個(gè)水平方向分量，地震波主向與次向輸入比例為1：0.85。

5.3 彈性時(shí)程分析結(jié)論

通過分析數(shù)據(jù)可知，選取的七組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符：多組時(shí)程波的平均地震影響曲線與振型分解反應(yīng)譜法相比，在對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)主要振型周期點(diǎn)上相差不大于20%；每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值也大于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%，滿足《抗規(guī)》第5.1.2的要求。按照時(shí)程波計(jì)算所得地震剪力在頂部樓層大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得地震剪力，施工圖設(shè)計(jì)將對(duì)頂部樓層的地震剪力進(jìn)行調(diào)整。

6 罕遇地震彈塑性分析

6.1 進(jìn)行罕遇地震彈塑性時(shí)程分析的目的

（1）評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性行為，根據(jù)主要構(gòu)件的塑性變形和整體結(jié)構(gòu)變形情況，確定結(jié)構(gòu)是否滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求。

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)在大震作用下的基底剪力、剪重比、層間位移角等綜合指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在大震作用下的力學(xué)性能。

（3）分析梁、柱、墻、連梁主要構(gòu)件在大震下的塑性鉸的出現(xiàn)順序和構(gòu)件損傷程度，判斷結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件與性能目標(biāo)的吻合度。

（4）通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)薄弱樓層以便有的放矢的予以加強(qiáng)。

（5）評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)總體抗震性能，并針對(duì)分析結(jié)果中揭示的設(shè)計(jì)問題提出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)或加強(qiáng)建議。

6.2 地震波的選用及其頻譜特性

依照抗震規(guī)范要求，選用了一組人工波（USE1波）和兩組天然地震動(dòng)記錄（USE2波和USE3波）和。按照規(guī)范要求，進(jìn)行了雙向時(shí)程分析，各分析工況均采用雙向輸入，主、次方向地震波強(qiáng)度比按1：0.85確定，罕遇地震峰值加速度取200gal。

6.3 彈塑性時(shí)程分析的總體結(jié)果

6.3.1 基底剪力分析

3組地震波作用下結(jié)構(gòu)在x、y兩個(gè)方向基底剪力最大值分別為89376.9KN（USE1）和96450.5KN（USE2）。3組地震波計(jì)算的最大基底剪力與相應(yīng)的剪重比，匯總于表2。

6.3.2 結(jié)構(gòu)的彈塑性位移響應(yīng)

三組地震波輸入下，塔1結(jié)構(gòu)頂層（大屋面）X向位移最大值為0.22m（USE1）、塔2結(jié)構(gòu)頂層（大屋面）X向位移最大值為0.24m（USE1），分別為結(jié)構(gòu)總高度的1/268、1/246。塔1結(jié)構(gòu)頂層（大屋面）Y向位移最大值為0.33m（USE2）、塔2結(jié)構(gòu)頂層（大屋面）y向位移最大值為0.28m（USE1），

6.3.3 結(jié)構(gòu)層間位移角響應(yīng)

根據(jù)沿X、Y向?yàn)橹飨蜉斎霑r(shí)結(jié)構(gòu)在各主方向的最大樓層位移角曲線。結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，塔1彈塑性層間位移角整體上變化不大未觀察到明顯的突變。塔2在第10層由于有收進(jìn)，觀察到明顯的突變，塔2在第10層產(chǎn)生明顯的薄弱層。

在罕遇地震下結(jié)構(gòu)連梁最先出現(xiàn)塑性鉸，然后連梁損傷迅速發(fā)展并出現(xiàn)剪切損傷，連梁損傷逐步累積；結(jié)構(gòu)部分框架梁進(jìn)入塑性階段參與結(jié)構(gòu)整體塑性耗能；隨著罕遇地震時(shí)程的輸入，裙房頂部剪力墻、塔樓頂部剪力墻和立面收進(jìn)塔樓底部剪力墻的角部、洞口邊出現(xiàn)剪切破壞；剪力墻軸壓受壓一直處于彈性狀態(tài)，沒有出現(xiàn)混凝土壓碎損傷；除個(gè)別剪力墻鋼筋達(dá)到屈服，剪力墻鋼筋拉壓應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，處于彈性狀態(tài)。由于結(jié)構(gòu)存在塔樓偏置，導(dǎo)致部分裙房四角剪力墻剪切應(yīng)變比較大，達(dá)到極限狀態(tài)；部分墻體在雙向地震作用下出現(xiàn)拉應(yīng)力較大，故設(shè)計(jì)在剪力墻端部加設(shè)型鋼。隨著剪力墻第一道防線破壞，地震力里往框架柱上分配，框架柱出現(xiàn)部分屈服，底部加強(qiáng)區(qū)只有個(gè)別框架柱屈服。

結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)及抗震性能總結(jié)：

（1）在完成罕遇地震彈塑性分析后，結(jié)構(gòu)仍保持直立，3組波層間位移角滿足小于1/100的規(guī)定要求，結(jié)構(gòu)整體性能能滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求。

（2）在罕遇地震波輸入過程中，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)可描述為：在罕遇地震下結(jié)構(gòu)連梁最先出現(xiàn)塑性鉸，然后連梁損傷迅速發(fā)展，隨時(shí)程輸入連梁損傷逐步累積；結(jié)構(gòu)部分框架梁進(jìn)入塑性階段參與結(jié)構(gòu)整體塑性耗能，但框架梁整體塑性損傷有限；結(jié)構(gòu)框架柱全部未進(jìn)入屈服狀態(tài)，部分框架柱出現(xiàn)開裂；地震輸入結(jié)束時(shí)剪力墻出現(xiàn)極少量局部損傷，未出現(xiàn)剪力墻全截面進(jìn)入屈服狀態(tài)。

（3）罕遇地震作用下，框架梁的塑性損傷超過開裂強(qiáng)度水準(zhǔn)，達(dá)到屈服強(qiáng)度水準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)耗能；除很少部分頂層框架柱達(dá)到屈服強(qiáng)度水準(zhǔn)，大部分框架柱塑性損傷達(dá)到開裂強(qiáng)度水準(zhǔn)，底部加強(qiáng)區(qū)域只有一兩根框柱達(dá)到屈服水準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)外框架作為第二道設(shè)防體系具有足夠的富余。

綜上，結(jié)構(gòu)在罕遇地震輸入下的彈塑性反應(yīng)及破壞機(jī)制，符合結(jié)構(gòu)抗震工程的概念設(shè)計(jì)要求，抗震性能達(dá)到 “大震不倒”的性能目標(biāo)。

7 結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)

7.1 結(jié)合本超限建筑的工程特性

綜合考慮抗震設(shè)防、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等多方面因素，根據(jù)《高規(guī)》3.11節(jié)結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的有關(guān)內(nèi)容，確定本工程抗震性能化目標(biāo)為C級(jí)。即在多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震作用下分別達(dá)到1、3、4三個(gè)水準(zhǔn)的性能要求。

7.2 中震偏心受拉墻驗(yàn)算

由于本工程有數(shù)項(xiàng)超限的高層，為保證結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計(jì)中提高了重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度水平，中震作用下，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻及普通豎向構(gòu)件滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服，經(jīng)計(jì)算墻體中震下能滿足抗剪彈性要求。

底部墻體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，由《混規(guī)》表4.1.3-2，ftk=2.85N/mm2。底層墻肢中震時(shí)雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力，大部分墻肢的平均名義拉應(yīng)力小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。平均名義拉應(yīng)力大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的墻肢設(shè)置型鋼，根據(jù)彈性模量換算后的平均名義拉應(yīng)力均不超過兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。滿足《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》要求。

7.3 大震墻肢剪壓比驗(yàn)算

由于本工程中的剪力墻端部均設(shè)置鋼骨，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.11.3的第4款規(guī)定，鋼筋混凝土豎向構(gòu)件的受剪界面應(yīng)符合式3.11.3-4的規(guī)定：

[VGE]+[V*EK][≤]0.15[fck]b[h0]

計(jì)算結(jié)果表明，墻體的墻肢截面尺寸滿足規(guī)范要求。

8 樓板應(yīng)力分析

裙房板厚為120mm，裙房中庭區(qū)域區(qū)域?yàn)?50mm。樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35。本工程的樓板應(yīng)力分析地下室頂板、二、三層大開洞層的樓板應(yīng)力，通過應(yīng)力分布圖得出樓板受力集中與相對(duì)薄弱的部位，為樓板的構(gòu)造加強(qiáng)提供依據(jù)。本文通過分析多遇地震作用下、設(shè)防地震作用下樓板應(yīng)力。利用midas/gen對(duì)整體模型進(jìn)行多遇地震、設(shè)防地震作用下樓板應(yīng)力分析。多遇地震作用時(shí)，樓板在框柱和剪力墻周邊和洞口周邊拉應(yīng)力達(dá)到0.6MPa～1.5MPa，不超過混凝土C35抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.20MPa。樓板基本能滿足“小震不開裂”的要求。設(shè)防地震作用時(shí)，樓板在框柱和剪力墻周邊和洞口周邊拉應(yīng)力達(dá)到1.0MPa～2.43MPa。中震作用下，鋼筋應(yīng)和豎向荷載彈性計(jì)算的樓板鋼筋相加。

9 抗震加強(qiáng)措施

9.1 針對(duì)剪力墻的加強(qiáng)措施

鋼筋混凝土剪力墻作為本結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力體系，承擔(dān)50%以上的基底剪力及50%以上的傾覆彎矩，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線，其底部加強(qiáng)區(qū)的安全更關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的安危。因此，對(duì)本項(xiàng)目底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻，采取了以下加強(qiáng)措施：

（1）剪力墻的抗震等級(jí)取一級(jí)，本項(xiàng)目東西兩棟塔樓與裙房之間未設(shè)縫斷開，底部加強(qiáng)區(qū)范圍為地下兩層。按規(guī)范要求控制加強(qiáng)區(qū)墻體在重力荷載代表值設(shè)計(jì)值下的軸壓比在0.5以下。

（2）設(shè)防地震時(shí)雙向水平地震下，墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，墻內(nèi)設(shè)置型鋼，控制平均名義拉應(yīng)力不超過兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

（3）在罕遇地震作用，剪力墻截面尺寸滿足大震受剪驗(yàn)算要求。

（4）在較厚墻體中布置多層鋼筋，以使墻截面中剪應(yīng)力均勻分布且減少混凝土的收縮裂縫。

9.2 針對(duì)穿層柱、轉(zhuǎn)換柱的加強(qiáng)措施

因建筑功能及立面要求，本工程存在二層層高穿層柱及轉(zhuǎn)換柱。為提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能，采取以下措施：

（1）采用抗震性能較好、技術(shù)成熟可靠的型鋼混凝土柱，并適當(dāng)提高型鋼的含鋼率。（2）增加轉(zhuǎn)換應(yīng)力分析，確保設(shè)防地震時(shí)節(jié)點(diǎn)處于彈性狀態(tài)。（3）對(duì)跨層柱進(jìn)行屈曲分析確定計(jì)算長(zhǎng)度。（4）增大柱子截面，按設(shè)防地震作用下處于彈性狀

9.3 立面收進(jìn)處加強(qiáng)措施

針對(duì)東塔立面收進(jìn)大于25%，收進(jìn)部位豎向構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí)，并定義為關(guān)鍵構(gòu)件，滿足大震抗剪彈性，抗彎不屈服性能目標(biāo)。

10 結(jié)論

本工程的結(jié)構(gòu)體系采用框架剪力墻的雙重抗側(cè)體系。根據(jù)其重要性，確定建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件全面融入了性能化設(shè)計(jì)思想，整體采用C級(jí)抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，關(guān)鍵轉(zhuǎn)換柱按照中震彈性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

通過合理調(diào)整框架與剪力墻的抗側(cè)剛度，提高了框架柱對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)，顯著提高了框架柱二道防線整體安全水平，降低剪力墻剛度退化及其內(nèi)力重分布對(duì)結(jié)構(gòu)整體的不利影響。同時(shí)，剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)采用設(shè)置型鋼的措施提高延性。

綜上所述，本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足了規(guī)范設(shè)計(jì)要求，可滿足結(jié)構(gòu)安全性目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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