中交集团上海总部基地项目超限高层结构设计

中交集团上海总部基地项目超限高层结构设计

朱江 陈健敏 於胜凯

华东建筑设计研究院有限公司 200070

摘要: 总部办公主楼结构高度为150米，采用钢管混凝土框架+钢筋混凝土核心筒结构体系，属于平面、竖向、扭转不规则超限高层建筑，抗震性能目标D级。通过多种计算软件对塔楼进行了小、中、大震作用下静力和动力分析，结果满足规范要求，设计合理，达到设定的抗震性能目标。

关键词:超限高层结构；多遇地震CQC法和弹性时程分析，性能化设计；罕遇地震的静力和动力弹塑性时程分析

1 工程概况

本工程地块位于上海市杨浦区滨江门户位置，西至宁远路,东至通北路, 北至杨树浦路，南至天章路,和杨树浦路水厂相邻；包括一栋32层150米办公塔楼，3层地下。塔楼裙房部分首层层高7m，二层层高5.6m，为大堂空间上空，西侧为部分展示空间；三层层高5.2m，主要为办公配套会议部分；四层层高5.2m，主要为办公配套员工食堂及食堂后勤备餐，五层以上都为办公，标准层层高4.5m。

2 结构体系

办公主楼结构采用了双重抗侧力体系：钢管混凝土框架+钢筋混凝土核心筒结构体系,详见图 1。

+

=

图1：塔楼结构体系

核心筒分为高低区，低区核心筒位于平面中部，尺寸大约为33.2m x 13.3m，质心与刚心基本接近，进入高区21层后，西侧电梯井取消，核心筒收进6米左右。办公标准层核心筒见图2。核心筒周边墙体X方向厚度从下至上由800mm逐步减薄到400mm，Y方向墙体厚度从下至上由700mm逐步减薄到300mm。核心筒周边连梁高度为800mm。塔楼核心筒采用钢筋混凝土剪力墙结构，混凝土材料等级为C60~C40。根据计算需要， 在核心筒底部加强区约束边缘构件设置型钢，提高剪力墙的抗剪承载力、承担设防烈度下地震荷载的拉力。底部加强区高度根据规范要求，从L1 取至 L3，高度约17.8m。塔楼外框架由钢管混凝土框架柱和钢外框梁组成：钢管混凝土框架柱截面1200x40/35；外框梁主要采用工字形钢梁，标准层截面高度主要采用800mm（X方向）/1100mm（Y方向）。建筑在29层~31层立面收进，形成屋面13.8米的悬挑，结构利用建筑幕墙10.8m高度，设置两层高的钢结构悬挑桁架，如图1。

图2：塔楼低区结构平面布置图

3 基础设计

基础采用桩+筏板形式，设计等级为甲级，桩型采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，主楼桩径800mm，桩长40m，以-2粉砂层作为桩端持力层，桩身混凝土强度等级C40；为了提高桩的承载力，采用桩端后注浆，注浆量不小于4T，单桩承载力特征值5450kN，进行了的施工前三根试桩，桩基静载报告表明单桩承载力达到设计承载力。主楼基础筏板厚度为2500mm，局部承台加厚。塔楼区域桩基的布置如图3。

图3：塔楼基础布置图

4 上部结构设计

4.1 主要设计参数

根据相关规范、规程和相关规定确定塔楼结构设计和分类参数^[2]如下表1：

4.2 地震作用

按抗规^[2]：抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第二组，场地类别Ⅳ类，特征周期0.90s；多遇地震作用下结构阻尼比：0.04^[2]。地震参数如下表2：

4.3 结构超限情况

主楼根据提供的并层模型的计算结果，在考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下的扭转位移比为1.47，大于抗范限值1.2^[2];首层层高为12.4米，经验算为软弱层;存在部分斜柱，4层平面有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%、29层楼面(131米标高)以上局部收进的水平向尺寸较大，超过抗范限值25%^[2]，属于平面、竖向、扭转特别不规则的超限高层建筑^[2]，根据建质[2015]67号文件、沪建管[2014]954号文，应进行超限高层建筑工程抗震专项审查。

4.4 塔楼抗震性能目标

根据上述主楼结构超限情况和结构的特点，按抗震性能目标为D级对关键构件进行性能化设计。按高规^[1]，该级别在多遇、设防和罕遇地震下的水准分别是 1、4、5，宏观判别参见表3，具体到关键构件见表4。

表3：主塔楼关键构件在抗震性能目标D 下预期震后性能状况^[1]：

表4：抗震性能目标和构件水准

4.5 多遇地震的计算分析

主楼分析软件使用盈建科YJK2.0.3，并采用 PMSAP4.3 建立第二计算软件进行对比。如表5所示，上述两种软件计算的基本周期振型和质量相差不大于2%，两个计算软件的扭转周期与第一平动周期比0.73和0.69，均小于高规限值0.90^[1]。计算结果显示，各项整体指标符合现行规范和规程的要求；两个程序的计算结果基本规律一致，数值上存在一些差异，但均在工程上可接受的范围内，计算结果可做为进行设计的依据。

表5：主要结构特征参数比较（统计至首层嵌固端）

多遇地震作用下的楼层剪力曲线如图4，两种程序计算结果能较好的吻合，说明计算结果确切可信。在地震作用下，层间剪力基本无突变，说明结构侧向刚度较为规则。

图4：多遇地震作用下的楼层剪力

4.6 多遇地震的弹性时程分析

主楼刷选了相对合适本工程，同时满足抗规要求的3组时程波，其中包括2组天然波Chi-Chi_Taiwan-06_NO_3273,Tg(0.89)和SHW3_NGA_1175KOCAELI.USK,Tg(0.9)，以及1组人工波SHW2_AW-NGA_760LOMAP.MEN,Tg(0.9) ^[3]。弹性时程分析所得的基底剪力如表6 所示。

表6：小震时程与反应谱基底剪力比较结果

根据计算结果可以看到：反应谱与时程波分析计算结果具有一致性和规律性，反应谱和时程得到的基底剪力比较接近。设计中将采用各条时程波各层剪力的包络值与反应谱进行比较，见表7，时程分析得到的X向层剪力比反应谱计算结果稍小，不需要调整；Y向在高区楼层比反应谱计算结果稍大，最大处为25层，为反应谱计算结果的1.029倍，中下部楼层时程分析得到的层剪力基本与反应谱计算结果稍小。对于Y向大于1.0的楼层，按表7中的比值对反应谱计算得到的地震剪力标准值进行分层放大调整。

表7：时程分析的层剪力与反应谱CQC的比值

4.6 罕遇地震作用下非线性地震反应分析与抗震性能评价

设计采用PKPM软件的EPDA&PUSH程序，通过倒三角加载方式，对塔楼进行了罕遇地震作用下Push-Over弹塑性静力推覆分析，计算出结构的性能点，如图5，表明结构在大震作用下有较大的非弹性变形，但控制在规定的范围内，达到大震不倒的设防目标^[2]。

图5：X向倒三角加载方式和Y向倒三角加载方式

表8：罕遇地震计算结果

对于框筒结构，高规要求弹塑性层间位移角不得大于1/100^[1]，在表8中最大位移角为1/136，能满足规范要求；大震与小震基底剪力比值一般要求介于2-6倍之间，经复核结构弹塑性退化合理，计算结果可靠。

塑性铰的发展分布情况如图6，随着推覆的进行首先出现梁铰，直至性能点附近时，大部分塑性铰在梁上出现，局部屋顶桁架支座处墙肢出现塑性铰。设计时对屋顶墙上出现塑性铰的位置适当加强，此处剪力墙为关键构件，按设定得性能目标进行设计加强。

图6：X向Step(106) <达到性能点> 和Y向Step(74) <达到性能点>

同时采用有限元分析程序PERFORM-3D进行结构弹塑性时程分析比较，对关键部位进行进一步分析。选取了3组地震波，其中天然波2组：SHW11_NGA_1215CHICHI.CHY058,SHW14_NGA_1382CHICHI.KAU058；人工波1 组， SHW8_AW-HKD0660309260450, Tg=1.1s。

在罕遇地震下，塔楼两个方向的最大剪重比分别为8.35%和9.32%；X向最大层间位移角为1/108，Y向为1/102，各地震工况下的层间位移角分布见图7，满足1/100的性能限值要求。筒体连梁大部分出现塑性铰，且塑性程度较高，起到良好耗能作用，率先屈服耗能,连梁满足构件性能要求。剪力墙少数进入损伤状态，均为轻度损坏，满足构件性能目标。钢框梁、框架柱少数为“轻度损坏”，满足构件性能目标。图8表明，塔楼所有剪力墙都满足剪切截面要求。剪力墙满足既定性能目标要求。图9表明，塔楼云图色彩少数集中在浅蓝色和绿色，即应变介于1 倍与 3.5 倍钢筋屈服应变之间，为轻度损坏。满足既定性能目标要求。

综上所述，罕遇地震作用下结构能达到性能D相关要求。

图7：罕遇地震作用下结构最大层间位移角/rad

图8：剪力墙混凝土剪抗剪截面计算结果 图9：剪力墙端部构件纵向钢筋最大拉应变与钢筋屈服应变之比

4.7 关键构件抗震性能化设计

根据设定的抗震性能化设计目标，详见表4；对关键构件进行分析验算如下：

核心筒剪力墙的拉弯/压弯承载力设计目标，关键构件为中震不屈服，如图10，均能满足各工况下的承载力要求。同时验算了大震工况的剪压比，如图11，大震下大部分墙肢的剪压比均满足，高区楼层的个别内墙剪压比稍大于规范限制，通过增加墙内钢骨以满足要求。

同时为避免墙体在地震作用下开裂，影响结构的正常使用及其安全性，本项目要求在设防地震下，墙肢拉应力（σt）应控制在两倍混凝土抗拉强度标准值（ftk）以内。拉应力的组合公式为：1.0恒+0.5活+1.0中震。以下为塔楼底部核心筒剪力墙墙肢在中震工况下拉应力的YJK验算结果，局部稍大于2 ftk的要求，主要集中在底部核心筒四角，将考虑设置型钢，局部墙肢设置钢板以满足要求。

图10：L1~L2层核心筒墙体中震不屈服 图11：L1~L2层核心筒墙体大震下剪压比

4.8 屋顶悬臂桁架的设计

幕墙顶标高为159.800m，至大屋面结构标高为149.000m，屋面悬挑桁架高度为10.8m，从核心筒悬挑最大桁架距离大约为13.8m。屋面桁架腹杆主要采用工字钢截面600X400X30X30及箱形截面600X500X30X30，弦杆主要采用工字钢截面800X500X20X40及箱形截面1200X500X40X40/100 X500X40X40。三维及剖面如图12。

图12：屋顶悬臂桁架三维及剖面图

对大悬挑桁架，对变形进行了详细的分析：在小震及风作用组合下，结构X向桁架最大挠度约71.01mm，相对挠度约1/314， Y向次桁架最大挠度约58.47mm，相对挠度约1/541，均满足规范悬挑结构1/200的挠度限值。结构构件最大应力比（考虑竖向地震作用包络）控制在0.85以下。

5 超限抗震加强措施

办公主楼根据超限的情况采取了如下针对性的加强措施及对策：

1. 明确结构抗震性能目标，并按此指导分析、设计；

2. 对刚度突变突变的软弱层L1~L2层、L32层，地震剪力乘以1.25增大系数；

3. 严格按高规^]8.1.4条^[1]之规定对外框进行剪力和弯矩调整；

4. 进行多遇地震下的弹性时程分析，比较反应谱和弹性时程结果，放大相应楼层地震力，进行包络设计；

5. 控制底部剪力墙的中震拉应力不超过2ftk；

6. 通过局部设置型钢，严格控制剪力墙轴压比及剪压比满足规范要求；

7. 核心筒设置底部加强区，根据分析结果对薄弱楼层的核心筒增设钢骨和钢板，在底部自嵌固端至L2层局部墙体内设置钢板。

8. 对于楼板局部开洞较大楼层，及竖向收进部位楼层，采用弹性膜对楼板进行详细分析，按中震弹性目标计算出的楼板应力进行楼板配筋，双层双向配置，配筋率不小于0.25%^[2]，确保楼板能传递水平地震剪力。

9. 对于顶部竖向收进部位楼层， L27层楼面以上核心筒抗震等级提高为特一级，钢管混凝土框架抗震等级已为一级，不再提高。

10. 将底部加强区外框柱与核心筒、屋顶悬臂桁架及以下6层核心筒，按关键构件性能目标进行分析和设计。

11. 通过罕遇地震下Pushover弹塑性静力推覆分析和PERFORM-3D结构弹塑性时程分析，X向与Y向最大弹塑性层间位移角均能满足规范限值，在罕遇地震作用下结构能达到性能D相关要求，表明在罕遇地震下，结构拥有足够的安全储备，可达到大震不倒的抗震目标^[2]。

6 结语

设计采用多种计算软件对主楼进行了小、中、大震作用下静力和动力分析，结果表明结构设计合理，主要控制指标满足规范要求，同时对不规则超限采取了针对性的加强措施，保证结构的抗震满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求^[2]，达到设定的抗震性能目标，结构抗震安全性可靠。于2021年1月通过上海市抗震超限高层专项审查。

参 考 文 献

[1] JGJ3-2010. 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB50011-2010. 建筑抗震设计规范[S].

[3] DGJ08-9-2013. 上海市工程建设规范建筑抗震设计规程[S].