上海某超高層大廈超限結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)綜述

王偉杰（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041）

上海浦江雙輝大廈位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，西靠浦東南路，南臨銀城中路。地上總建筑面積約 20 萬m2，地下建筑面積約 10 萬m2。由兩幢獨(dú)立超高層辦公樓組成，左幢為農(nóng)業(yè)銀行辦公樓，右幢為建設(shè)銀行辦公樓。大屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高207 m，地上各有 49 層，地下 4 層。建筑效果圖，如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為 50 a，建筑安全等級(jí)二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期 50 a?？拐鹪O(shè)防類別丙類，抗震設(shè)防烈度為 7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為 0.10 g，場(chǎng)地類別為 Ⅳ 類，場(chǎng)地特征周期為 0.9 s。

1 結(jié)構(gòu)體系

辦公樓為 A、B 兩幢，結(jié)構(gòu)體系一致。下面以 A 幢為例介紹。

辦公樓的結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土框架（型鋼混凝土柱）-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)，底部平面尺寸 46 m×53 m，其中一邊逐層收進(jìn)至辦公樓中部再逐步伸出。外框柱距12～14 m，內(nèi)部核心筒尺寸 18.7 m×31 m，外框柱中至核心筒邊 7.8～13.5 m，結(jié)構(gòu)平面規(guī)則、均勻，立面逐層收進(jìn)再伸出，平面為規(guī)則類型。

結(jié)構(gòu)布置上，重點(diǎn)是盡量均勻布置豎向抗側(cè)力構(gòu)件的位置及大小，使結(jié)構(gòu)體系能有適當(dāng)?shù)膭偠群蛷?qiáng)度，在水平力、豎向力的作用下有良好的性能。筒體為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，筒體墻厚從底部由 1300 mm 漸變至頂部的 400 mm。在34層以下采用型鋼混凝土柱，而34層至屋頂層，則采用在柱中加配芯柱和復(fù)合箍筋等措施來保證柱的延性。核心筒剪力墻和框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)從下到上為 C60～C40，樓面梁板混凝土采用 C35。

在低區(qū)和高區(qū)跨度較大的區(qū)域鋼筋混凝土梁截面采用加腋做法，同時(shí)對(duì)四周的框架梁予以加強(qiáng)。

本項(xiàng)目有 4 層地下室，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)柱距8.1 m×8.1 m，局部 9.0 m×9.0 m。僅在兩幢辦公樓之間設(shè)有一層裙房，與兩幢辦公樓以抗震縫分開。辦公樓以外的地下室均采用混凝土框架體系，適應(yīng)使用功能和荷載要求，并為辦公樓提供水平嵌固作用。

嵌固層位置為 B1 層樓板，同時(shí) B1 層樓板加厚至200 mm 可以傳遞水平力。辦公樓結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1 所示。

表1 辦公樓結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)選用樁+筏板形式。樁基選用鉆孔灌注樁。兩幢辦公樓抗壓區(qū)采用 Φ 850 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí) C35（水下C40），持力層 ⑦2a，樁入土深度 65 m，有效樁長 44 m，采用后注漿工藝，單樁抗壓承載力設(shè)計(jì)值 6600 kN（未考慮樁底注漿后單樁承載力提高）。 裙房及其余抗浮區(qū)域采用Φ 700 mm 或 Φ 600 mm 的抗拔樁。

辦公樓芯筒下基礎(chǔ)底板厚 3500 mm，辦公樓芯筒外基礎(chǔ)底板厚 3100 mm；裙房基礎(chǔ)底板密集拔樁區(qū)及兩幢辦公樓之間厚度為 1400 mm，其他區(qū)域?yàn)?1200 mm。

3 超限判別和對(duì)策

超限情況匯總，如表2 所示?？芍竟こ探Y(jié)構(gòu)高度超過B級(jí)框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系最大適用高度 180 m，且結(jié)構(gòu)存在薄弱層。因此，必須對(duì)超限采取對(duì)策。

表2 超限情況匯總

3.1 超限性能目標(biāo)

根據(jù)性能化抗震設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)定超限性能目標(biāo)，如表3 所示。

表3 超限性能目標(biāo)

3.2 針對(duì)性抗震措施

設(shè)計(jì)中采取了一系列針對(duì)超限情況的抗震措施。

（1）辦公樓和裙房之間自 B1 層（嵌固層）以上設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，將裙房與辦公樓分成獨(dú)立部分，避免相互不利影響。

（2）提高底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻和框架柱的抗震等級(jí)為特一級(jí)。控制底部加強(qiáng)區(qū)各墻肢在多遇地震下的主拉應(yīng)力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；各墻肢中震時(shí)截面剪力不大于斜截面承載力。

（3）地下二層豎向構(gòu)件配筋不小于地下一層 1.1倍。

（4）結(jié)構(gòu)薄弱層的地震剪應(yīng)力乘以增大系數(shù) 1.15。

（5）嚴(yán)格控制底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件的軸壓比，底部加強(qiáng)區(qū)內(nèi)芯筒角部設(shè)置型鋼，底、中區(qū)周邊框架柱采用型鋼混凝土組合柱，高區(qū)混凝土柱采用設(shè)置芯柱的措施，提高其延性性能。

（6）對(duì)少量剪力過大的連梁，在連梁中間設(shè)置型鋼，以滿足強(qiáng)剪弱彎的抗震概念設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析采用 ETABS 軟件。計(jì)算的主要結(jié)果，如表4 所示。

表4 主要計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 外圍斜框架柱設(shè)計(jì)

本工程采用混凝土框架-核心筒體系。核心筒一側(cè)的框架柱在低區(qū)和高區(qū)為斜柱，傾斜角度約為 85。（參見圖1）。針對(duì)這一特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)分析中著重考慮了以下情況。

在 SATWE 結(jié)構(gòu)整體分析中，對(duì)斜柱按支撐的形式輸入，以準(zhǔn)確得到截面的軸力、彎矩和剪力，供截面設(shè)計(jì)使用。框架-核心筒體系中的框架部分作為抗側(cè)力體系的第二道防線，應(yīng)具備一定的抗側(cè)能力。設(shè)計(jì)中根據(jù) JGJ 3─2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》8.1.4條對(duì) 0.2Q0 的要求，對(duì)框架部分的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整。由于部分框架柱為斜柱，SATWE 中不能直接考慮此部分結(jié)構(gòu)的抗側(cè)貢獻(xiàn)，為此通過手算的方式提取斜柱層的框架部分剪力，再利用人工編寫調(diào)整系數(shù)的方式進(jìn)行調(diào)整，確保 0.2Q0 調(diào)整的準(zhǔn)確性。

利用 SAP2000 建立斜柱的單榀框架模型，對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化分析，并將此結(jié)果與 SATWE 分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。采取 K 形框架分析，如圖2 所示，并有以下結(jié)論和措施。

（1）K 形框架頂部、底部轉(zhuǎn)折處存在水平拉力。頂部兩層與斜柱相連的框架梁按拉彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，并在梁、板配筋中考慮了此拉力的影響。頂層框架梁驗(yàn)算了拉彎作用下的裂縫滿足規(guī)范相關(guān)要求。底部轉(zhuǎn)折處的拉力級(jí)別較高，為此在轉(zhuǎn)折層與斜柱相連的框架梁內(nèi)設(shè)置了抗拉鋼骨，同時(shí)在框架梁與芯筒相交處設(shè)置鋼板，以傳遞拉力。

圖2 K 形框架分析

（2）K 形框架中部兩個(gè)轉(zhuǎn)折位置存在水平壓力。轉(zhuǎn)折層與斜柱相連的框架梁按照壓彎構(gòu)件考慮，并在梁內(nèi)設(shè)置鋼骨，傳遞此壓力。

（3）高區(qū)斜柱為外斜式。計(jì)算中考慮了 P-Delta 效應(yīng)對(duì)斜柱的影響，并在柱配筋中予以考慮。對(duì) K 形框架中的斜柱通高設(shè)置鋼骨，以提高其延性性能。

5.2 框支柱（SRC柱）分析

兩幢辦公樓在 18 層、35 層樓面處核心筒分別由南側(cè)和北側(cè)向內(nèi)收，在保證結(jié)構(gòu)側(cè)向位移滿足規(guī)范要求的前提下，逐步擴(kuò)大了辦公面積，提高了建筑物的經(jīng)濟(jì)性。在核心筒墻肢內(nèi)收的同時(shí)，原核心筒部分內(nèi)墻肢成為外墻，其墻肢上洞口情況發(fā)生變化，豎向抗側(cè)構(gòu)件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。原內(nèi)墻肢成為框支柱，且其受力情況復(fù)雜。因此，建立了單榀轉(zhuǎn)換模型，分析其內(nèi)力情況。部分框支柱（墻肢）內(nèi)力非常大 ，設(shè)計(jì)中在柱內(nèi)設(shè)置鋼骨，并采用自編程序?qū)ζ?N-M 關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，確保設(shè)計(jì)的可靠和安全。

5.3 靜力彈塑性分析

采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的 EPDA 程序?qū)Ρ竟こ剔k公樓進(jìn)行了靜力彈塑性（Pushover) 分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在大震時(shí)的薄弱部位和抗倒塌能力。

彈塑性靜力分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的最大層間位移角滿足規(guī)范“大震不倒”的性能目標(biāo)要求；同時(shí)，塑性鉸出現(xiàn)的部位、次序也符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求，即連梁作為結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，首先進(jìn)入塑性，消耗地震能量，框架作為第二道防線，框架梁也進(jìn)入塑性，形成梁鉸機(jī)制。因此，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震體系是合理、有效的。

6 結(jié) 語

本項(xiàng)目 A 幢辦公樓有多項(xiàng)指標(biāo)超限。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，依照抗震概念設(shè)計(jì)采取相應(yīng)對(duì)策,并針對(duì)設(shè)計(jì)中的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行詳盡分析。根據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)加強(qiáng)薄弱部位，以確保超高層辦公樓安全、可靠。