閘北廣場城市更新項目結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計

施駿 何靜豐

0 引言

本工程位于上海市靜安區(qū)，基地為閘北廣場一期二期及匯貢大廈現(xiàn)址。總建筑面積100 255m，其中地上76 465m，地下23 790m。本項目由高層塔樓及多層裙房組成，塔樓主要功能為辦公，裙房為商業(yè)。塔樓和裙房間設(shè)置抗震縫分為2 個結(jié)構(gòu)單元。塔樓地上36 層，建筑總高度為179.6m，項目效果圖如圖1 所示。

圖1 建筑效果圖

地下室整體不設(shè)縫，共3 層，主要功能為地下停車庫及設(shè)備用房。地下室頂板為塔樓裙房共同嵌固端，地下一層層高6.9m，地下二、三層層高3.9m。

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用期50 年，安全等級二級，基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級。抗震設(shè)防烈度7 度，設(shè)防類別丙類，場地特征周期0.90s。50 年基本風(fēng)壓0.55kN/m，地面粗糙度類別C 類，風(fēng)荷載由風(fēng)洞試驗確定。

1 地基基礎(chǔ)設(shè)計

1.1 地基場地條件

本場地內(nèi)原閘北廣場一期工程有2 層地下室需拆除，場地內(nèi)分布大量老建筑樁，原閘北廣場二期工程原圍護結(jié)構(gòu)已完成，樁基施工完成后停工，現(xiàn)保留原有工程樁，對其進行利用。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)計難點及解決思路

原一期工程樁已使用20 年，直徑600mm，樁長26m，樁頂絕對標(biāo)高約-6.0m（吳淞高程），原工程樁配筋長度約10m，主要分布在新建塔樓及純地庫范圍，利用原工程樁存在以下問題：

（1）新建后樁頂標(biāo)高約比老樁低7.5m，截樁后配筋長度僅2.5m，接近素混凝土樁，不滿足構(gòu)造及抗水平力要求；

（2）原樁設(shè)計使用年限50 年，已使用20 年，與新建50年使用期有較大差距；

（3）單樁承載力偏小，截樁后單樁承載力約1000kN，不能滿足樁基承載力要求。由于老樁無法利用，擬采用“見縫插針”方式在老樁間隙布樁，可布的樁位可能不在最合理位置，樁的利用效率有一定折減，為了最大程度減小老樁對新樁布置的影響，樁直徑600mm 與老樁一致，在布樁過程中根據(jù)老樁的位置調(diào)整樁位。

原二期工程樁于2007 年施工，樁基施工完后項目停止，抗拔樁直徑600mm，主要分布在新建建筑裙房及純地庫范圍，原600mm 直徑抗拔樁可用作裙房、純地庫抗拔樁使用。

1.3 基礎(chǔ)選型

塔樓基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，塔樓范圍現(xiàn)存間距1800mm 密布老樁，布樁需避開老樁，考慮盡大可能減小塔樓范圍布樁受老樁的影響，樁直徑與老樁一致，樁間距與老樁匹配，在老樁的中心位置布樁，新老樁凈距基本控制在500mm 以上。樁型均采用鉆孔灌注樁，樁直徑600mm，樁長48m，持力層為⑧2 層，樁端樁側(cè)聯(lián)合注漿。樁身混凝土設(shè)計強度C40，單樁承載力特征值3600kN。塔樓范圍為滿足沖切及抗剪切要求基礎(chǔ)底板厚度為2800mm，基礎(chǔ)混凝土設(shè)計強度C40。

裙房及純地下室采用樁筏基礎(chǔ)，樁型均采用鉆孔灌注樁，樁直徑600mm，樁長22m，持力層為⑦2 層，為保證原抗拔樁安全、可靠的符合本工程設(shè)計要求，對其進行檢測。裙房抗拔承載力750kN。裙房及地庫底板厚1000mm（部分柱下為滿足沖切要求局部加厚），基礎(chǔ)混凝土設(shè)計強度C35。

2 結(jié)構(gòu)體系

綜合考慮預(yù)制率、現(xiàn)場吊裝便利性、施工周期等綜合經(jīng)濟性，結(jié)構(gòu)體系選用混合結(jié)構(gòu)。

塔樓平面尺寸為48.6m× 40.1m，核心筒平面26.7m×12.4m，塔樓由36 層塔樓與外擴3 層小裙房組成，底部3 層層高6.0m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5m，避難層層高4.5m。

結(jié)構(gòu)體系采用混合結(jié)構(gòu)，核心筒混凝土，外框型鋼混凝土柱，抗震等級一級。標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面尺寸48.6m× 40.1m，核心筒平面26.7m ×12.4m，外框柱間距11.4～12.0m，外框柱與核心筒間距離9.7～12.7m，建筑高寬比約4.5，核心筒高寬比約14.5。

核心筒全部為鋼筋混凝土現(xiàn)澆，框架由型鋼混凝土柱和鋼梁組成，框架柱共14 個，沿外周均勻分布。由于核心筒高寬比較大，為滿足結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，連接外框柱與核心筒的鋼梁與核心筒剛接。

核心筒外墻厚度底部700mm，自下而上漸收為500mm厚，核心筒內(nèi)墻200～300mm 厚。外框柱底部截面1200mm×1200mm，上部漸收至800mm×1200mm，柱型鋼含鋼率6%～8%，墻柱主要布置如圖2 所示。

圖2 墻柱主要布置圖

標(biāo)準(zhǔn)層外周鋼梁截面H850mm×500mm×16m×36mm；連接外框柱與核心筒主鋼梁截面H700mm×400mm×16mm×36mm，與核心筒采用剛性連接，連接位置核心筒外墻內(nèi)設(shè)置型鋼；樓面采用壓型鋼板組合樓板體系，樓板厚度120mm，樓面鋼次梁按組合梁設(shè)計，樓面鋼次梁截面H500mm×200mm×9mm×14mm，梁端鉸接。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖3 所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)分析

多遇地震作用下結(jié)構(gòu)分析使用SATWE、MIDAS 校核分析結(jié)果，通過兩個軟件的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期、層間位移角、樓層剪力等指標(biāo)對比，可以看出兩個軟件結(jié)果比較接近。層間位移角均小于1/728（塔樓結(jié)構(gòu)高度166.5m，高度在150m～250m之間，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.7.3 條，層間位移角限值按插值計算為1/728。），滿足規(guī)范要求。

大部分樓層型鋼混凝土框架承擔(dān)的樓層剪力超過底層剪力的10%，僅二層（X 向8.4%，Y 向6.0%）、三層（X 向9.6%，Y 向8.8%）及頂部4 個樓層在5%～10%范圍，核心筒承擔(dān)了絕大部分的層剪力，滿足規(guī)范控制要求。

框架承擔(dān)的層剪力小于底層剪力20%的樓層，采用剪力調(diào)整，以達到0.2Q 和1.5Vmax 的較小值。

結(jié)構(gòu)設(shè)分析補充了彈性時程分析，和反應(yīng)譜結(jié)果對比，對反應(yīng)譜結(jié)果校核修正，保證結(jié)構(gòu)安全和高階振動結(jié)構(gòu)影響的充分體現(xiàn)。時程分析設(shè)計選用了5 組天然波和2 組人工時波，每組地震波計算2 個方向，主方向峰值加速度取35 cm/s，次方向加速度最大值取主方向峰值的85%。在波形的選擇上，考慮了有效持續(xù)時間、頻譜特性、峰值折算等多方面要求。從時程分析與反應(yīng)譜結(jié)果對比看，X 向基底剪力時程平均值為反應(yīng)譜的82%，Y 向基底剪力時程平均值為反應(yīng)譜的90%。時程分析樓層剪力平均值未超過CQC 結(jié)果對應(yīng)樓層的剪力，振型分析反應(yīng)譜法計算結(jié)果可包絡(luò)時程分析計算結(jié)果。時程分析結(jié)果顯示，選用的波是合理有效的，反應(yīng)譜結(jié)果偏安全，適用于結(jié)構(gòu)指標(biāo)評估與配筋。

3.2 罕遇地震下的彈塑性時程分析

文獻[2]第3.7.4 條規(guī)定：“房屋高度大于150m 結(jié)構(gòu)，應(yīng)驗算罕遇地震下彈塑性變形”。對于框架核心筒結(jié)構(gòu)，層間彈塑性位移角限值為1/100。

采用PKPM 軟件進行結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析，地震波采用的《上海市建筑抗震設(shè)計規(guī)程》（DGJ08-9-2013）附錄大震的1 組人工波（SH9）及2 組天然波（SH10、SH14）。峰值加速度按罕遇地震主方向200cm/s、次方向170cm/s調(diào)整。

通過罕遇地震下的彈塑性時程分析，結(jié)構(gòu)抗震性能評述如下：

（1）計入了重力二階效應(yīng)及大變形，X 向結(jié)構(gòu)最大頂點位移為1.07m、Y 向結(jié)構(gòu)最大頂點位移為1.37m，結(jié)構(gòu)滿足大震不倒的設(shè)防要求。

（2）結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角X 向為1/138、Y 向為1/109，分別在第16 層和15 層，滿足不大于1/100 的規(guī)范限值要求。

（3）X 向底層剪重比為5.8%～7.8%，與小震CQC 比值為3.01～4.02；Y 向首層剪重比為6.2%～8.6%，與小震CQC比值為3.25～4.52。

3.3 風(fēng)荷載分析

本工程風(fēng)荷載由風(fēng)洞試驗及風(fēng)致響應(yīng)分析并結(jié)合規(guī)范風(fēng)荷載確定。

風(fēng)洞試驗考慮兩種工況：一是不考慮周圍建筑（單體建筑）；二是考慮了周邊建筑影響（群體建筑）。試驗以15°風(fēng)向角為間隔，共進行了24 個風(fēng)向角的測試。通過規(guī)范風(fēng)荷載和試驗風(fēng)荷載對比，底部與上半部風(fēng)荷載規(guī)范值大于試驗值，中下部風(fēng)荷載規(guī)范值略小于試驗值，規(guī)范風(fēng)荷載和試驗風(fēng)荷載對比圖見圖4?？傮w來看，除頂部幾層規(guī)范風(fēng)荷載與試驗值差異較大，規(guī)范風(fēng)荷載與實驗風(fēng)荷載較接近。

圖4 規(guī)范風(fēng)荷載和試驗風(fēng)荷載對比圖

因為上部風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響較顯著，從結(jié)構(gòu)響應(yīng)看，規(guī)范風(fēng)荷載的樓層剪力、彎矩均大于實驗值。規(guī)范風(fēng)荷載與試驗風(fēng)荷載差別不顯著，規(guī)范風(fēng)荷載的結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本可包絡(luò)試驗風(fēng)荷載，總體設(shè)計階段采用規(guī)范風(fēng)荷載進行設(shè)計是安全的，在施工圖設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計時采用規(guī)范風(fēng)荷載與試驗風(fēng)荷載包絡(luò)設(shè)計。

3.4 樓板應(yīng)力分析

塔樓在2 層、3 層樓面大堂上空位置樓板大面積缺失。采用MIDAS gen 對樓板進行精細(xì)有限元分析。樓板采用膜單元，計算平面內(nèi)實際剛度。地震作用下開洞樓層樓板軸向應(yīng)力分布情況。經(jīng)計算分析，在水平力作用下，樓板內(nèi)應(yīng)力很小，除個別應(yīng)力集中位置外，樓板應(yīng)力在0.2MPa 以下，小于混凝土抗拉強度設(shè)計值，個別應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力最大值1.7MPa，小于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

4 結(jié)論

閘北廣場城市更新項目為原地拆建的超高層建筑，通過對該結(jié)構(gòu)進行抗震、抗風(fēng)等相關(guān)計算分析，得出以下結(jié)論：

（1）城市更新設(shè)計中，場地密布無法利用的老樁，不必采用成本高的拔樁清障礙，老樁間隙“見縫插針”的布樁方式，在充分提高單樁承載力的前提下，保留大量障礙物同樣適用于軟土地基的超高層建筑。

（2）型鋼混凝土框架+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系比較成熟，可以在核心筒寬高比較大的情況下，通過節(jié)點加強以滿足抗風(fēng)、抗震多道設(shè)防要求，整體裝配率高，可滿足上海地區(qū)高裝配率要求。