上海真如城市副中心啟動區A3地塊9號樓及裙房超限高層結構抗震設計

劉桂

（上海建筑設計研究院有限公司，上海200041）

上海真如城市副中心啟動區A3地塊9號樓及裙房超限高層結構抗震設計

劉桂

（上海建筑設計研究院有限公司，上海200041）

針對上海真如城市副中心啟動區A3地塊9號樓及其裙房的工程概況，對該項目的結構布置及超限情況進行了介紹，采用SATWE和PMSAP有限元計算程序對該超限結構進行了抗震分析，并找到了結構抗震薄弱部位，結果表明，該超限高層結構的設計均能滿足規范要求，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構安全，對于結構薄弱部位，采用構造加強措施確保抗震性能。

超限高層；抗震設計；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，設有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，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，低區標準層（3～13層）為辦公，平面形狀為L型布置（見圖1）。高區標準層（14層～屋頂層）為酒店，平面形狀收至矩形（見圖2）。上部結構標準層層高均為3.1m，機電轉換層和管道夾層分別位于標高10.50m和46.60m處，層高分別為2.0m及2.150m，結構主屋面標高98.350m。

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

加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅳ類，特征周期為0.9s，結構阻尼比為0.05。

圖1 低區標準層結構平面（L型）

圖2 高區標準層結構平面（矩形）

2 結構體系與布置

A3地塊9號樓地上31層、地下2層。根據建筑高度以及建筑平面的特點，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系，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、高區標準層逐漸變化為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，以便有效削弱結構的扭轉效應。首層板厚為180mm（室外250mm），機房及屋面板厚為150mm，2層、3層樓面大開洞以及14層、15層結構立面收進，板厚為150mm，其余樓層板厚均為110mm。

3 結構不規則簡介

3.1 平面不規則

A3地塊9號樓及其裙房在平面上同時具有以下不規則情況[1]。

平面不規則主要類型：

1）扭轉不規則：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）平面凹凸不規則：在低區標準層部分，結構平面的凸出長度大于相應投影方向總尺寸的50%；

3）樓板不連續：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 豎向不規則

A3地塊9號樓及其裙房在平面上同時具有以下不規則情況。

豎向不規則主要類型：

1）側向剛度不規則：在第14層處立面收進，局部收進后的水平向尺寸小于相鄰下一層的50%；

2）豎向抗側力構件不連續：軸線L交軸線9-N、9-M及軸線9-K3根框架柱在首層轉換；

依據我國《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[2]，當結構具有3個或3個以上主要不規則類型時，為特別不規則結構，具有較明顯的抗震薄弱部位。因此，由3.1、3.2所列不規則類型情況可知，A3地塊9號樓及其裙房屬于特別不規則結構。

4 結構計算

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

4.1 振型、周期比及位移比

表1 結構自振周期、周期比及結構總質量

依據我國《高層建筑混凝土結構技術規程》[4](JGJ 3—2010)，計算振型數應使各振型參與質量之和不小于總質量的

90%，扭轉為主的第一自振周期T3與平動為主的第一自振周期T1之比不應大于0.85。由表1計算結果可知，結構X、Y向振型參與質量之和以及結構扭轉周期比均能滿足規范要求。此外，在風荷載和地震作用下，結構最大扭轉位移比小于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，均能滿足規范要求。

4.2 框架柱地震剪力比及傾覆力矩比

規定水平力作用下，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 規定水平力作用下框架柱地震剪力比

圖4 規定水平力作用下框架柱傾覆力矩比

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010),框架部分分配的樓層地震剪力標準值的最大值不宜小于結構底部總地震剪力標準值的10%，而圖3結果表明，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準值的最大值均大于底部總地震剪力標準值的10%。因此，對于框架部分分配到地震剪力標準值小于底部總地震剪力標準值的20%的樓層，按結構底部總地震剪力標準值的20%和框架部分樓層地震剪力標準值中最大值的1.5倍二者的較小值進行了調整。

由圖4可知，在規定的水平力作用下，結構X、Y向底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結構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%，依據文獻[4],本結構可按框架-剪力墻結構進行設計。

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-剪力墻結構，計算樓層側向剛度比時考慮層高修正，依據文獻[4]，要求本層與相鄰上層側向剛度比值不宜小于0.9，當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，對結構底部嵌固層，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范要求。

結構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，能作為結構抗震第一道防線，具有良好的抗震性能。

結構X、Y向剛重比分別為4.45、3.55，滿足規范要求，并可在彈性分析時不考慮重力二階效應的不利影響。

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譜法(CQC)分別對結構進行分析，彈性時程分析選用上海市工程建設規范《建筑抗震設計規程》[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，加速度峰值調整為35cm/s2。

依據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)，彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。由結果可知，彈性時程分析所選用地震波的計算結果均能夠滿足規范要求。此外，CQC計算基底剪力值能包絡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)對結構進行分析，用以判斷在未來可能地震作用下結構及構件的變形能力。分析時，梁柱等一維構件采用纖維束模擬，剪力墻等平面構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關系[5]。結構側向加載采用倒三角加載模式和彈性CQC地震力加載模式。罕遇地震影響系數取值0.45，特征周期取1.1s。

由計算結果可知，結構大震性能點對應的X向、Y向層間位移角分別為1/176與1/178，均小于規范限值1/100的要求。X、Y向大震、小震性能點對應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。從表中結果可知，X向大震性能點處基底剪力值，約為小震性能點處4.4倍，CQC法計算多遇地震下結果的3.5倍；Y向大震性能點處基底剪力值，約為小震性能點處4.3倍，CQC法計算多遇地震下結果的4.3倍。

表2 基底剪力對比

在整個靜力彈塑性分析過程中，塑性鉸首先出現在連梁上，并隨著加載步數的增加、裂縫的開展，連梁上塑性鉸的數量逐漸增加，同時，局部底部剪力墻也出現塑性鉸而退出工作。當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塑性鉸。最后底層框架柱出現塑性鉸，結構變為機構。

從塑性鉸的形成、發展來看，本結構基本符合抗震概念設計的要求，即連梁和剪力墻作為抗震第1道防線，率先進入塑性，并消耗地震能量，框架作為抗震第2道防線，能夠抵擋后續的地震作用，保證結構的安全。

大震作用下，結構整體呈現彎剪變形，底部加強區的部分墻體剛度退化較大，局部墻肢出現水平和斜向裂縫。底部加強區在設計過程中重點加強，尤其是裂縫開展較多的墻肢，并適當提高邊緣構件及水平、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 樓板應力分析

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

由計算結果可知，除卻個別應力集中點，樓板拉應力值在0.13～1.50MPa范圍內，樓板應力集中主要在洞口周邊及樓板陰陽角附近區域。

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

5 抗震構造加強措施

由分析結果可知，本結構存在的抗震薄弱部位，應對薄弱部位進行抗震構造加強，以保證結構的抗震性能，具體如下：

1)樓板開洞處，周邊梁縱筋拉通，腰筋加強，周邊柱配筋率適當提高；

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

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

4）嚴格控制結構底層剪力墻、柱的軸壓比，使結構具備一定的安全儲備。

5）躍層柱抗震措施提高一級。

6）針對結構超短柱，采取箍筋全長加密、適當增大縱筋配筋率等構造措施保證構件延性。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下，超短柱不出現塑性鉸。

7）按大震下抗剪性能設計底部剪力墻肢截面。

6 結語

由于建筑使用功能的需要，A3地塊9號樓及其裙房結構屬于存在多種平面不規則及立面不規則類型的復雜超限高層結構。采用兩種有限元軟件計算對比小震下結構各種效應，以確保計算結果的可靠性。對比彈性時程分析與振型分解反應譜法(CQC)計算結果，可知CQC計算結果能夠包絡彈性時程分析各值，故用CQC法計算結構彈性地震作用效應是安全的。對結構進行靜力彈塑性分析，可知連梁和剪力墻率先出現塑性鉸，耗散能量，能作為抗震第一道防線，框架作為第二道防線，抵抗后續地震作用，保證結構安全。對大開洞樓板進行應力分析，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造加強措施。通過以上分析及薄弱部位的加強，能夠保證本結構的安全可靠性，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計指南[M].上海：同濟大學出版社,2005.

【2】GB 50011—2010建筑抗震設計規范[S].

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

【4】JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].

【5】上海市城鄉建設和交通委員會.建筑抗震設計規程[M].上海：同濟大學出版社，2013.

【6】王啟文,呂志軍,雷婷.深圳邁瑞大廈超限結構抗震設計[J].建筑結構學報,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，從事結構工程研究，（電子信箱）liugui@isaarchitecture.com。