閘北廣場城市更新項目結構分析及設計

施駿 何靜豐

0 引言

本工程位于上海市靜安區，基地為閘北廣場一期二期及匯貢大廈現址。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。塔樓和裙房間設置抗震縫分為2 個結構單元。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

地下室整體不設縫，共3 層，主要功能為地下停車庫及設備用房。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。

結構設計使用期50 年，安全等級二級，基礎設計等級甲級。抗震設防烈度7 度，設防類別丙類，場地特征周期0.90s。50 年基本風壓0.55kN/m，地面粗糙度類別C 類，風荷載由風洞試驗確定。

1 地基基礎設計

1.1 地基場地條件

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

1.2 基礎設計難點及解決思路

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，不滿足構造及抗水平力要求；

（2）原樁設計使用年限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，在布樁過程中根據老樁的位置調整樁位。

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 基礎選型

塔樓基礎采用樁筏基礎，塔樓范圍現存間距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，樁端樁側聯合注漿。樁身混凝土設計強度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底板厚度為2800mm，基礎混凝土設計強度C40。

裙房及純地下室采用樁筏基礎，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），基礎混凝土設計強度C35。

2 結構體系

綜合考慮預制率、現場吊裝便利性、施工周期等綜合經濟性，結構體系選用混合結構。

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，標準層層高4.5m，避難層層高4.5m。

結構體系采用混合結構，核心筒混凝土，外框型鋼混凝土柱，抗震等級一級。標準層建筑平面尺寸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，為滿足結構抗側剛度，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

標準層外周鋼梁截面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設置型鋼；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計，樓面鋼次梁截面H500mm×200mm×9mm×14mm，梁端鉸接。標準層結構布置如圖3 所示。

圖3 標準層結構布置圖

3 結構計算分析

3.1 多遇地震作用下結構分析

多遇地震作用下結構分析使用SATWE、MIDAS 校核分析結果，通過兩個軟件的結構質量、周期、層間位移角、樓層剪力等指標對比，可以看出兩個軟件結果比較接近。層間位移角均小于1/728（塔樓結構高度166.5m，高度在150m～250m之間，依據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第3.7.3 條，層間位移角限值按插值計算為1/728。），滿足規范要求。

大部分樓層型鋼混凝土框架承擔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，核心筒承擔了絕大部分的層剪力，滿足規范控制要求。

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

結構設分析補充了彈性時程分析，和反應譜結果對比，對反應譜結果校核修正，保證結構安全和高階振動結構影響的充分體現。時程分析設計選用了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，考慮了有效持續時間、頻譜特性、峰值折算等多方面要求。從時程分析與反應譜結果對比看，X 向基底剪力時程平均值為反應譜的82%，Y 向基底剪力時程平均值為反應譜的90%。時程分析樓層剪力平均值未超過CQC 結果對應樓層的剪力，振型分析反應譜法計算結果可包絡時程分析計算結果。時程分析結果顯示，選用的波是合理有效的，反應譜結果偏安全，適用于結構指標評估與配筋。

3.2 罕遇地震下的彈塑性時程分析

文獻[2]第3.7.4 條規定：“房屋高度大于150m 結構，應驗算罕遇地震下彈塑性變形”。對于框架核心筒結構，層間彈塑性位移角限值為1/100。

采用PKPM 軟件進行結構彈塑性時程分析，地震波采用的《上海市建筑抗震設計規程》（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調整。

通過罕遇地震下的彈塑性時程分析，結構抗震性能評述如下：

（1）計入了重力二階效應及大變形，X 向結構最大頂點位移為1.07m、Y 向結構最大頂點位移為1.37m，結構滿足大震不倒的設防要求。

（2）結構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 風荷載分析

本工程風荷載由風洞試驗及風致響應分析并結合規范風荷載確定。

風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°風向角為間隔，共進行了24 個風向角的測試。通過規范風荷載和試驗風荷載對比，底部與上半部風荷載規范值大于試驗值，中下部風荷載規范值略小于試驗值，規范風荷載和試驗風荷載對比圖見圖4。總體來看，除頂部幾層規范風荷載與試驗值差異較大，規范風荷載與實驗風荷載較接近。

圖4 規范風荷載和試驗風荷載對比圖

因為上部風荷載對結構的影響較顯著，從結構響應看，規范風荷載的樓層剪力、彎矩均大于實驗值。規范風荷載與試驗風荷載差別不顯著，規范風荷載的結構響應基本可包絡試驗風荷載，總體設計階段采用規范風荷載進行設計是安全的，在施工圖設計階段，結構承載力設計時采用規范風荷載與試驗風荷載包絡設計。

3.4 樓板應力分析

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 對樓板進行精細有限元分析。樓板采用膜單元，計算平面內實際剛度。地震作用下開洞樓層樓板軸向應力分布情況。經計算分析，在水平力作用下，樓板內應力很小，除個別應力集中位置外，樓板應力在0.2MPa 以下，小于混凝土抗拉強度設計值，個別應力集中區域應力最大值1.7MPa，小于混凝土抗拉強度標準值。

4 結論

閘北廣場城市更新項目為原地拆建的超高層建筑，通過對該結構進行抗震、抗風等相關計算分析，得出以下結論：

（1）城市更新設計中，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+混凝土核心筒結構體系比較成熟，可以在核心筒寬高比較大的情況下，通過節點加強以滿足抗風、抗震多道設防要求，整體裝配率高，可滿足上海地區高裝配率要求。