上海新薈購物廣場1#樓超限結構設計與分析（建筑）

                     胡正平^1,2，  閣東東³，  盧清剛³

（1湖南文理學院土木建筑工程學院，常德415000；2清華大學土木系，北京100084；3北京市建筑設計研究院，北京100045）

[摘要]  上海新薈購物廣場1#樓為存在平面、豎向、扭轉等不規則情況的超限超長高層建筑。針對該復雜、重要、特殊的結構，結構設計確定相應的抗震性能指標，并采用不同計算軟件進行結構設計分析。針對超長超限的特點運用有限元軟件對結構進行了地震作用與溫度作用的綜合分析，并制定了相應的結構加強措施。

[關鍵詞]  上海新薈購物廣場；超限結構；性能指標；動力彈塑性；樓板應力分析

中圖分類號：TU318    文章編號：1002-848X( 2016) 09-0037-05

1  工程概況

    上海新薈購物廣場1#樓位于上海嘉定區寶安公路與滬宜公路交界處，項目集大型超市、商場、劇院、餐飲、娛樂等多功能于一身。建筑東西總長度約225m，南北總長度約160m，結構高度28m，地下2層、地上5層，總建筑面積115 897m²。結構首層層高6m，其他層層高5.5m，型鋼柱截面為900×900，混凝土柱截面為800×800，柱子混凝土強度等級C50。工程的結構設計基準期為50年，安全等級為一級，抗震設防烈度為7度，場地特征周期為0. 9s，設計基本地震加速度為0.1g，建筑場地類別為Ⅳ類，抗震設防類別為標準設防類，設計地震分組為第一組。采用現澆鋼筋混凝土框架·剪力墻結構體系，整個結構為一整體，未設永久伸縮縫、防震縫和沉降縫。平面不規則、豎向不規則、扭轉不規則，屬于超限高層建筑工程。建筑效果圖如圖1所示。

2  超限情況及應對措施

2.1結構超限情況

    結構的超限情況主要表現如下：1）平面的不規則性主要表現在樓板的開洞，形成貫通多層的吹拔空間，首層頂、2層頂開洞，面積為整層面積的62.7%，4層頂開洞，面積為整層面積的67. 3%，邊跨開洞周長均在50%以上；2）豎向結構在首層存在局部轉換，5層局部設置上承式懸掛桁架，用于懸掛四層樓層結構梁，存在扭轉不規則的情況，考慮Y向-5%偶然偏心時，地上1~5層最大位移與平均位移之比均大于1.2，第4，5層樓層豎向構件的分別為1. 33和1.42；3）有局部的穿層柱、斜柱、夾層、個別構件錯層或轉換。根據建質[ 2010] 109號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，本工程為具有三項及以上不規則

的超限高層建筑工程，應進行超限高層建筑工程抗震設防專項審查，超限情況如圖2~5所示。

2.2針對性抗震措施

    根據結構超限情況，針對性抗震措施如下：

    (1)剪力墻在滿足建筑要求條件下，在平面布局中均勻布置形成多簡體的抗側力體系，適當增大邊榀框架截面，以減小扭轉效應。

    (2)整體結構的框架及剪力墻抗震等級按《建筑抗震設計規范》( GB 50011-2010)（簡稱抗規）規定執行，考慮到結構第二道抗震防線是框架，框架中的型鋼柱和型鋼梁屬于受力較大的構件，將其作為關鍵構件采取抗震性能設計。型鋼柱、轉換柱、搭接柱、斜柱定義為抗彎中震不屈服、抗剪中震彈性；中廳懸挑梁、影院型鋼梁、吊柱定義為中震彈性，其余均滿足性能3。

    (3)針對該結構平面開大洞較多，根據樓板應力分析結構及概念設計要求對樓板設計采取加強措施，保證地震力的有效傳遞。取板厚150mm，采用雙層雙向配筋，沿結構縱向每層拉通筋不少于0. 50%，沿結構橫向每層拉通筋不少于0.38%，與剪力墻連接部位每層拉通筋不少于1. 00%；設計時采用反映樓板平面內實際剛度的彈性膜進行模擬，把小震內力的3倍近似作為中震內力，與豎向荷載產生的內力進行荷載效應組合，進行承載力極限狀態設計。

    (4)型鋼混凝土柱中型鋼含量不低于5.0%，普通縱筋含量不低于1.0%；局部躍層柱，柱的剪力不低于周邊柱的剪力；支撐轉換梁的柱子按中震彈性設計，并按從屬面積承擔的地震剪力進行校核；對于大跨度鋼結構懸挑梁、鋼吊柱進行抗倒塌分析。

    (5)采用動力彈塑性分析驗算結構樓板在小震作用下的混凝土拉應力；分析結構在中震作用下關鍵構件，如型鋼柱、型鋼梁、鋼桁架以及剪力墻在地震作用下的反應；分析結構在罕遇地震作用下的變形，分析框架、剪力墻以及全結構剪重比以及框架與剪力墻二道防線所承擔的基底剪力，并分析剪力墻累計受壓損傷和鋼筋拉應力、框架柱應變、框架梁應變、鋼桁架的von Mises應力等塑性指標，其中受壓損傷參數表征了混凝土的彈性模量下降水平。

3  基礎設計

3.1工程地質條件

    上海市位于長江三角洲人?？跂|南前緣，地貌上整個地形呈現東高、西低形態，場區地層自上而下分述如下：第⑤層及其以上土層為低強度、高壓縮性軟弱土層；第⑥層為暗綠色粉質黏土，可塑，中壓縮性，一般厚度2. 70~6.30m，層底標高- 13. 70~- 15. 73m；第⑦層為草黃色砂質粉土，中密，中壓縮性，一般厚度0. 90~3.10 m；第⑧，一：粉質黏土層，可

塑，中壓縮性，一般厚度4. 10~7.20m，層底標高- 31. 89~- 34. 74m，靜探最小平均值為1.30MPa，

土質尚可；第⑧1-2為粉質黏土夾砂質粉土，可塑，中壓縮性，一般厚度10. 00~12. 50m，層底標高- 43. 25~- 45. 43m，靜探最小平均值為1.77MPa，根據土層性質，這兩層均可作為本工程1#樓5層建筑樁基持力層。場地土類別為Ⅳ類。

3.2地基基礎設計

    基礎設計考慮恒荷載、活荷載、水浮力、風荷載和地震作用的影響?；�礎設計等級為乙級。采用高強預應力管樁+板式筏板基礎，筏板厚度為1000mm，板底標高為- 11.200m；局部柱下筏板厚度為1500,2 000mm，板底標高為-  11.700，- 12. 2m。高強預應力管樁樁徑為600mm，有效樁長為40m，進入筏板內100mm，樁端持力層為⑧1-3層粉質黏土層。單樁承載力特征值不小于1900kN。筏板混凝土強度等級為C40，抗滲等級為P8。主樓抗壓樁考慮水浮力的有利作用及環境的不確定性，抗浮設防水位取低水位埋深值1. 5m再下1.5m，即3. 0m。沉降值控制在150mm內，相鄰柱基沉降差均小于0. 002L（L為相鄰柱基的中心距離）。

4  結構計算分析

    結構計算分析主要按以下三個層次進行：

    (1)采用PKPM和YJK進行整體結構小震彈性反應譜與時程分析，并進行對比計算，保證整體結構的各項指標滿足規范對復雜結構的要求，確定結構的構件尺寸，保證整體結構的變形滿足國家現行規范的要求。

    (2)采用ABAQUS進行動力彈塑性時程分析。鋼桁架構件材料采用雙線性隨動強化模型，并采用von Mises塑性理論；混凝土采用ABAQUS自帶的塑性損傷模型。中震下研究結構關鍵部位、關鍵構件的變形形態和破壞情況，重點考察以下部位：剪力墻損傷、柱應變、鋼桁架應力等；大震作用下重點研究結構整體變形、構件的塑性發展情況，以及整體結構的彈塑性行為，了解最大頂點位移、最大層間位移及最大基底剪力等，以達到在罕遇地震作用下防倒塌的抗震設計目標。

    (3)針對樓板開大洞以及結構超長問題，采用ABAQUS進行小震下與溫度作用下樓板應力分析，并滿足中震不屈服要求。

4.1小震作用下計算分析

    (1)小震作用下彈性反應譜分析

    整體計算模型中核心筒采用三維殼單元，梁柱采用空間桿單元。由于結構大多數樓層樓板的連續性好，無大面積開洞，且樓板長和寬方向基本相等，因此計算時采用剛性樓板假定。

    計算模型中連梁折減系數取0.8，檢查重力荷載作用下連梁的承載力。梁剛度取鋼梁的2.0倍?？拐鹩嬎銜r，考慮扭轉耦聯以計算結構的扭轉效應，振型數取18個，振型參與質量系數不小于90%。周期折減系數一般取0.8~0.9，考慮到本工程填充墻較少，周期折減系數取0.9。在計算層間位移比時考慮偶然偏心的影響，整體結構考慮重力二階效應的不利影響。結構的主要計算結果見表1，由表可知，SATWE與YJK兩種程序計算出來的結果比較吻合。結構的扭轉與第1平動周期比滿足規范限值0. 85的要求；層間位移與層高之比限值為1/8 00，結構在地震作用與風荷載下的最大層間位移角均滿足規范要求；結構在兩個方向的平動剛度比較接近，具有很好的抗扭剛度；結構體系合理，基底剪重比等各項參數均滿足抗規要求。

    (2)小震作用下時程分析

    根據同濟大學針對本工程提供的地震波，進行了彈性動力時程分析補充計算。選用的3組地震波中有1組為人工波AWX0.9 -2/AWY0.9-2，2組為天然波，分別為NRX0. 9-3/NRY0. 9-3，NRX0.9 -4/NRY0.94，進行歸一化驗證，符合抗規反應譜要求。計算分析采用YJK軟件。三組地震波計算得到的基底剪力接近反應譜計算的基底剪力，每組地震波產生的基底剪力均大于反應譜法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反應譜法基底剪力的80%，滿足規范要求的三組地震波（兩組天然波，一組人工波）的計算要求。三條地震波取包絡進行設計。表2給出了小震時程分析結果。

4.2中震彈塑性時程分析

    中震作用下，6種工況三向地震波結構響應最大值如下：型鋼混凝土柱的最大正應力值為13. 8MPa（圖6），小于C50 混凝土抗壓強度標準值32. 4MPa的50%，正應變最大值為0.001 3，小于0. 001 5，剪切應力均小于0.5MPa（圖7），說明型鋼混凝土柱滿足中震不屈服的要求。型鋼混凝土梁的應變最大值為0. 001 493，小于0.001 5，最大正應力值為12. 9MPa，小于C40混凝土抗壓強度標準值26. 8MPa的50%，滿足中震不屈服的要求。鋼桁架von Mises應力最大值為136MPa，小于鋼桁架屈服強度標準值345MPa，說明鋼桁架滿足中震不屈服的要求。各種工況中剪力墻的局部最大剪應力約為6. 6MPa，但大部分墻肢剪切應力均小于3.0MPa，說明剪力墻在中震下并未發生剪切屈服，滿足中震不屈服的抗震性能目標，達到“中震可修”的抗震設防標準。

4.3大震彈塑性時程分析

    大震作用下選用不同的地震波，三向地震波作用時，結構響應如下：X，Y，向最大位移值分別為186mm和209mm；X向1～5層最大層間位移角分別為1/114，1/123，1/139，1/200，1/165，均小于規范限值1/100。Y向1～5層最大層間位移角分別為1/112 ,1/118 ,1/138，1/114，1/193，均小于規范限值1/100。X向和Y向的最大層間位移角均出現在第1層，但都小于規范限值1/100，說明結構滿足“大震不倒”的抗震設防目標；在地震波輸入初期，X向和Y向基底地震剪力基本上由第一道防線剪力墻承擔，隨著結構塑性及損傷的發展，后期地震剪力由第一道防線剪力墻和第二道防線框架共同承擔，說明二道防線能有效抵抗地震作用。

    底部部分墻肢受壓損傷達到0. 97（圖8），但底部大部分墻肢受壓損傷小于0.8，說明結構具有良好的剩余承載力，與第二道防線框架結構可有效共同工作，防止結構發生倒塌；剪力墻中的鋼筋最大應力出現在剪力墻底部，最大鋼筋拉力約8. 50×104N（圖9），單根鋼筋應力最大值約423MPa，鋼筋進入強化階段，但產生強化并不充分。一般區域鋼筋拉力均小于40kN，鋼筋應力小于200MPa，并未產生屈服。結構最大層間位移角滿足規范限值1/100的要求，達到規范的“大震不倒”抗震設防標準。

4.4樓板內力綜合分析

    (1)小震作用下樓板應力分析

    樓板作為水平抗側力構件，在承受和傳遞豎向力的同時，把水平力傳遞和分配給豎向抗側力構件，協調同一樓層中豎向構件的變形，使建筑物形成一個完整的抗側力體系。大面積開洞樓板的周邊是薄弱部位，給出的設計方法，進行平面內應力分析及其抗震設計，具體實施方法如下：小震作用下，按等級二級控制裂縫，采用混凝土抗拉強度標準值作為控制連接板混凝土核心層開裂的指標；中震作用下，采用水平鋼筋的抗拉強度設計值作為連接板承載能力的指標。第3層頂板內力分析如下。

    取板厚150mm，混凝土強度等級為C35，把小震內力的3倍近似作為中震內力，與豎向荷載產生的內力進行荷載效應組合，進行承載力極限狀態設計。根據每延米板帶的內力（圖10，11），樓板兩個方向的彎矩可分別取30kN．m/m和20kN．m/m，剪力可取50kN/m進行配筋；與剪力墻相連的部位板受力較大，這些區域的配筋予以加強，局部樓板控制彎矩取50kN．m/m，剪力取90kN/m進行配筋計算。另外，從一般區域和大開洞區域樓板拉力和彎矩分別比較情況來看，大開洞區域的拉力與一般區域的拉力比值，比大開洞區域的彎矩與一般區域的彎矩比值大，在大開洞區域主要依靠鋼筋傳遞拉力。采用理正計算得到，一般區域的板沿長度方向的控制配筋為12@ 150，雙層拉通，單層單向配筋率約為0. 50%；一般區域的板沿寬度方向的控制配筋為12@ 200，雙層拉通，單層單向配筋率約為0. 38%；局部區域的板控制配筋為12@75，雙層雙向拉通，單層單向配筋率約為1. 00%。

    (2)溫度作用下樓板應力分析

    樓板溫度應力分析基于ABAQUS進行，在結構縱向的樓板施加預應力，預應力通過初始應力予以考慮，考慮整體降溫15℃后，混凝土強度等級為C35，彈性模量E=3.0×104MPa，折減系數0.4，線膨脹系數為1.0×10^-5。鋼絞線強度等級為1860MPa，預應力有效應力不小于1 000MPa，梁板張拉控制應力1302MPa，施工時均超張拉3%。由于樓板在底部受到的約束最強，所以樓板溫度應力以首層最大，往上部逐步減小。圖12給出了首層樓板溫度應力，從圖看出，在整體降溫15℃后，首層樓板縱向和橫向的最大溫度應力分別為1. 23MPa和1. 62MPa，都不大于樓板混凝土抗拉強度標準值2. 20MPa，滿足設計要求。

5  結論

    (1)針對該復雜、重要、特殊的結構體系，制定了抗震性能指標，采用YJK，SATWE，ABAQU多種軟件對結構進行整體分析計算，計算結果基本一致，結構的周期比、層間位移角、層間受剪承載力比等均滿足抗規要求。

    (2)針對抗震超限審查專家提出的型鋼柱、轉換柱、搭接柱、斜柱定義為抗彎中震不屈服、抗剪中震彈性；中廳懸挑梁、影院型鋼梁、吊柱定義為中震彈性的設計要求，在核心筒混凝土墻肢中設置一定數量的型鋼加以解決。對搭接柱的設計，采取在水平和豎向地震作用下，承載力滿足大震不屈服、相關支承構件承載力滿足中震彈性及強剪弱彎要求。

    (3)對于上海長周期結構設計，適當降低結構剛度是設計關鍵，對超長、開大洞結構板應進行地震作用下與溫度作用下的綜合分析，增大洞邊配筋率。對具有局部混合大體量結構應采用全過程動力彈塑性分析，靜力彈塑性分析不能反映結構第一道防線損傷問題。