上海中房建筑设计有限公司 上海 200021
摘要：结合工程实例，对多塔楼、裙房等均落在大底盘车库上的超限高层建筑群的结构设计进行较为系统的总结。重点阐述了大底盘多塔结构的沉降控制，上部结构设计阶段重点、难点的计算和分析。并对结构进行了弹塑性时程计算，给出了结构整体设计相关指标等内容，对抗震关键构件采取相应的抗震加强措施保证了结构安全。
关键词：超限高层建筑；弹塑性时程分析
1工程概况
本工程位于上海市位于中兴路以南。本项目中包括8#楼16层、3#楼17层、4#楼24层、6#楼25层、7#楼27层、5#楼29层高层住宅（3#~8#楼）、多栋2~3层的多层商业裙房。1个全埋式二层地下汽车库，以上地面建筑均落在地库上。结构各号楼范围定义如图1。本工程总用地面积19651.2m2，总建筑面积约105818m2，地上总建筑面积约69733m2，地下总建筑面积约36085m2。计算分析时抗震缝左右分两部分进行整体计算分析，现以3#4#5#楼为例进行分析说明。
图1 各号房范围定义图
2 地基基础设计
2.1地质概述
拟建场地位于上海市静安区；上海位于东海之滨、长江入海口处，属长江三角洲冲积平原，本场地地貌类型属滨海平原。场地地形较为平坦，一般分布较稳定。场地浅部地下水属潜水类型，受大气降水及地表迳流补给。年平均高水位埋深为0.50m，低水位埋深为1.50m。本场地在深度20.0m范围内无饱和层状砂质粉土及砂土分布。在抗震设防烈度为7度时，可不考虑地基土地震液化。
2.2桩基选型
结合上海地区的地质条件及参考项目周边实际情况，初步确定本工程桩基采用钻孔灌注桩，其桩径0.75米、0.6米，有效桩长分别为40米（号房）、27米（车库），桩端持力层为第⑧1-1土层（灰色粘土，fs（kPa）55，fp（kPa）1100，Es（MPa）8）和⑦2土层（灰色粘质粉土，fs（kPa）60，fp（kPa）1900，Es（MPa）50），桩身混凝土设计强度等级C35。塔楼桩入持力层土层下部，深度约10米，采用以Mindlin应力公式为依据的单向压缩分层总和法计算，3#、4#、5#楼桩基中心最大沉降量分别为58mm、85mm、90mm左右。
2.3基础设计和防裂控制
桩基-筏板的基础体系中，筏板在荷载的传导中起到承上启下的作用，为整体结构中的重要构件。尤其在高层结构中，核心筒与框架柱间的荷载比例不尽均衡，给基桩布置带来一定的难度，这往往需要通过筏板进行荷载的传递、转换及平衡，以及变形的协调。本项目基础底板计算采用整体建模，有限元基础软件YJK-F计算，其中16~20层高层住宅筏板厚度为800mm；21~25层高层住宅筏板厚度为1000mm；25层以上高层住宅筏板厚度为1100mm；基础底板砼强度等级C35，抗渗等级P8。筏板厚度除满足上述荷载要求外，往往为筒核或框架柱的冲切受力或两者间横截面抗剪控制，因此筏板局部按照计算加厚。筏板内部的板底及板面纵筋配置除了需要考虑因柱墙荷载与桩顶反力分布错位特点产生的局部弯矩外，更需要考虑整体沉降对筏板产生的碟型变形内力值，需对该两种荷载值进行叠加综合考虑。本工程按照单塔楼和大底盘分别计算沉降，以正确评估塔楼之间的相互影响。经计算分析，塔楼最大沉降点均位于筒核中心处，筏板外周边沉降量逐渐减小，整体呈现碟型沉降特点。
针对本工程的不设缝超长地下室采取如下措施：<1>在主楼与裙房交接处，平面上设置若干条上下贯通的沉降后浇带；<2>基础部分采用粉煤灰，在混凝土内掺入约15%水泥重量的粉煤灰；<3>采用刚柔结合的地下室防水方案；<4>严格控制混凝土材料质量；<5>降低浇筑温度；<6>大体积混凝土分层浇筑，控制振捣质量，提高混凝土与钢筋的握裹力，增强密实度；<7>做好养护；<8>设计时，适当加大通长钢筋的配筋率，在收缩应力和温度敏感部位适当提高拉通钢筋的配筋率。
3 主塔楼结构选型
本工程为住宅项目，结构布置更多以遵循建筑功能和方案立面效果为主。抗侧力体系选型综合考虑了以下内容：
1、中部竖向剪力墙接近建筑长宽的50%，应充分利用核心筒剪力墙；
2、争取使平面刚度中心与质心重合；尽可能提高外框结构承担的水平地震剪力；
3、与建筑的外立面相统一，尽量满足视野通透，空间开阔的效果，减小结构对建筑造型、空间功能的影响；
4、合理控制结构受力和变形，降低结构造价以及施工周期。
综合考虑多种因素后，塔楼结构采用了框架-核心筒结构体系。塔楼框架部分承受的地震倾覆弯矩占结构总倾覆弯矩的10%左右，因此按照剪力墙结构进行设计，同时各项设计指标按照两种结构体系要求从严控制。图6.1为塔楼的抗侧力体系图。
其中，北侧、东侧两片竖向构件截面为500x2050mm，模型计算过程中按照型钢柱输入；南侧、西侧两片竖向构件截面为500x2500mm，模型计算过程中按照钢板剪力墙输入，同时考虑墙平面外受力。内部结合竖向交通盒布置成剪力墙核心筒，筒外圈剪力墙厚500~600mm，内部剪力墙厚200~350mm，端暗柱和拐角暗柱根据计算或构造需要布置成型钢柱。八片墙柱均通过型钢混凝土梁与内部核心筒相连。通过合理的布置能够有效降低了地震荷载作用下的扭转效应。
为减小悬挑外环梁的挠度，提高楼板舒适度采用了350x600~700mm的钢柱，通过特殊节点构造处理，削弱小钢柱柱顶柱底的抗弯能力。通过计算分析保证多遇地震、设防地震下弹性，罕遇地震下形成塑性铰。
图6 1抗侧力体系平面布置图
4 结构超限分析及计算
4.1超限分析
根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）、《上海市工程建设规范 建筑抗震设计规程》（DGJ08-9-2013）、《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》（沪建管[2014]954号）以及上海市城乡建设和管理委员会印发的《上海市建筑工程初步（总体）设计文件抗震设防审查管理办法》（沪建管（2015）958号）中的相关内容，该项目的超限项目情况如下：
小超限项目：
1、扭转不规则：扭转位移比超1.2
2、平面凹凸不规则：底部与裙房相连后凹进深度约为相应投影方向总尺寸的44%。
3、各号房局部一层楼板有效宽度小于典型宽度的50%。
4、大底盘多塔结构
大超限项目：无
4.2 复杂楼板计算
4.2.1应力分析
本项目将各号楼大底盘楼板、大洞口周边一跨、结构连接薄弱处及周边一跨、有效楼板过窄处（超限）及周边一跨列为楼板薄弱区域，楼板设计时控制多遇地震下楼板主拉应力小于混凝土抗拉强度标准值、基本烈度地震作用组合下楼板钢筋不屈服，并按概念设计进一步加强。
计算时按弹性模分析。以上楼板薄弱区域板厚按≥130mm控制，钢筋双层双向。采用PMSAP分析楼板应力。楼板应力较大的部位，局部加大楼板厚度和楼板配筋后均能满足设计要求。
4.2.2震动分析
大跨度、大悬挑楼盖体系除需考虑抗力安全能力外，其舒适性日益得到重视。刚度要求一般通过控制楼板静力下挠度及裂缝来满足，但由于未考虑惯性特性及绝对挠度量因此并不能确保楼板不发生共振问题。
依据现行规范《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）第3.7.7条，楼盖结构竖向振动频率不宜小于3Hz；《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）第3.4.6条，住宅和公寓楼盖结构竖向自振频率不宜低于5Hz。
通过对典型楼盖梁板体系进行有限元划分，计算其在不同主模态下的楼盖竖向振动频率及模态，典型楼盖的振动频率均大于5Hz，满足要求。
4.3 小震弹性分析结果
本项目采用SATWE、PMSAP两种计算程序软件对结构进行计算分析。在进行整体计算时采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法并且考虑偶然偏心影响。结构承载力计算时，取偶然偏心和双向地震作用效应下最不利情况，小震作用下结构阻尼比取为0.05。
表4 周期及周期比值
从表4~6可知，结构在小震作用下主要计算指标均能满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）的有关规定。
4.4 弹性时程分析结果
参考建筑抗震设计规范（GB50011-2010）和高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）进行了地震波分析和选用，在地震波选用中考虑了场地类别、数量、频谱特性、有效峰值、持续时间、统计特性几个方面的要求。多遇地震情况下采用的地震波为《DGJ08-9-2013建筑抗震设计规程》附录A 中的SHW1（人工波）、SHW2（人工波）、SHW3（天然波）、SHW4（天然波）、SHW5（天然波）、SHW6（天然波）和SHW7（天然波）。
以3#楼为例从计算结果来看，每条时程波输入引起的结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%且小于135%，7条时程波输入引起的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%且小于120%，满足抗震规范第5.1.2条要求。
表7 3#楼弹性时程分析法与CQC法底部剪力比值
4.5弹塑性分析结果
本工程位于7度区Ⅳ类场地，存在多项不规则内容，对抗震不利。故宜对典型主楼进行大震下的弹塑性变形计算。本工程共六个塔楼，按照户型平面结构布置分为两个类型：T2、T5。5#楼为T2户型代表，7#楼为T5户型代表，其余塔楼均为层数上减少，结构平面基本雷同。计算采用静力弹塑性分析法，软件采用中国建研院的PKPM软件PUSH&EPDA模块。PKPM系列PUSH程序是一个三维有限元空间弹塑性静力分析程序，程序单元库包括梁（柱）元和剪力墙元两种非线性单元。弹塑性梁（柱）单元采用标准的有限元方法（所谓的微观方法）构造，单元切线刚度直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系，这种模型通常也被称为纤维束模型。弹塑性墙元面内刚度的力学模型采用平面应力膜，并可以考虑开洞，与梁（柱）元一样，它的单元切线刚度也直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系。墙元的面外刚度用简化的弹塑性板元进行考虑。
进行罕遇地震下的静力弹塑性分析，以期达到以下目的：
1、研究结构在大震作用下的基底剪力、剪重比、层间位移角等综合指标，评价结构在大震作用下的力学性能，控制层间弹塑性位移小于1/120。确定结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求；
2、检验核心筒墙肢、连梁的损伤情况；
3、检验型钢混凝土墙柱、外环梁以及重力柱的受力情况；
4、根据以上分析结果，与抗震性能化目标进行比较，以指导结构设计。
图5、6为5#楼X向、Y向弹塑性分析得到的性能曲线。各号楼最大弹塑性层间位移角见表8，结果均满足规范最大弹塑性层间位移角1/100的限制要求。
表8 各号楼最大弹塑性层间位移角
图6 5#楼Y向性能曲线
5 关键构建抗震加强措施
根据不同部位构件的重要性且结合静力弹塑性分析结果，参照《高层建筑混凝土结构技术规程》，对关键构件抗震设计进行了加强，具体要求如下：
①与外环梁相连的墙柱：正截面承载力、抗剪承载力按中震弹性设计。
②悬挑外环梁：正截面承载力、抗剪承载力按中震弹性设计。
③钢柱：正截面承载力、抗剪承载力按中震弹性设计。
④底部加强区核心筒外围墙体：正截面承载力按中震不屈服设计、抗剪承载力按中震弹性设计。
6 结论
根据以上分析，本工程有多处超限，在设计中通过结构的合理布置及重点部位的加强来达到预期的抗震目标。通过前述的分析，有如下结论：
（1）大底盘多塔楼基础设计时，建议要严格控制塔楼间差异沉降。可结合上部荷载、持力层等情况选择合适的桩型，采用变刚度调平原则布桩，可以“抑强补弱”，促使沉降趋于均匀，底板位移和弯矩变化更加平缓。
（2）多遇地震下，整体结构保持弹性，整体结构完好。采用SATWE、PMSAP和ETABS软件进行整体分析，各项整体指标是合理的。各项超限相关的指标均控制在规范允许范围内。
（3）多遇地震下，进行弹性时程分析补充验算，各项整体响应指标（平均值）都在反应谱分析结果以内。
（4）罕遇地震下，各栋塔楼结构的最大弹塑性层间位移角满足规范限值1/120要求。
参考文献
[1]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]，北京：中国建筑工业出版社，2010。
[2]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S]，北京：中国建筑工业出版社，2010。
作者简介：
任建淼（1988—），男，一级注册结构工程师.
论文作者:任建淼
论文发表刊物:《防护工程》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/12
标签：结构论文; 塑性论文; 楼板论文; 塔楼论文; 承载力论文; 荷载论文; 位移论文; 《防护工程》2018年第16期论文;