上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200129
摘要：苏河湾41街坊41A楼是存在多种抗震超限情况的特别不规则高层，需要进行超限高层建筑抗震专项审查。文章通过对各超限情况的分析及相关加强的计算及构造措施作出了简单的见解和阐述，为未来类似工程超限审查提供一定的指导。
关键词：楼板开大洞 托柱转换 刚度突变
1.项目概况
本工程位于上海市闸北区苏州河北岸，地块东至浙江北路、南至北苏州河路、西至甘肃路、北至曲阜路。地块北面的曲阜路地下有规划中的轨道交通12号线，现正在施工中；地块南面北苏州河路以南、苏州河紧邻北苏州河路。
根据建筑平面布置，本工程抗侧力体系采用框架-剪力墙结构体系，钢筋混凝土剪力墙为主要的抗侧力体系，作为第一道抗震防线；框架作为第二道抗震防线。
楼板采用现浇钢筋混凝土，二层转换楼板采用180mm板厚，局部开大洞等薄弱部位楼板加厚为150mm及180mm；其它除屋面外一般为130 mm；屋面板120mm。
附图一（细腰）
楼板不连续：地下室顶板在主楼和地库间存在1300mm高差；2层商业顶板在交通核内与交通核外高差1200mm，属楼层错层。
复杂高层：转换，2层有6根柱需顶托柱转换，属于复杂高层结构，详见下图二。
附图二（被转换柱标示）
刚度突变：转换层与上层设备层剪切刚度之比小于70%，属侧向刚度不规则。
3.超限抗震设计的计算及分析论证
3.1 计算分析软件及分析内容
根据本工程的高度及复杂程度，本工程抗震设计依照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防原则以及预定的性能设计目标，作出了如下的结构计算分析：
多遇地震及风荷载作用下的弹性分析，应用SATWE（2010版本）和PMSAP（2010版本）两种软件进行计算，并对两种软件的计算结果进行对比分析，保证结构具备必要的承载力、适宜的刚度、良好的变形能力和耗能能力，确保结构满足“多遇地震不坏”的目标。
3.2两种软件的比较验证
首先，对质量分布、总质量及单位面积重力、质量分布分析；两种软件计算的总质量、楼层质量基本相同；单位面积重力由底部的20kN/m2减少到顶部的14.6 kN/m2，数值及分布规律合理。
其次，对动力特性进行分析，主要是周期；计算中采用了15个振型，两个方向的质量参与系数均大于90%；各振型对应的周期及其性质、周期比都满足规范要求；计算结果表明，两种软件计算的结构自振周期基本一致，周期值及分布规律合理；具有较好的抗扭刚度，SATWE计算的第一扭转周期与第一平动周期的比值为0.71，PMSAP计算的结果为0.75，均满足规范不超过0.85要求；两个主轴方向的动力特性相近，SATWE计算的第二平动周期与第一平动周期的比值为0.83，PMSAP计算的结果为0.85。
第三，对位移和扭转位移比进行分析；对比两种软件楼层位移、位移角、扭转位移比的结果，两种软件计算的结果基本一致；多遇地震下X向最大楼层位移角1/915（13层，1、2层为地下室），Y向最大楼层位移角1/1105（13层，1、2层为地下室）；X向楼层最大位移比1.08，Y楼层最大位移比1.26，最大楼层位移比超过1.2；但是只是在一层二层超，而且一层二层的绝对位移相对很小，扭转位移比控制可略有放宽，故可以认为平面规则结构。
第四，对地震剪力系数进行分析；楼层剪力、楼层剪重比、楼层剪力分析及调整的结果，两种软件计算的楼层剪力基本一致，楼层剪力曲线平滑无突变；剪重比基本一致，其值变化平缓；X向水平地震剪力系数λ=3.29 %>1.6%，Y向水平地震剪力系数λ=3.52%>1.6%，满足《高规》4.2.12条的要求，设计中不再进行全楼地震力的调整。
第五，两种软件计算的楼层剪力基本一致，楼层剪力曲线平滑无突变；计算分析表明，刚度比满足《高规》3.5.2.2条的要求，但不满足上海抗震规范楼层刚度比的要求，4层（建筑2层商业）与5层（建筑2层商业上部设备层）的剪切刚度比小于《702号文》规定的0.7，成的软弱层，地震力放大1.25倍。塔楼部分靠近地下室边缘，地下室外墙可以有效分担上部结构传来的水平力；在地下室适当增加Y向剪力墙，且加厚局部X向剪力墙厚度后，地下一层与地上一层的两个方向剪切刚度比均大于1.5，可以将上部结构在顶板位置嵌固。
对楼层抗剪承载力比值进行分析；根据《高规》第3.5.3条A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%。根据计算结果，均能达到要求。
对转换层与上一层的侧向刚度比进行分析；根据《高规》附录E.0.1条，当转换层设置在1、2层时，可近似采用转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比表示上下层结构刚度的变化，等效剪切刚度比宜接近1，抗震设计时不应小于0.5；结果满足高规的要求。
第七，对多道设防进行分析；计算得框架承担的倾覆弯矩的百分比满足规范要求。
第八，多遇地震下楼板主拉应力的分析；从设备层以上每三层中有一层在细腰部位沿X方向未布置框架梁与框架柱相连，且在南侧五个开间处均留有楼梯洞，楼梯洞边无封边梁（详见如下放大图），因此对其进行了多遇地震下梁板主拉应力的验算。
阴影部分板厚180mm，为填充阴影部分板厚150mm
经计算，小震下楼板主拉应力未超过混凝土抗拉强度标准值及设计值。
第九，弹性时程分析，选择合适的地震加速度时程波；根据《建筑抗震设计规范》第5.1.2条及《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.4条的要求，应采用弹性时程分析法进行补充计算。
时程分析应根据本项目的建筑场地类别（IV类）和设计地震分组（一组）选用两组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。
1.RH4TG090（人工波，持时50S，峰值100cm/s2）
2.TH1TG090（天然波，持时40S，峰值96.2cm/s2）
3.TH2TG090（天然波，持时43.6S，峰值133.8cm/s2）
所选三条时程波的加速度曲线与地震影响系数曲线吻合程度较好，其平均加速度曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。
通过对最大楼层剪力曲线、位移曲线、最大层间位移角曲线、最大楼层弯矩曲线、时程分析比较；每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65％，三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80％，满足规范要求。弹性时程分析的平均值均小于反应谱计算的指标，具体实施中采用反应谱计算结果进行设计。
第十，对转换柱、梁设防烈度下地震弹性分析；地震作用下，首先在框架柱及墙肢的底截面屈服；随着变形增加，屈服部位向上发展，形成塑性铰区。为推迟转换柱塑性铰区的形成，确保转换结构在设防烈度地震下的受力性能，设计对转换柱底部加强区及转换梁提出设防地震作用下弹性性能要求。
设防地震弹性计算分析时，连梁刚度折减系数0.4，设防地震弹性验算时取的地震反应谱及特征周期按照《抗震规范》取，水平地震影响系数最大值аmax取0.23。
根据《高规》对柱截面的组合剪力设计值的规定，如下式：
经复核，所有转换柱在底部加强区内均满足该式计算所需的组合剪力设计值。
另外需进行设防地震作用下底层竖向构件的性能化分析。
对转换梁罕遇地震进行分析；水平转换构件在罕遇地震下进行受弯、受剪极限承载力复核，满足罕遇地震安全的要求。罕遇地震不屈服计算分析时，连梁刚度折减系数0.4，特征周期按照《建筑抗震设计规程》（DGJ08-9-2003）要求取1.1，水平地震影响系数最大值аmax取0.45。
罕遇地震作用下转换层构件的性能化分析；转换梁配筋率，根据《高规》对柱截面的组合剪力设计值的规定，如下式：
经复核，所有转换梁在大震下的剪力均满足该式计算所需的组合剪力设计值。
最后，进行罕遇地震弹塑性时程分析；根据《高规》第5.1.13条的要求，高规第10章规定的复杂高层建筑结构宜采用弹塑性静力或动力分析方法补充验算薄弱层弹塑性变形。
通过罕遇地震弹塑性静力时程分析，结构最大弹塑性变形值（X方向是1/173；Y方向是1/226）都小于规范规定的最大弹塑性变形限值（1/100），结构在罕遇地震下的抗震性能满足防倒塌的设计目标；剪力墙作为本项目结构主要抗侧力构件仍有足够的强度和变形能力，主体结构也是如此，可保证罕遇地震不倒。结构的主要竖向构件均远未达到其承载能力的极限，仅会在耗能构件上出现局部破坏，通过执行有关构造措施可使其破坏程度得到有效控制，保证设防地震可修。
四 结论
本工程根据判断属于特别不规则的超限高层建筑。
两个程序的计算结果吻合度很好，差异不大（小于5%），由于局部结构概念上出发点不同着重点不同（例如墙元一个采用杆单元一个采用壳单元、局部位置的刚域考虑存在一定的差异）导致计算结果存在略有不同，但综合来看均在工程上可接受的范围；所以我们认为结构软件的互为校核是成立的。
通过对主体结构的平面布置调整，使得结构更趋合理；由于局部建筑、设备功能要求，形成的薄弱层处，结构也根据上下关系及概念设计，应用多工况多程序的分析比对，使得计算结果满足现行规范和规程的要求；采取了合理适当的加强措施，消除了薄弱层这一不规则对整体结构带来的抗震不利的影响，使得本结构单体保持了良好的抗震性能，。
综上所述，41A办公楼抗震设计可达到预期的性能目标，在规范规定的地震作用下，结构是安全的。
论文作者:顾豪
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第16期
论文发表时间:2018/11/12
标签：剪力论文; 结构论文; 刚度论文; 楼层论文; 位移论文; 两种论文; 曲线论文; 《建筑学研究前沿》2018年第16期论文;