【摘 要】高层建筑平面中因为电梯间、楼梯间、大堂上空等楼板开开洞设置，往往都属于规范规定的平面不规则建筑，需要对结构进行进一步的抗震性能分析。某办公楼一层大堂上空造成二层楼板尺寸和平面刚度急剧变化，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的40%，且结构某些层在规定水平力作用下位移比大于1.2，属于平面不规则超限高层建筑。本文主要介绍了该办公楼的结构选型与基础设计，相关超限分析以及针对结构超限采取的相关措施；采用了两种软件进行整体计算分析比较，并根据计算结果提出了相应的加强措施。此外，贠进行了罕遇地震作用下的静力弹塑性分析。
【关键词】超限高层；框架-核心筒结构；楼板应力分析；静力弹塑性
1．工程概况本项目位于位于上海市嘉定区新城，东至阿克苏路，南至宝塔路，西至德福路，北至天祝路。整个项目由3栋高层（公寓办公楼3、4#，办公楼5#）和2栋4~5层商业裙房（商业裙房1、2#）组成，正负零以下连成一体，形成地下两层的大底盘大地库。3栋高层在地下室顶板以上设置抗震缝和裙房脱开，商业裙房1#在地下室顶板以上设置抗震缝又形成五个结构单体。
5#楼为办公楼，地上21层，地下2层。地下二层层高3.750m，地下一层层高5.6m，一层层高5.4m，二~四层层高5.1m，五层以上标准层层高4m，主要屋面高度92.7m；埋深约11m。主要功能为：地下二层为配套汽车库，后勤功能及设备用房。地下一层为超市区域。一~四层作为商业使用。五层以上为办公用房。建筑效果见图1。
2．设计条件和参数本工程设计使用年限50年，结构安全等级二级。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(2010版)和《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008)，本工程抗震设防烈度为7度。设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅳ类，特征周期0.9s。五层及五层以下与商业裙房互通，按重点设防考虑。五层以上按标准设防考虑。基本风压取上海市50年一遇的基本风压，位移计算时取0.55kN/m2，强度计算时取0.605 kN/m2，地面粗糙度类别为B类，风载体型系数取1.3。
3．结构选型及基础设计3.1 结构选型根据建筑功能要求，5#楼高层主体与地下车库采用不设缝方案，通过在主楼与地下车库之间设置沉降、收缩后浇带减少主楼和群房之间的差异沉降和混凝土的收缩应力。
为了消除结构不规则,收缩,和温度应力,不均匀沉降对结构的有害影响，地下室顶板以上设置抗震缝和商业裙房脱开。
为满足建筑功能和空间需求，5#楼采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒体系，核心筒作为主要抗侧力构件。外围框架柱距核心筒9.5m~11.5m，小于规范规定的12m 的限值。
根据业主要求及考虑到安装设备管线后吊顶高度，梁高不超过650mm。外围框架柱距8.4m~11.2m，梁高900mm。核心筒外墙厚400~500mm，内墙厚200mm；外围框架柱边长最大1200mm，向上逐步减小至600mm。
竖向构件混凝土强度等级从下到上为C60～C30。由于核心筒平面尺寸较大，为降低结构扭转效应的影响，设计中在满足结构整体刚度的前提下，通过减弱核心筒刚度和加大外围框架刚度，尽量减少结构扭转效应。抗震等级：地下一层标高至地上五层标高范围内梁柱抗震等级为一级，地上五层以上为二级，地下二层为二级。第二层结构平面见图。
设计时以地下室顶板为嵌固部位，地下一层等效剪切刚度大于地上一层等效剪切刚度的2 倍。地下室顶板厚度180mm[1]。标准层结构平面见图。
根据岩土工程勘查报告和工程特点，高层主楼采用整体性好的独立桩承台+筏板基础， 承台厚1800mm， 核心筒下筏板厚1800mm，主楼下一般筏板厚1000mm。桩基设计等级均为甲级。
桩型选择由多方面因素确定：桩质量、施工工期、经济性、对周边环境影响、沉桩可行性等。本工程最终选择采用PHC 预应力管桩，桩径600mm 的AB 型桩，以⑧2-4 灰色细粉砂层为持力层，桩端进入持力层约2m，单桩竖向抗压承载力特征值3200kN。
在桩端配置桩靴，以便沉桩。同时施工时对场地南北两侧采取一定的防范措施和检测措施（如布设防挤沟、孔，限制沉桩速率，合理安排沉桩顺序等），防止对已建道路及地下管线产生的不利影响。
本工程采用北京盈建科软件责任有限公司编制的“YJKS1.5.2.0”以及“中国建筑科学研究院编制的“PMSAP（2010 版）“设计软件进行计算分析比较。采用CQC 振型效应组合方式，考虑了平动和扭转耦联效应以及偶然偏心的影响双向地震。
从相关数据可以看出，YJK 和PMSAP 的计算结果差别大不，可以作为评估性能指标的依据：1）结构第一、二周期均为平动周期，以扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比小于0.85，抗扭转刚度较好；2）有效质量系数，层间位移角和扭转位移比均满足规范要求；3）剪重比≥1.60%，满足抗震规范要求；4）底层框架部分承担的倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%[2]，符合规范关于框架-核心筒结构，核心筒作为主要抗侧力构件的规定。结构竖向力由外围框架柱和钢筋混凝土筒体共同承担；由于外围框柱较疏，风荷载和地震作用产生的水平剪力和倾覆弯矩大部分由核心筒承担，通过剪力调整，框架部分能成为抗震的第二道防线，满足规范要求的多防线抗震设防目标。
4.2.3 PMSAP 楼板应力分析由于一层大堂上空，造成核心筒二层左侧楼板挑空，X 向和Y 向有效楼板小于该层楼板典型宽度的40%。此时，楼板的水平传力途径受到了影响，刚性楼板的假定也不再成立。
为保证楼盖能有效协调竖向构件，可靠传递地震作用，首先将二层楼板厚度提高至150mm，然后指定该层楼板为弹性模，采用PMSAP 程序对该层楼板进行小震下的应力分析。本工程小震、中震的地震影响系数最大值分别是0.08、0.23，近似根据小震的楼板应力分别乘以中震与小震的地震影响系数最大值的比值得到中震下楼板应力。小震作用下楼板最大主应力为Y向地震作用下楼板主应力S1， 见图。
从图中可以发现，局部应力集中处的最大应力为0.688MPa，中震的地震力比小震的情况放大2.875 倍后，中震下局部应力集中处最大楼板主拉应力约为1.978MPa，小于混凝土的抗拉强度标准值，且大部分区域楼板在小震下的主拉应力均小于0.688MPa，换算成中震后的主拉应力均小于2.01 MPa，即小于混凝土抗拉强度标准值，故认为在中震作用下楼板基本处于不屈服状态。本层楼板钢筋应双层双向设置，单层配筋率不小于0.25%。
由于第二层楼板右侧大开洞，导致5-1 轴三个框架柱形成穿层柱，设计中将该穿层柱按性能目标C，采用YJK件进行中震不屈服验算。
在计算设防烈度地震作用时，水平地震影响系数最大值取为0.23。计算结果表明：中震作用下穿层柱配筋没有增大，其他位置剪力墙及框架柱配筋有所增大；与穿层柱相连的框架梁受弯钢筋增大较多，抗剪箍筋基本不变，其他位置个别框架梁及连梁抗弯出现屈服，但抗剪不屈服，基本满足性能目标的要求。
鉴于本工程的不规则形，采用YJK 软件对5#进行弹性形时程分析补充计算。选用YJK 自带的七条地震加速度时程曲线，其中天然波五条，人工波两条，各波的峰值加速度修正值取35cm cm/s2，场地特征周期采用0.9s，计算时间步长取0.02s，考虑双方向地震动时程输入的影响，两方向峰值加速度按1:0.85 比值输入。
因结构在较大的地震作用下某些部位要发生屈服甚至破坏退出工作，从而结构的工作状态会从弹性过渡到弹塑性，随着塑性的发生和发展，结构的应性能会发生改变。按照规范要求的“大震不倒”的抗震设防目标，采用弹塑性分析软件EPDA&PUSH 对该高层主楼进行进行静力弹塑性分析，以确定结构在罕遇地震作用下的破坏机制，找到结构的薄弱部位，为施工图设计时对局部薄弱部位进行加强处理提供依据。根据上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2003的规定，地震影响系数最大值取0.45，场地特征周期取1.1s，结构弹性状态阻尼比取0.05。（见图9）在罕遇地震作用下，性能点对应的弹塑性层间位移角分别为：X 向1/222，Y 向1/229，小于规范对框架-核心筒结构1/100 的要求。另外，结构能力谱曲线与对应的大震需求谱曲线相交，表明结构能够抵抗大震水准的地震作用。
分析结果表明，X 向和Y 向加载的结构塑形发展规律基本相同。以X 向加载为例，在小震作用下，整体结构保持弹性，构件中均未出现塑性铰。随着推覆力的增加，塑性铰首先出现在2 层的连梁中。在大震作用下，沿加载方向较多连梁都出现了塑性铰。随着推覆力的进一步加大，剪力墙底层首先出现在塑性铰，随后上部几层剪力墙、也逐渐出现塑性铰。在大震性能点对应时刻，沿加载方向部分连梁均已出现塑性铰，结构底部部分剪力墙出现了塑性铰，框架柱未发现塑性铰，此时由于剪力墙出现塑性铰的个数不多，结构仍具有一定的抗侧力能力，整体结构不会发生倒塌。随着侧向力的增加，结构变形进一步加剧，底层局部剪力墙发生破坏，最后由于底层剪力墙出现塑性铰而形成破坏。
超限设计的主要抗震措施1）对于楼板不连续的二层楼面，在构造上[3][4] 采取加大楼板刚度， 板厚不小于150mm，配筋双层双向，控制板最小配筋率不小于0.25%，且不小于计算要求。
2）考虑到本工程扭转不规则，且局部抗扭刚度较弱调整抗侧力结构的布置，尽量使结构两方向刚度布置均匀，增大结构的抗扭刚度，加强外围构件的刚度。
3）左侧3 根穿层柱按抗震等级的规定严格控制柱的轴压比，适当增加柱中的配筋率，使其在地震中有比较好的延性，柱采用井字复合箍，肢距不大于200mm，直径不小于10mm。
结论本工程5#楼由于某些层扭转位移比大于1.2以及第二层楼板大开洞，属平面特别不规则超限高层建筑。对此，采用了YJK，PMSAP，EPDA&PUSH等空间有限元软件对结构进行了小震弹性、中震不屈服及罕遇地震下的弹塑性分析，设计时采取了较为合理的结构布置并结合实际超限情况对结构薄弱部位采取有效的加强措施，使得结构仍具有良好的抗震性能。
参考文献：[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.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.[3]徐培福，傅学怡，王翠坤，等. 复杂高层建筑结构设计 [M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005.[4]吕西林. 超限高层建筑工程抗震设计指南 [M]. 上海：同济大学出版社，2009.
论文作者:丁 一
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年5月总第198期供稿
论文发表时间:2015/9/10
标签：楼板论文; 结构论文; 塑性论文; 刚度论文; 应力论文; 框架论文; 核心论文; 《工程建设标准化》2015年5月总第198期供稿论文;