上海新荟购物广场1#楼超限结构设计与分析（建筑）

上海新荟购物广场1#楼超限结构设计与分析（建筑）

                     胡正平^1,2，  閣东东³，  卢清刚³

（1湖南文理学院土木建筑工程学院，常德415000；2清华大学土木系，北京100084；3北京市建筑设计研究院，北京100045）

[摘要]  上海新荟购物广场1#楼为存在平面、竖向、扭转等不规则情况的超限超长高层建筑。针对该复杂、重要、特殊的结构，结构设计确定相应的抗震性能指标，并采用不同计算软件进行结构设计分析。针对超长超限的特点运用有限元软件对结构进行了地震作用与温度作用的综合分析，并制定了相应的结构加强措施。

[关键词]  上海新荟购物广场；超限结构；性能指标；动力弹塑性；楼板应力分析

中图分类号：TU318    文章编号：1002-848X( 2016) 09-0037-05

1  工程概况

    上海新荟购物广场1#楼位于上海嘉定区宝安公路与沪宜公路交界处，项目集大型超市、商场、剧院、餐饮、娱乐等多功能于一身。建筑东西总长度约225m，南北总长度约160m，结构高度28m，地下2层、地上5层，总建筑面积115 897m²。结构首层层高6m，其他层层高5.5m，型钢柱截面为900×900，混凝土柱截面为800×800，柱子混凝土强度等级C50。工程的结构设计基准期为50年，安全等级为一级，抗震设防烈度为7度，场地特征周期为0. 9s，设计基本地震加速度为0.1g，建筑场地类别为Ⅳ类，抗震设防类别为标准设防类，设计地震分组为第一组。采用现浇钢筋混凝土框架·剪力墙结构体系，整个结构为一整体，未设永久伸缩缝、防震缝和沉降缝。平面不规则、竖向不规则、扭转不规则，属于超限高层建筑工程。建筑效果图如图1所示。

 

2  超限情况及应对措施

2.1结构超限情况

    结构的超限情况主要表现如下：1）平面的不规则性主要表现在楼板的开洞，形成贯通多层的吹拔空间，首层顶、2层顶开洞，面积为整层面积的62.7%，4层顶开洞，面积为整层面积的67. 3%，边跨开洞周长均在50%以上；2）竖向结构在首层存在局部转换，5层局部设置上承式悬挂桁架，用于悬挂四层楼层结构梁，存在扭转不规则的情况，考虑Y向-5%偶然偏心时，地上1~5层最大位移与平均位移之比均大于1.2，第4，5层楼层竖向构件的分别为1. 33和1.42；3）有局部的穿层柱、斜柱、夹层、个别构件错层或转换。根据建质[ 2010] 109号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，本工程为具有三项及以上不规则

的超限高层建筑工程，应进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查，超限情况如图2~5所示。

 

2.2针对性抗震措施

    根据结构超限情况，针对性抗震措施如下：

    (1)剪力墙在满足建筑要求条件下，在平面布局中均匀布置形成多简体的抗侧力体系，适当增大边榀框架截面，以减小扭转效应。

    (2)整体结构的框架及剪力墙抗震等级按《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)（简称抗规）规定执行，考虑到结构第二道抗震防线是框架，框架中的型钢柱和型钢梁属于受力较大的构件，将其作为关键构件采取抗震性能设计。型钢柱、转换柱、搭接柱、斜柱定义为抗弯中震不屈服、抗剪中震弹性；中厅悬挑梁、影院型钢梁、吊柱定义为中震弹性，其余均满足性能3。

    (3)针对该结构平面开大洞较多，根据楼板应力分析结构及概念设计要求对楼板设计采取加强措施，保证地震力的有效传递。取板厚150mm，采用双层双向配筋，沿结构纵向每层拉通筋不少于0. 50%，沿结构横向每层拉通筋不少于0.38%，与剪力墙连接部位每层拉通筋不少于1. 00%；设计时采用反映楼板平面内实际刚度的弹性膜进行模拟，把小震内力的3倍近似作为中震内力，与竖向荷载产生的内力进行荷载效应组合，进行承载力极限状态设计。

    (4)型钢混凝土柱中型钢含量不低于5.0%，普通纵筋含量不低于1.0%；局部跃层柱，柱的剪力不低于周边柱的剪力；支撑转换梁的柱子按中震弹性设计，并按从属面积承担的地震剪力进行校核；对于大跨度钢结构悬挑梁、钢吊柱进行抗倒塌分析。

    (5)采用动力弹塑性分析验算结构楼板在小震作用下的混凝土拉应力；分析结构在中震作用下关键构件，如型钢柱、型钢梁、钢桁架以及剪力墙在地震作用下的反应；分析结构在罕遇地震作用下的变形，分析框架、剪力墙以及全结构剪重比以及框架与剪力墙二道防线所承担的基底剪力，并分析剪力墙累计受压损伤和钢筋拉应力、框架柱应变、框架梁应变、钢桁架的von Mises应力等塑性指标，其中受压损伤参数表征了混凝土的弹性模量下降水平。

3  基础设计

3.1工程地质条件

    上海市位于长江三角洲人海口东南前缘，地貌上整个地形呈现东高、西低形态，场区地层自上而下分述如下：第⑤层及其以上土层为低强度、高压缩性软弱土层；第⑥层为暗绿色粉质黏土，可塑，中压缩性，一般厚度2. 70~6.30m，层底标高- 13. 70~- 15. 73m；第⑦层为草黄色砂质粉土，中密，中压缩性，一般厚度0. 90~3.10 m；第⑧，一：粉质黏土层，可

塑，中压缩性，一般厚度4. 10~7.20m，层底标高- 31. 89~- 34. 74m，静探最小平均值为1.30MPa，

土质尚可；第⑧1-2为粉质黏土夹砂质粉土，可塑，中压缩性，一般厚度10. 00~12. 50m，层底标高- 43. 25~- 45. 43m，静探最小平均值为1.77MPa，根据土层性质，这两层均可作为本工程1#楼5层建筑桩基持力层。场地土类别为Ⅳ类。

3.2地基基础设计

    基础设计考虑恒荷载、活荷载、水浮力、风荷载和地震作用的影响。基础设计等级为乙级。采用高强预应力管桩+板式筏板基础，筏板厚度为1000mm，板底标高为- 11.200m；局部柱下筏板厚度为1500,2 000mm，板底标高为-  11.700，- 12. 2m。高强预应力管桩桩径为600mm，有效桩长为40m，进入筏板内100mm，桩端持力层为⑧1-3层粉质黏土层。单桩承载力特征值不小于1900kN。筏板混凝土强度等级为C40，抗渗等级为P8。主楼抗压桩考虑水浮力的有利作用及环境的不确定性，抗浮设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内，相邻柱基沉降差均小于0. 002L（L为相邻柱基的中心距离）。

4  结构计算分析

    结构计算分析主要按以下三个层次进行：

    (1)采用PKPM和YJK进行整体结构小震弹性反应谱与时程分析，并进行对比计算，保证整体结构的各项指标满足规范对复杂结构的要求，确定结构的构件尺寸，保证整体结构的变形满足国家现行规范的要求。

 

    (2)采用ABAQUS进行动力弹塑性时程分析。钢桁架构件材料采用双线性随动强化模型，并采用von Mises塑性理论；混凝土采用ABAQUS自带的塑性损伤模型。中震下研究结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况，重点考察以下部位：剪力墙损伤、柱应变、钢桁架应力等；大震作用下重点研究结构整体变形、构件的塑性发展情况，以及整体结构的弹塑性行为，了解最大顶点位移、最大层间位移及最大基底剪力等，以达到在罕遇地震作用下防倒塌的抗震设计目标。

    (3)针对楼板开大洞以及结构超长问题，采用ABAQUS进行小震下与温度作用下楼板应力分析，并满足中震不屈服要求。

4.1小震作用下计算分析

    (1)小震作用下弹性反应谱分析

    整体计算模型中核心筒采用三维壳单元，梁柱采用空间杆单元。由于结构大多数楼层楼板的连续性好，无大面积开洞，且楼板长和宽方向基本相等，因此计算时采用刚性楼板假定。

    计算模型中连梁折减系数取0.8，检查重力荷载作用下连梁的承载力。梁刚度取钢梁的2.0倍。抗震计算时，考虑扭转耦联以计算结构的扭转效应，振型数取18个，振型参与质量系数不小于90%。周期折减系数一般取0.8~0.9，考虑到本工程填充墙较少，周期折减系数取0.9。在计算层间位移比时考虑偶然偏心的影响，整体结构考虑重力二阶效应的不利影响。结构的主要计算结果见表1，由表可知，SATWE与YJK两种程序计算出来的结果比较吻合。结构的扭转与第1平动周期比满足规范限值0. 85的要求；层间位移与层高之比限值为1/8 00，结构在地震作用与风荷载下的最大层间位移角均满足规范要求；结构在两个方向的平动刚度比较接近，具有很好的抗扭刚度；结构体系合理，基底剪重比等各项参数均满足抗规要求。

    (2)小震作用下时程分析

    根据同济大学针对本工程提供的地震波，进行了弹性动力时程分析补充计算。选用的3组地震波中有1组为人工波AWX0.9 -2/AWY0.9-2，2组为天然波，分别为NRX0. 9-3/NRY0. 9-3，NRX0.9 -4/NRY0.94，进行归一化验证，符合抗规反应谱要求。计算分析采用YJK软件。三组地震波计算得到的基底剪力接近反应谱计算的基底剪力，每组地震波产生的基底剪力均大于反应谱法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反应谱法基底剪力的80%，满足规范要求的三组地震波（两组天然波，一组人工波）的计算要求。三条地震波取包络进行设计。表2给出了小震时程分析结果。

4.2中震弹塑性时程分析

    中震作用下，6种工况三向地震波结构响应最大值如下：型钢混凝土柱的最大正应力值为13. 8MPa（图6），小于C50 混凝土抗压强度标准值32. 4MPa的50%，正应变最大值为0.001 3，小于0. 001 5，剪切应力均小于0.5MPa（图7），说明型钢混凝土柱满足中震不屈服的要求。型钢混凝土梁的应变最大值为0. 001 493，小于0.001 5，最大正应力值为12. 9MPa，小于C40混凝土抗压强度标准值26. 8MPa的50%，满足中震不屈服的要求。钢桁架von Mises应力最大值为136MPa，小于钢桁架屈服强度标准值345MPa，说明钢桁架满足中震不屈服的要求。各种工况中剪力墙的局部最大剪应力约为6. 6MPa，但大部分墙肢剪切应力均小于3.0MPa，说明剪力墙在中震下并未发生剪切屈服，满足中震不屈服的抗震性能目标，达到“中震可修”的抗震设防标准。

 

4.3大震弹塑性时程分析

    大震作用下选用不同的地震波，三向地震波作用时，结构响应如下：X，Y，向最大位移值分别为186mm和209mm；X向1～5层最大层间位移角分别为1/114，1/123，1/139，1/200，1/165，均小于规范限值1/100。Y向1～5层最大层间位移角分别为1/112 ,1/118 ,1/138，1/114，1/193，均小于规范限值1/100。X向和Y向的最大层间位移角均出现在第1层，但都小于规范限值1/100，说明结构满足“大震不倒”的抗震设防目标；在地震波输入初期，X向和Y向基底地震剪力基本上由第一道防线剪力墙承担，随着结构塑性及损伤的发展，后期地震剪力由第一道防线剪力墙和第二道防线框架共同承担，说明二道防线能有效抵抗地震作用。

    底部部分墙肢受压损伤达到0. 97（图8），但底部大部分墙肢受压损伤小于0.8，说明结构具有良好的剩余承载力，与第二道防线框架结构可有效共同工作，防止结构发生倒塌；剪力墙中的钢筋最大应力出现在剪力墙底部，最大钢筋拉力约8. 50×104N（图9），单根钢筋应力最大值约423MPa，钢筋进入强化阶段，但产生强化并不充分。一般区域钢筋拉力均小于40kN，钢筋应力小于200MPa，并未产生屈服。结构最大层间位移角满足规范限值1/100的要求，达到规范的“大震不倒”抗震设防标准。

 

4.4楼板内力综合分析

    (1)小震作用下楼板应力分析

    楼板作为水平抗侧力构件，在承受和传递竖向力的同时，把水平力传递和分配给竖向抗侧力构件，协调同一楼层中竖向构件的变形，使建筑物形成一个完整的抗侧力体系。大面积开洞楼板的周边是薄弱部位，给出的设计方法，进行平面内应力分析及其抗震设计，具体实施方法如下：小震作用下，按等级二级控制裂缝，采用混凝土抗拉强度标准值作为控制连接板混凝土核心层开裂的指标；中震作用下，采用水平钢筋的抗拉强度设计值作为连接板承载能力的指标。第3层顶板内力分析如下。

    取板厚150mm，混凝土强度等级为C35，把小震内力的3倍近似作为中震内力，与竖向荷载产生的内力进行荷载效应组合，进行承载力极限状态设计。根据每延米板带的内力（图10，11），楼板两个方向的弯矩可分别取30kN．m/m和20kN．m/m，剪力可取50kN/m进行配筋；与剪力墙相连的部位板受力较大，这些区域的配筋予以加强，局部楼板控制弯矩取50kN．m/m，剪力取90kN/m进行配筋计算。另外，从一般区域和大开洞区域楼板拉力和弯矩分别比较情况来看，大开洞区域的拉力与一般区域的拉力比值，比大开洞区域的弯矩与一般区域的弯矩比值大，在大开洞区域主要依靠钢筋传递拉力。采用理正计算得到，一般区域的板沿长度方向的控制配筋为12@ 150，双层拉通，单层单向配筋率约为0. 50%；一般区域的板沿宽度方向的控制配筋为12@ 200，双层拉通，单层单向配筋率约为0. 38%；局部区域的板控制配筋为12@75，双层双向拉通，单层单向配筋率约为1. 00%。

 

    (2)温度作用下楼板应力分析

    楼板温度应力分析基于ABAQUS进行，在结构纵向的楼板施加预应力，预应力通过初始应力予以考虑，考虑整体降温15℃后，混凝土强度等级为C35，弹性模量E=3.0×104MPa，折减系数0.4，线膨胀系数为1.0×10^-5。钢绞线强度等级为1860MPa，预应力有效应力不小于1 000MPa，梁板张拉控制应力1302MPa，施工时均超张拉3%。由于楼板在底部受到的约束最强，所以楼板温度应力以首层最大，往上部逐步减小。图12给出了首层楼板温度应力，从图看出，在整体降温15℃后，首层楼板纵向和横向的最大温度应力分别为1. 23MPa和1. 62MPa，都不大于楼板混凝土抗拉强度标准值2. 20MPa，满足设计要求。

 

5  结论

    (1)针对该复杂、重要、特殊的结构体系，制定了抗震性能指标，采用YJK，SATWE，ABAQU多种软件对结构进行整体分析计算，计算结果基本一致，结构的周期比、层间位移角、层间受剪承载力比等均满足抗规要求。

    (2)针对抗震超限审查专家提出的型钢柱、转换柱、搭接柱、斜柱定义为抗弯中震不屈服、抗剪中震弹性；中厅悬挑梁、影院型钢梁、吊柱定义为中震弹性的设计要求，在核心筒混凝土墙肢中设置一定数量的型钢加以解决。对搭接柱的设计，采取在水平和竖向地震作用下，承载力满足大震不屈服、相关支承构件承载力满足中震弹性及强剪弱弯要求。

    (3)对于上海长周期结构设计，适当降低结构刚度是设计关键，对超长、开大洞结构板应进行地震作用下与温度作用下的综合分析，增大洞边配筋率。对具有局部混合大体量结构应采用全过程动力弹塑性分析，静力弹塑性分析不能反映结构第一道防线损伤问题。