19-日月光广场二期超限高层结构设计-黄强

第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文2016年日月光广场二期超限高层结构设计黄强1，卞国强，钱震江(上海建科建筑设计院有限公司；上海200032)摘要：本文针对日月光广场二期2栋超限高层，介绍了该超限高层建筑的建筑特点，针对超限采取了相应的加强措施，采用2种软件多角度的分析了该类结构的受力特点并进行结构分析，为同类工程提供参考。关键词：超限高层;平面不规则;梁拖柱转换;弹塑性分析1工程概述项目基地位于上海市黄浦区肇嘉浜路18号地块，项目总用地面积21100平方米，总建筑面积156258平方米，其中地上计容建筑面积82290平方米，地下建筑面积73968平方米，基地内拟建商业、办公综合体及幼儿园。一二层为商业，三层及以上分为两栋办公楼(A楼、B楼)，其中A楼13层，B楼12层。最大建筑高度56.10米（A楼室外地坪至A楼屋顶设备机房屋面）。地下共四层，地下一、二层为商业、IMAX影院和中小影厅及部分设备用房，地下一层夹层为非机动车库及货运通道，地下三、四层为汽车库及人防，基坑深度-24米，局部-27米。本项目A楼、B楼采用钢筋混凝土框架－抗震墙结构，地下室基础采用桩筏基础。按现行规范政策要求对A楼、B楼进行了超限高层建筑抗震设防专项审查。工程设计的主要难点在于：1、本建筑为商业办公建筑，自下而上的功能不断变化，为控制扭转可以设置的剪力墙位置限制很多，扭转控制难度很大。2、建筑外轮廓由日照控制不可调整，导致大量存在梁托柱转换，或是转换后再转换。图1建筑平面效果图黄强，1982.10，男，高级工程师，一级注册结构工程师第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文2016年图2建筑立面效果图2结构分析2.1结构体系2.1.1结构概况本工程A楼、B楼均采用钢筋混凝土框架－抗震墙结构，抗震等级：框架：二级，剪力墙：一级（1~2层），二级（3层及3层以上）。建筑物设计使用年限：50年；建筑物类别：地下一层、地下二层、A楼和B楼的地上一层和地上二层、幼儿园为重点设防类（乙类），其余为丙类；建筑物安全等级：二级；抗震设防烈度：7度；设计基本地震加速度值：0.10g；设计地震分组：第一组；场地类别：上海Ⅳ类（特征周期：0.9s）。2.1.2抗震缝上部建筑通过两道抗震缝，分为3个单体，分别为A楼、B楼、幼儿园。幼儿园总层高18m，AB楼相邻处总高9.6m，根据规范要求幼儿园与A楼之间抗震缝需要120mm，A楼与B楼之间抗震缝需要100mm，根据中震控制计算幼儿园与A楼之间抗震缝需要180mm，A楼与B楼之间抗震缝需要67mm，现定义幼儿园与A楼之间、A楼与B楼之间抗震缝均为200mm。地下室部分抗震缝处由于设备走线需要，无法考虑双柱合并，拟对地下室抗震缝处抗侧力构件贯通布置，主梁全部拉通布置。表1建筑物基本信息A楼B楼层数13（另带4层地下室）12（另带4层地下室）结构高度51.60m47.40m建筑物尺寸83.1m×63.7m93.5m×69.1m长宽比1.31.35高宽比0.8090.692.2超限判定（1）扭转不规则：各楼在规定水平力作用下考虑偶然偏心时的位移比均大于1.20。（2）凹凸不规则：各楼结构平面凹进或凸出的一侧尺寸大于相应投影方向总边长的30%。（3）侧向刚度不规则：各楼4层楼面起立面收进，局部收进尺寸大于相邻下一层的25%。（4）竖向抗侧力构件不连续：局部存在梁拖柱转换。第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文2016年故A、B塔楼被定性为平面及竖向均不规则的超限高层建筑。2.3超限的对策和措施为保证结构的抗震性能安全，一方面结构计算模型应符合实际情况，力求计算结果能准确地反映结构的抗震能力以及薄弱部位；另一方面要按概念设计的原则和性能设计的结论，采取适当的抗震加强措施，具体措施如下。1、采用两种空间分析程序（SATWE和PMSAP）进行计算比较分析。2、补充了多遇地震下的弹性时程分析、罕遇地震下的静力弹塑性分析，以全面分析评价结构的抗震性能，为设计提供依据。3、通过对整体结构平面布置的调整，合理控制整个结构体系的刚度，如对A塔楼角部增加剪力墙。对B塔楼，在塔楼的南侧和北侧均增加剪力墙，增加结构外围刚度。同时适当提高框架梁的刚度，尽量减少结构的扭转效应，从而增强整个结构体系的抗震性能。4、充分利用地下室外墙1跨范围内的刚度，并补充部分地下室混凝土墙，使A楼及B楼均满足地下室顶板嵌固的刚度比要求，在计算刚度比时，按不计入地下室夹层的不利的工况进行，在构件设计取有无夹层作包络设计。地下室顶板主楼部分200mm，有覆土部位250mm，对于存在高差的部位，采取梁加腋的加强措施，对此处竖向构件采用提高抗震等级一级进行抗震构造设计，柱箍筋全高加密。5、根据《建筑抗震设计规范》6.1.2要求结构高度接近60m的界限，且由于建筑原因，结构存在较多局部梁托柱转换、竖向收进、悬挑过大处情况，适当提高框架——抗震墙结构的框架部分抗震等级。6、所有局部梁托柱的构件定义为转换梁，转换柱，按规范进行内力放大，并按要求进行抗震构造，转换柱脚处布置含有足够线刚度的双向梁。在对转换梁的构件设计时不考虑抗扭折减。7、对中低区的竖向构件采用高强度混凝土C60~C50。并局部采用HRB500钢筋，严格控制竖向构件的轴压比，提高其延性。8、整个主楼楼板适当加厚，并适当提高板配筋率，以确保楼盖结构在水平地震作用下，平面凹凸口处、局部楼板开洞承受应力集中等不利作用时的承载力及正常使用安全。减少楼板不规则及开洞的不利影响。首层（地下室顶板）板厚200mm；局部转换部位楼板厚度为150mm；其余标准层板厚以不小于120mm为主。9、平面不规则处进行楼板应力分析：并按楼板实际状况对地下室顶板和楼面进行弹性楼板应力分析；控制多遇地震下混凝土主拉应力不超过混凝土抗拉强度标准值，基本烈度下竖向荷载与地震作用组合时时板内钢筋不屈服，采用PMSAP进行结构复核。10、考虑鞭梢效应，突出屋面的小塔楼所承受的水平地震力予以调整，放大系数1.5倍。11、对悬挑超过四米的部位，适当增大悬挑构件的截面尺寸，并计入竖向地震作用进行计算。大悬挑梁在正常使用极限状态下的验算，控制其挠度不宜大于L0/400。12、一般来说对于建筑高度大于60m的建筑，承载力设计风荷载计算可按基本风压的1.1倍采用，本建筑虽然高度不足60m，但体型复杂，也按对风荷载比较敏感的高层建筑对承载力设计风荷载计算可按基本风压的1.1倍进行设计。2.4抗震措施2.4.1结构布置本项目A、B塔楼在立面建筑效果上属于层层退台式的“梯田样式”的建筑物，在平面上部分楼层由于退台导致不同程度的平面不规则，在计算中A、B塔楼均存在比较明显的扭转效应。为控制结构扭转，A塔楼首先利用原建筑两个区域的楼电梯井筒设置剪力墙，并在外围适当的部位，如2-C轴交2-1~2-2轴、2-K轴交2-4~2-5轴、2-A轴、2-13轴处增设剪力墙、对2-A轴、2-13轴处框架柱适当增大截面至900x1200，尽量减少结构偏心、减少结构的扭转效应。B塔楼首先利用原建筑3个区域楼电梯井筒设置剪力墙，通过不断的优化3个井筒的剪力墙，并在外围适当的部位，如3-B轴交3-3~3-4轴、3-8轴交3-B轴、3-K轴交3-11轴、3-E轴交3-10轴处增设剪力墙、进一步减少结构偏心、减少结构的扭转效应。2.4.2嵌固要求单体内地下室顶板标高为A楼-0.050m及-0.350m，B楼-0.550m，在地下室顶板室内局部会有高差200mm~300mm的台阶渐变，室外会有1500~2000mm的结构错层高差，对结构梁并采取加腋处理，以实现地震剪力的有效传递，地第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文2016年下室顶板厚度室内取200mm，室外取250mm。每个单体以地下室顶板为嵌固端，满足地下室顶板为嵌固端的计算及构造要求。按要求计算的刚度利用范围一般外扩一跨，并且不跨缝重新计算刚度比，对局部不满足要求情况适当加厚地下室混凝土墙，并适当增加地下室的混凝土墙，如A楼的2-9轴处、2-7轴交2-K及2-H轴处，使A楼及B楼均满足地下室顶板嵌固的刚度比要求，对于A、B塔楼中间的较薄弱部位部分适当增加地下室混凝土墙，如3-1、3-2轴处。在计算刚度比时，按不计入地下室夹层的不利的工况进行。满足刚度比2.0的要求。表2顶板嵌固端刚度比地下一层剪切刚度(x108)地上一层剪切刚度(x108)刚度比规范要求A楼X方向2.32141.15942.00不小于2.0Y方向3.11621.52082.05不小于2.0B楼X方向2.82641.0752.63不小于2.0Y方向2.53300.98352.57不小于2.02.4.3结构构件1、主要框架柱截面：600x600，700x700、800x800、900x900等。2、主要梁截面：400x800，400x900等3、上部主要楼板厚度120mm，跨度大于4000mm的板按L/30取值；特殊荷载下或特殊形状、边界条件下另行考虑，如连接薄弱处的楼板、存在局部转换处的楼层板应加强，取150mm厚，向内延伸一跨，并双层双向配筋。屋面现浇板取≥120mm，并双层双向配筋。考虑框架底部倾覆力矩、立面多次内收以及梁拖柱转换等因素，设计手动复核转换构件和相关框架柱的各类放大系数无误，转换柱脚双向梁可以满足柱脚刚接的计算假定。表3转换构件和相关框架柱的内力放大系数构件类型内力内力调整设计值备注转换梁弯矩/剪力1.31.2水平地震转换柱轴力1.2地震弯矩/剪力1.3/1.2-全部组合转换角柱弯矩/剪力1.3/1.2*1.1全部组合2.4.4抗震等级对抗震等级进行了下表的定义，1、由于建筑造型原因，设计适当提高框架——抗震墙结构的框架部分抗震等级，全楼框架柱抗震等级均提高至二级。2、丙类高度60米以下框剪建筑，按照《高规》上部建筑可以为剪力墙二级、框架三级，其地下室，按规范要求地下一层及夹层可以为剪力墙二级框架三级，地下二层可以为剪力墙三级、框架四级。因本建筑地下一层、地下二层、A楼和B楼的地上一层和地上二层，为重点设防类，故针对A楼和B楼的1层及2层提高为剪力墙一级、框架二级。按规范要求地下一层及夹层可以为剪力墙一级、框架二级，地下二层可以为剪力墙二级、框架三级，地下三层可以为剪力墙三级、框架四级。由于本地下室还存在汽车坡道、局部楼板开洞等不利因素，并考虑到地下商业建筑的重要性，拟对地下二层框架柱的抗震等级不进行降低，仍然定义为框架二级的要求，相应地下三层、地下四层也定义为框架三级。表4抗震等级的设定楼层剪力墙框架地上3层及以上二级二级地上1、2层一级二级地下一层及夹层一级二级第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文2016年地下二层二级二级地下三层三级三级地下四层三级三级2.5计算分析2.5.1计算目标针对上述认定，采用基于结构性能的抗震设计理念[1]指导设计，其性能目标详见表5。结构计算方面：分别进行多遇地震、基本地震、罕遇地震计算。设计采用SATWE程序和PMSAP程序对各楼进行了计算分析，计算以地下室顶板作为各楼上部结构的嵌固端，采用了扭转耦联的振型分解反应谱法，考虑了单向地震作用下±5％的偶然偏心及双向地震作用的扭转效应。补充进行了弹性动力时程分析以及补充了静力弹塑性推覆分析。表5抗震性能目标地震烈度多遇地震基本烈度地震罕遇地震抗震规范设防目标小震不坏中震可修大震不倒性能等级充分运行基本运行生命安全允许层间位移1/8001/300～1/5001/100框架柱弹性不屈服不屈服框架梁、连梁弹性部分屈服允许破坏转换构件（托柱梁）弹性不屈服不屈服底部剪力墙加强区弹性弹性不屈服非底部剪力墙加强区弹性不屈服部分屈服整体计算方法弹性反应谱、弹性时程弹性反应谱近似计算弹性反应谱近似计算静力弹塑性分析采用程序SATWE、PMSAPSATWESATWE、PUSH/EPDA2.5.2多遇地震计算指标表6A楼多遇地震下的主要结果A楼SATWE/PMSAP周期周期（秒）X平动比例（%）Y平动比例（%）扭转比例（%）周期（秒）X平动比例（%）Y平动比例（%）扭转比例（%）控制值T11.1