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上海新薈購物廣場1#樓超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析（建筑）

                     胡正平^1,2，  閣東東³，  盧清剛³

（1湖南文理學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，常德415000；2清華大學(xué)土木系，北京100084；3北京市建筑設(shè)計(jì)研究院，北京100045）

[摘要]  上海新薈購物廣場1#樓為存在平面、豎向、扭轉(zhuǎn)等不規(guī)則情況的超限超長高層建筑。針對該復(fù)雜、重要、特殊的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定相應(yīng)的抗震性能指標(biāo)，并采用不同計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。針對超長超限的特點(diǎn)運(yùn)用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震作用與溫度作用的綜合分析，并制定了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。

[關(guān)鍵詞]  上海新薈購物廣場；超限結(jié)構(gòu)；性能指標(biāo)；動(dòng)力彈塑性；樓板應(yīng)力分析

中圖分類號：TU318    文章編號：1002-848X( 2016) 09-0037-05

1  工程概況

    上海新薈購物廣場1#樓位于上海嘉定區(qū)寶安公路與滬宜公路交界處，項(xiàng)目集大型超市、商場、劇院、餐飲、娛樂等多功能于一身。建筑東西總長度約225m，南北總長度約160m，結(jié)構(gòu)高度28m，地下2層、地上5層，總建筑面積115 897m²。結(jié)構(gòu)首層層高6m，其他層層高5.5m，型鋼柱截面為900×900，混凝土柱截面為800×800，柱子混凝土強(qiáng)度等級C50。工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，安全等級為一級，抗震設(shè)防烈度為7度，場地特征周期為0. 9s，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，建筑場地類別為Ⅳ類，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架·剪力墻結(jié)構(gòu)體系，整個(gè)結(jié)構(gòu)為一整體，未設(shè)永久伸縮縫、防震縫和沉降縫。平面不規(guī)則、豎向不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，屬于超限高層建筑工程。建筑效果圖如圖1所示。

2  超限情況及應(yīng)對措施

2.1結(jié)構(gòu)超限情況

    結(jié)構(gòu)的超限情況主要表現(xiàn)如下：1）平面的不規(guī)則性主要表現(xiàn)在樓板的開洞，形成貫通多層的吹拔空間，首層頂、2層頂開洞，面積為整層面積的62.7%，4層頂開洞，面積為整層面積的67. 3%，邊跨開洞周長均在50%以上；2）豎向結(jié)構(gòu)在首層存在局部轉(zhuǎn)換，5層局部設(shè)置上承式懸掛桁架，用于懸掛四層樓層結(jié)構(gòu)梁，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的情況，考慮Y向-5%偶然偏心時(shí)，地上1~5層最大位移與平均位移之比均大于1.2，第4，5層樓層豎向構(gòu)件的分別為1. 33和1.42；3）有局部的穿層柱、斜柱、夾層、個(gè)別構(gòu)件錯(cuò)層或轉(zhuǎn)換。根據(jù)建質(zhì)[ 2010] 109號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，本工程為具有三項(xiàng)及以上不規(guī)則

的超限高層建筑工程，應(yīng)進(jìn)行超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查，超限情況如圖2~5所示。

2.2針對性抗震措施

    根據(jù)結(jié)構(gòu)超限情況，針對性抗震措施如下：

    (1)剪力墻在滿足建筑要求條件下，在平面布局中均勻布置形成多簡體的抗側(cè)力體系，適當(dāng)增大邊榀框架截面，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

    (2)整體結(jié)構(gòu)的框架及剪力墻抗震等級按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)（簡稱抗規(guī)）規(guī)定執(zhí)行，考慮到結(jié)構(gòu)第二道抗震防線是框架，框架中的型鋼柱和型鋼梁屬于受力較大的構(gòu)件，將其作為關(guān)鍵構(gòu)件采取抗震性能設(shè)計(jì)。型鋼柱、轉(zhuǎn)換柱、搭接柱、斜柱定義為抗彎中震不屈服、抗剪中震彈性；中廳懸挑梁、影院型鋼梁、吊柱定義為中震彈性，其余均滿足性能3。

    (3)針對該結(jié)構(gòu)平面開大洞較多，根據(jù)樓板應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)及概念設(shè)計(jì)要求對樓板設(shè)計(jì)采取加強(qiáng)措施，保證地震力的有效傳遞。取板厚150mm，采用雙層雙向配筋，沿結(jié)構(gòu)縱向每層拉通筋不少于0. 50%，沿結(jié)構(gòu)橫向每層拉通筋不少于0.38%，與剪力墻連接部位每層拉通筋不少于1. 00%；設(shè)計(jì)時(shí)采用反映樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度的彈性膜進(jìn)行模擬，把小震內(nèi)力的3倍近似作為中震內(nèi)力，與豎向荷載產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行荷載效應(yīng)組合，進(jìn)行承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

    (4)型鋼混凝土柱中型鋼含量不低于5.0%，普通縱筋含量不低于1.0%；局部躍層柱，柱的剪力不低于周邊柱的剪力；支撐轉(zhuǎn)換梁的柱子按中震彈性設(shè)計(jì)，并按從屬面積承擔(dān)的地震剪力進(jìn)行校核；對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)懸挑梁、鋼吊柱進(jìn)行抗倒塌分析。

    (5)采用動(dòng)力彈塑性分析驗(yàn)算結(jié)構(gòu)樓板在小震作用下的混凝土拉應(yīng)力；分析結(jié)構(gòu)在中震作用下關(guān)鍵構(gòu)件，如型鋼柱、型鋼梁、鋼桁架以及剪力墻在地震作用下的反應(yīng)；分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的變形，分析框架、剪力墻以及全結(jié)構(gòu)剪重比以及框架與剪力墻二道防線所承擔(dān)的基底剪力，并分析剪力墻累計(jì)受壓損傷和鋼筋拉應(yīng)力、框架柱應(yīng)變、框架梁應(yīng)變、鋼桁架的von Mises應(yīng)力等塑性指標(biāo)，其中受壓損傷參數(shù)表征了混凝土的彈性模量下降水平。

3  基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1工程地質(zhì)條件

    上海市位于長江三角洲人�？跂|南前緣，地貌上整個(gè)地形呈現(xiàn)東高、西低形態(tài)，場區(qū)地層自上而下分述如下：第⑤層及其以上土層為低強(qiáng)度、高壓縮性軟弱土層；第⑥層為暗綠色粉質(zhì)黏土，可塑，中壓縮性，一般厚度2. 70~6.30m，層底標(biāo)高- 13. 70~- 15. 73m；第⑦層為草黃色砂質(zhì)粉土，中密，中壓縮性，一般厚度0. 90~3.10 m；第⑧，一：粉質(zhì)黏土層，可

塑，中壓縮性，一般厚度4. 10~7.20m，層底標(biāo)高- 31. 89~- 34. 74m，靜探最小平均值為1.30MPa，

土質(zhì)尚可；第⑧1-2為粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土，可塑，中壓縮性，一般厚度10. 00~12. 50m，層底標(biāo)高- 43. 25~- 45. 43m，靜探最小平均值為1.77MPa，根據(jù)土層性質(zhì)，這兩層均可作為本工程1#樓5層建筑樁基持力層。場地土類別為Ⅳ類。

3.2地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

    基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮恒荷載、活荷載、水浮力、風(fēng)荷載和地震作用的影響�；�礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為乙級。采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁+板式筏板基礎(chǔ)，筏板厚度為1000mm，板底標(biāo)高為- 11.200m；局部柱下筏板厚度為1500,2 000mm，板底標(biāo)高為-  11.700，- 12. 2m。高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁樁徑為600mm，有效樁長為40m，進(jìn)入筏板內(nèi)100mm，樁端持力層為⑧1-3層粉質(zhì)黏土層。單樁承載力特征值不小于1900kN。筏板混凝土強(qiáng)度等級為C40，抗?jié)B等級為P8。主樓抗壓樁考慮水浮力的有利作用及環(huán)境的不確定性，抗浮設(shè)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內(nèi)，相鄰柱基沉降差均小于0. 002L（L為相鄰柱基的中心距離）。

4  結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

    結(jié)構(gòu)計(jì)算分析主要按以下三個(gè)層次進(jìn)行：

    (1)采用PKPM和YJK進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)小震彈性反應(yīng)譜與時(shí)程分析，并進(jìn)行對比計(jì)算，保證整體結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的要求，確定結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸，保證整體結(jié)構(gòu)的變形滿足國家現(xiàn)行規(guī)范的要求。

    (2)采用ABAQUS進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。鋼桁架構(gòu)件材料采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，并采用von Mises塑性理論；混凝土采用ABAQUS自帶的塑性損傷模型。中震下研究結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵構(gòu)件的變形形態(tài)和破壞情況，重點(diǎn)考察以下部位：剪力墻損傷、柱應(yīng)變、鋼桁架應(yīng)力等；大震作用下重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)整體變形、構(gòu)件的塑性發(fā)展情況，以及整體結(jié)構(gòu)的彈塑性行為，了解最大頂點(diǎn)位移、最大層間位移及最大基底剪力等，以達(dá)到在罕遇地震作用下防倒塌的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

    (3)針對樓板開大洞以及結(jié)構(gòu)超長問題，采用ABAQUS進(jìn)行小震下與溫度作用下樓板應(yīng)力分析，并滿足中震不屈服要求。

4.1小震作用下計(jì)算分析

    (1)小震作用下彈性反應(yīng)譜分析

    整體計(jì)算模型中核心筒采用三維殼單元，梁柱采用空間桿單元。由于結(jié)構(gòu)大多數(shù)樓層樓板的連續(xù)性好，無大面積開洞，且樓板長和寬方向基本相等，因此計(jì)算時(shí)采用剛性樓板假定。

    計(jì)算模型中連梁折減系數(shù)取0.8，檢查重力荷載作用下連梁的承載力。梁剛度取鋼梁的2.0倍。抗震計(jì)算時(shí)，考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)以計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)取18個(gè)，振型參與質(zhì)量系數(shù)不小于90%。周期折減系數(shù)一般取0.8~0.9，考慮到本工程填充墻較少，周期折減系數(shù)取0.9。在計(jì)算層間位移比時(shí)考慮偶然偏心的影響，整體結(jié)構(gòu)考慮重力二階效應(yīng)的不利影響。結(jié)構(gòu)的主要計(jì)算結(jié)果見表1，由表可知，SATWE與YJK兩種程序計(jì)算出來的結(jié)果比較吻合。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)與第1平動(dòng)周期比滿足規(guī)范限值0. 85的要求；層間位移與層高之比限值為1/8 00，結(jié)構(gòu)在地震作用與風(fēng)荷載下的最大層間位移角均滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的平動(dòng)剛度比較接近，具有很好的抗扭剛度；結(jié)構(gòu)體系合理，基底剪重比等各項(xiàng)參數(shù)均滿足抗規(guī)要求。

    (2)小震作用下時(shí)程分析

    根據(jù)同濟(jì)大學(xué)針對本工程提供的地震波，進(jìn)行了彈性動(dòng)力時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算。選用的3組地震波中有1組為人工波AWX0.9 -2/AWY0.9-2，2組為天然波，分別為NRX0. 9-3/NRY0. 9-3，NRX0.9 -4/NRY0.94，進(jìn)行歸一化驗(yàn)證，符合抗規(guī)反應(yīng)譜要求。計(jì)算分析采用YJK軟件。三組地震波計(jì)算得到的基底剪力接近反應(yīng)譜計(jì)算的基底剪力，每組地震波產(chǎn)生的基底剪力均大于反應(yīng)譜法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反應(yīng)譜法基底剪力的80%，滿足規(guī)范要求的三組地震波（兩組天然波，一組人工波）的計(jì)算要求。三條地震波取包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。表2給出了小震時(shí)程分析結(jié)果。

4.2中震彈塑性時(shí)程分析

    中震作用下，6種工況三向地震波結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值如下：型鋼混凝土柱的最大正應(yīng)力值為13. 8MPa（圖6），小于C50 混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值32. 4MPa的50%，正應(yīng)變最大值為0.001 3，小于0. 001 5，剪切應(yīng)力均小于0.5MPa（圖7），說明型鋼混凝土柱滿足中震不屈服的要求。型鋼混凝土梁的應(yīng)變最大值為0. 001 493，小于0.001 5，最大正應(yīng)力值為12. 9MPa，小于C40混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值26. 8MPa的50%，滿足中震不屈服的要求。鋼桁架von Mises應(yīng)力最大值為136MPa，小于鋼桁架屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值345MPa，說明鋼桁架滿足中震不屈服的要求。各種工況中剪力墻的局部最大剪應(yīng)力約為6. 6MPa，但大部分墻肢剪切應(yīng)力均小于3.0MPa，說明剪力墻在中震下并未發(fā)生剪切屈服，滿足中震不屈服的抗震性能目標(biāo)，達(dá)到“中震可修”的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

4.3大震彈塑性時(shí)程分析

    大震作用下選用不同的地震波，三向地震波作用時(shí)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)如下：X，Y，向最大位移值分別為186mm和209mm；X向1～5層最大層間位移角分別為1/114，1/123，1/139，1/200，1/165，均小于規(guī)范限值1/100。Y向1～5層最大層間位移角分別為1/112 ,1/118 ,1/138，1/114，1/193，均小于規(guī)范限值1/100。X向和Y向的最大層間位移角均出現(xiàn)在第1層，但都小于規(guī)范限值1/100，說明結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)；在地震波輸入初期，X向和Y向基底地震剪力基本上由第一道防線剪力墻承擔(dān)，隨著結(jié)構(gòu)塑性及損傷的發(fā)展，后期地震剪力由第一道防線剪力墻和第二道防線框架共同承擔(dān)，說明二道防線能有效抵抗地震作用。

    底部部分墻肢受壓損傷達(dá)到0. 97（圖8），但底部大部分墻肢受壓損傷小于0.8，說明結(jié)構(gòu)具有良好的剩余承載力，與第二道防線框架結(jié)構(gòu)可有效共同工作，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌；剪力墻中的鋼筋最大應(yīng)力出現(xiàn)在剪力墻底部，最大鋼筋拉力約8. 50×104N（圖9），單根鋼筋應(yīng)力最大值約423MPa，鋼筋進(jìn)入強(qiáng)化階段，但產(chǎn)生強(qiáng)化并不充分。一般區(qū)域鋼筋拉力均小于40kN，鋼筋應(yīng)力小于200MPa，并未產(chǎn)生屈服。結(jié)構(gòu)最大層間位移角滿足規(guī)范限值1/100的要求，達(dá)到規(guī)范的“大震不倒”抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

4.4樓板內(nèi)力綜合分析

    (1)小震作用下樓板應(yīng)力分析

    樓板作為水平抗側(cè)力構(gòu)件，在承受和傳遞豎向力的同時(shí)，把水平力傳遞和分配給豎向抗側(cè)力構(gòu)件，協(xié)調(diào)同一樓層中豎向構(gòu)件的變形，使建筑物形成一個(gè)完整的抗側(cè)力體系。大面積開洞樓板的周邊是薄弱部位，給出的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行平面內(nèi)應(yīng)力分析及其抗震設(shè)計(jì)，具體實(shí)施方法如下：小震作用下，按等級二級控制裂縫，采用混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值作為控制連接板混凝土核心層開裂的指標(biāo)；中震作用下，采用水平鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值作為連接板承載能力的指標(biāo)。第3層頂板內(nèi)力分析如下。

    取板厚150mm，混凝土強(qiáng)度等級為C35，把小震內(nèi)力的3倍近似作為中震內(nèi)力，與豎向荷載產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行荷載效應(yīng)組合，進(jìn)行承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。根據(jù)每延米板帶的內(nèi)力（圖10，11），樓板兩個(gè)方向的彎矩可分別取30kN．m/m和20kN．m/m，剪力可取50kN/m進(jìn)行配筋；與剪力墻相連的部位板受力較大，這些區(qū)域的配筋予以加強(qiáng)，局部樓板控制彎矩取50kN．m/m，剪力取90kN/m進(jìn)行配筋計(jì)算。另外，從一般區(qū)域和大開洞區(qū)域樓板拉力和彎矩分別比較情況來看，大開洞區(qū)域的拉力與一般區(qū)域的拉力比值，比大開洞區(qū)域的彎矩與一般區(qū)域的彎矩比值大，在大開洞區(qū)域主要依靠鋼筋傳遞拉力。采用理正計(jì)算得到，一般區(qū)域的板沿長度方向的控制配筋為12@ 150，雙層拉通，單層單向配筋率約為0. 50%；一般區(qū)域的板沿寬度方向的控制配筋為12@ 200，雙層拉通，單層單向配筋率約為0. 38%；局部區(qū)域的板控制配筋為12@75，雙層雙向拉通，單層單向配筋率約為1. 00%。

    (2)溫度作用下樓板應(yīng)力分析

    樓板溫度應(yīng)力分析基于ABAQUS進(jìn)行，在結(jié)構(gòu)縱向的樓板施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力通過初始應(yīng)力予以考慮，考慮整體降溫15℃后，混凝土強(qiáng)度等級為C35，彈性模量E=3.0×104MPa，折減系數(shù)0.4，線膨脹系數(shù)為1.0×10^-5。鋼絞線強(qiáng)度等級為1860MPa，預(yù)應(yīng)力有效應(yīng)力不小于1 000MPa，梁板張拉控制應(yīng)力1302MPa，施工時(shí)均超張拉3%。由于樓板在底部受到的約束最強(qiáng)，所以樓板溫度應(yīng)力以首層最大，往上部逐步減小。圖12給出了首層樓板溫度應(yīng)力，從圖看出，在整體降溫15℃后，首層樓板縱向和橫向的最大溫度應(yīng)力分別為1. 23MPa和1. 62MPa，都不大于樓板混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2. 20MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5  結(jié)論

    (1)針對該復(fù)雜、重要、特殊的結(jié)構(gòu)體系，制定了抗震性能指標(biāo)，采用YJK，SATWE，ABAQU多種軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)的周期比、層間位移角、層間受剪承載力比等均滿足抗規(guī)要求。

    (2)針對抗震超限審查專家提出的型鋼柱、轉(zhuǎn)換柱、搭接柱、斜柱定義為抗彎中震不屈服、抗剪中震彈性；中廳懸挑梁、影院型鋼梁、吊柱定義為中震彈性的設(shè)計(jì)要求，在核心筒混凝土墻肢中設(shè)置一定數(shù)量的型鋼加以解決。對搭接柱的設(shè)計(jì)，采取在水平和豎向地震作用下，承載力滿足大震不屈服、相關(guān)支承構(gòu)件承載力滿足中震彈性及強(qiáng)剪弱彎要求。

    (3)對于上海長周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)剛度是設(shè)計(jì)關(guān)鍵，對超長、開大洞結(jié)構(gòu)板應(yīng)進(jìn)行地震作用下與溫度作用下的綜合分析，增大洞邊配筋率。對具有局部混合大體量結(jié)構(gòu)應(yīng)采用全過程動(dòng)力彈塑性分析，靜力彈塑性分析不能反映結(jié)構(gòu)第一道防線損傷問題。