杨浦区某商办项目C塔楼结构设计

刘亚楠

（华东建筑设计研究总院，上海 200002）

1 工程概况

杨浦区某商办项目，地上部分是由1栋22层标志性高层办公楼（C塔楼）、2栋8层办公楼（A、D塔楼）、1栋5层办公楼（B塔楼）及1栋110KV市政变电站组成。地下3层，地下2～3层为车库， 地下1层为商业。总建筑面积114529m2，其中地上面积约70949m2，地下面积约43580m2。建筑效果图见图1。

图1 杨浦区平凉街道40街坊效果图

标志性办公楼C塔楼，结构高度96.5m，平面尺寸45.5m×45.5m，结构体系为框架—核心筒。典型建筑平面图见图2。

图2 杨浦区平凉街道40街坊C塔楼典型平面图

2 C塔楼结构选型

C塔楼采用桩+筏板式基础。考虑到成桩可行性、单桩承载力、沉降变形、工程造价以及方便布桩等因素，经分析比较，采用直径700mm的泥浆护壁钻孔灌注桩，桩长42m，以⑦2层灰黄～灰色粉砂为持力层，同时进行桩端后注浆，以提高单桩承载力并减小绝对沉降量，单桩竖向承压承载力的特征值为4100kN，计算结果显示最大沉降量6.5cm，满足了规范要求。塔楼C基础示意图见图3。

图3 塔楼C基础示意图

3 结构体系

塔楼C的结构高度96.5m，共22层（不含屋面机房层），结构高度96.5m，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构。核心筒位于塔楼平面的中部，墙体布置基本对称；在17层楼面以上，核心筒南侧因电梯井道取消而内收约3m，除两处小片剪力墙不能伸至屋面，其余核心筒墙体和框架柱均上下连续。结构系统的侧向设计主要受控于地震效应的作用，核心筒作为结构的第1道防线承担了大部分的水平地震作用和风荷载，外围框架组成结构的第2道防线，并按相应比例承担其余的水平地震作用和风荷载。

4 超限判别及措施

塔楼C存在扭转不规则、楼板局部不连续、局部竖向抗侧力构件不连续的3项不规则，但采用了抗震性能良好的框架-核心筒结构体系，并合理布置关键构件。在多遇地震作用下的各项指标均可满足规范要求。塔楼超限判别见表1。

表1 塔楼超限判别

针对上述超限，在设计中采取以下措施，确保塔楼C的结构设计可以实现相应设防水准下的抗震性能目标：

措施1：加强计算分析。采用2个独立软件ETABS和SATWE 进行多遇地震作用下的计算分析，并对计算结果进行对比；采用ETABS软件进行弹性时程分析，并与振型分解反应谱法进行对比；采用PERFORM-3D进行静力弹塑性分析，进一步分析结构在大震作用下的抗震性能。

措施2：对楼板进行应力分析，并根据结对部分区域的楼板配筋进行加强处理；此区域的穿层柱纵筋适当加强，箍筋全长加密。

措施3：第2层西侧楼板大开洞，此层楼板双层双向配筋并提高配筋率；此区域的穿层柱纵筋适当加强，箍筋全长加密。

措施4：在L16层两小片剪力墙的转换处，在连梁及墙肢的边界单元中配置了适当型钢进行加强。

措施5：按照规范要求，外框地震剪力按底部总剪力20%和除加强层外最大层框架剪力 1.5倍二者的较小值调整，在大震作用下，外框架能够起到2道防线的作用。

措施6：按照规范要求，基础底板面到第4层楼板之间的剪力墙，按加强区的剪力墙来设计。

5 整体计算指标

分析软件为ETABS，同时采用PKPM系列的SATWE软件进行校核计算。塔楼计算模型见图4。塔楼弹性计算结果见表2。

图4 塔楼计算模型

表2 塔楼弹性计算结果

6 楼板应力分析

2层楼板因有较大开洞，楼板可能产生较大应力。因此，本研究利用ETABS软件对塔楼进行了楼板应力分析，确定了这层楼板在重力荷载以及地震荷载作用下的应力，并根据分析结果对楼板配筋。有限元分析中保留了原有的核心筒、外框及楼面梁等构件，并且将筒外楼板设为壳单元，并根据既定几何对壳单元细化分解。图5为第2层楼板的分析模型。

图5 第2层楼板分析模型

在 重力（1.0DL+0.5LL）及常遇地震荷载工况（1.0DL+0.5LL+1.0FREQ）下的最大拉应力见图6～9所示。S11代表楼板壳单元沿东西方向拉应力，S22代表壳单元沿南北方向拉应力。楼板在小震下设计为不屈服。楼板的配筋必须要对这些拉力需求进行设计。

图6 第2层-重力荷载 1.0DL + 0.5LL

图7 第2层-重荷载 1.0DL + 0.5LL

图8 第2层-X向地震力 CSXS

图9 第02层-Y向地震力 CSYS

对于楼板的配筋设计，假设一旦楼板开裂，所有的拉力都由钢筋承担。钢筋的抗拉应力承载力可由配筋率乘以钢筋屈服应力。表3列出了不同配筋率的楼板应力承载力。

表3 按不同百分比配筋的楼板屈服应力(钢筋 HRB400, fyk=400 MPa)

根据分析出的主应力云图，得出所需楼板的应力承载力，额外所需增加配筋如图10所示。

图10 第2层楼板配筋布置

基于楼板的有限元分析，可知2层楼板没有出现较大应力。在核心筒南侧楼板增加额外0.5%钢筋，在3层同一位置楼板也增加额外0.5%的钢筋。

7 C楼弹性时程分析

弹性时程分析采用的地震波为《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013附录A中提供的7条多遇地震时程曲线，其特征周期为0.9s。其中2组人工时程波（USER1，USER2） 和 5组 天 然 时 程 波（USER3，USER4，USER5，USER6，USER7）分别对应DGJ08-9-2013附录A中的SHW1～SHW7。通过频谱分析并与规范反应谱进行比较，上述7条地震波基本满足规范的选波要求。

在弹性时程分析中，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，7条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的85%,满足规范GB50011-2010-5.1.2的要求。时程分析的结果略小于规范反应谱，多遇地震下的结构设计可按规范反应谱进行。

图11 50年63%的模拟波与小震规范谱和场地谱比较

图12 50年63%的天然波与小震规范谱和场地谱比较

表4 X方向剪力比较

表5 Y方向剪力比较

表6 X方向层间位移角比较

表7 Y方向层间位移角比较

8 静力弹塑性分析

非线性非弹性分析目的是为了评估在罕遇地震作用下的结构安全性。在罕遇地震作用下，建筑不应倒塌，但能接受一定程度的构件损坏。

计算模型首先对结构进行竖向荷载的加载，考虑1.0恒载+0.5活载。程序考虑材料非线性的影响，其中 混 凝 土 材 料 严 格 按 规 范 GB50010-2010-5.5.1.2 建议取值。钢筋HRB400材料本构关系按混凝土规范GB50010-2010附录C的非屈服点钢材本构关系定义。在考虑结构材料非线性的影响下，对加载竖向荷载后的结构进行罕遇地震水平作用的推覆分析，得到结构在罕遇地震作用下的响应。

表8 X方向楼层剪力比较

表9 Y方向楼层剪力比较

根据规范GB50011-2010第5.5.5节中的建议，侧向弹塑性层间位移比不应大于1/100。

弹塑性分析的总体结论是结构在大震下的性能表现合理，结构没有受到严重破坏或者倒塌。具体情况如下：

大震作用下，外围框架柱仅在塔楼顶部位置有一些屈服，底部柱子保持弹性。

大震作用下，约60%的外围框架梁进入塑性，但是程度较轻，没有超出立即使用极限。约70%的楼面框架梁进入塑性，但是程度较轻没有超出生命安全极限。

大震作用下，大部分连梁抗弯屈服，进入塑性阶段，约有50%的连梁超过立即使用极限，无连梁超出生命安全极限和防止倒塌极限。底部及转换层局部连梁考虑内嵌型钢作为抗剪加强。连梁塑性行为能有效的消散地震能量。

大震作用下，剪力墙的混凝土内压应变都在0.002范围之内，没有出现混凝土受压破坏。墙肢中钢筋在大震下也没有出现屈服的现象。按0.5%典型抗剪配筋，局部0.7%抗剪配筋加强，所有墙肢都能通过斜截面抗剪验算。

图13 X方向

图14 Y方向

大震作用下，X方向最大层间的位移比为 1/190，Y方向最大层间位移比为1/144，均小于1/100，满足规范要求。

9 结语

本项目C塔楼主要的结构特征为平面及竖向不规则导致结构超限。

（1）合理选择结构体系，布置关键构件，核心筒会抵抗大部分的风及地震侧向力，外围框架按相应比例承担部分侧向荷载，以形成双重侧力系统。

（2）楼板开大洞，通过软件对塔楼进行了楼板应力分析，根据分析结果对楼板配筋设计。并针对薄弱部位采取加强措施

（3）塔楼弹性时程分析，分析的结果略小于规范反应谱，多遇地震下的结构设计可按规范反应谱进行。

（4）静力弹塑性分析显示结构在大震下位移满足了规范要求，结构的性能表现合理，没有受到严重破坏或者倒塌，证明了结构的安全性。

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