上海某超限装配式高层结构设计分析

刘 昌 胜

(中国核电工程有限公司郑州分公司，河南 郑州 457000)

装配式建筑由于其绿色环保、施工方便(像搭积木一样的建造房子)，近年来越来越多的采用到工程中，本文通过对装配式建筑的结构设计与分析，对装配式建筑设计要点进行总结，对高度超限的装配式结构进行弹性时程分析补充验算，对关键构件进行抗震性能化设计，提出更高的施工质量要求，从而确保了装配式结构的安全，供设计同行参考。

1 工程概况

本项目位于上海市青浦区，地块东至青泰路，南至盈浦路，西至丁家港路，北至陈家江。本地块设计由6栋商品住宅、1栋保障房(含两层商业裙房)、1栋酒店建筑、两层地下车库组成。设计的室内地坪±0.000标高为5.50 m(吴淞高程基准)。地下车库不设缝，地上为独立的各栋单体。

本工程抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，建筑场地类别：Ⅲ类，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.65 s。查GB 50009—2012建筑结构荷载规范可以得出，10年一遇的基本风压：w0=0.40 kN/m2；50年一遇的基本风压：w0=0.55 kN/m2；地面粗糙度类别：B类；1号～3号楼及8号楼高层整体位移指标控制采用50年重现期的风荷载控制，构件强度设计时则采用50年重现期基本风压的1.1倍进行配筋设计和校核。

2 结构布置

以2号为例，根据建筑平面布置特点，结构体系采用装配整体式钢筋混凝土剪力墙结构体系，结构平面楼盖体系采用装配式叠合混凝土梁板体系，梁板混凝土强度等级均为C30；剪力墙墙身部分采用预制，混凝土强度等级为C40～C30。

根据相关规范对2号楼的不规则性进行判别：本单体考虑偶然偏心下的个别楼层扭转位移比大于1.2，但不超过1.4，为扭转不规则。本单体为装配整体式剪力墙结构体系，根据DGJ 08—9—2013上海市建筑抗震设计规程中第7.1.3条表7.1.3(预制混凝土结构房屋使用的最大高度)的要求，本单体超过抗震设防烈度为7度抗震墙(预制叠合抗震墙)结构对60 m的最大高度的限制，故将此单体归入建筑高度超限的特殊类型的高层建筑，故应进行超限高层抗震专项审查。

3 多遇地震下的抗震分析与设计

本单体结构采用PKPM-SATWE，PKPM-SAP计算程序，楼板采用刚性楼板假定，计算地震作用按照规范中要求的参数进行主体结构分析计算，均考虑空间扭转耦连震动。选取地震波：根据《建筑抗震设计规范》的相关要求，本工程共选用三组时程曲线进行弹性时程分析，其中两条天然波，一条人工波。振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线与三组时程曲线的平均地震影响系数曲线相符，其加速度时程的最大值按照规范35 cm/s2取值，频谱特性和持续时间均满足规范要求。

3.1 计算结果对比

本栋楼采用了PKPM-SATWE与PKPM-SAP进行分析，主要结果详见表1。

表1 计算结果

3.2 结构弹性时程分析结果及比较分析

分析用地震波采用PKPM自带地震记录和人工波，2号楼具体选波见表2，SATWE和弹性时程计算结果对比见表3。

表2 2号楼弹性时程分析所用地震波特性

表3 2号楼(25F商品住宅)——单

结论：通过规范反应谱计算结果与弹性时程分析结果的对比分析，结果表明三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于分解反应谱法计算结果的80%，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，选用地震波满足规范及设计要求。

3.3 计算结果的分析

1)通过两种计算模型的分析比较，发现其周期、振型、质量、地震力等基本接近，表明本工程计算模型的合理性。

2)通过计算分析，本工程上部结构的位移比大于1.2，属于扭转不规则。

3)弹性时程分析表明，各地震波的选取满足规范要求，且各波的平均地震反应和最大地震反应均小于反应谱分析结果，反应谱结果可作为设计依据。

4 基于性能的抗震设计

为保证结构设计安全，除按照规范的要求及目标进行计算和设计外，亦提出了抗震性能化设计的要求。确定结构抗震性能目标为D级，对结构关键竖向构件(底部加强区剪力墙)按照正截面中震不屈服、斜截面中震弹性进行验算。

计算结果表明，在设防烈度地震下，底部加强区剪力墙满足斜截面抗剪弹性，正截面抗弯不屈服，可以实现预定的性能目标。

中震不屈服下，底层受拉墙体截面验算结果表明：在中震下，大部分墙肢仍处于受压状态，部分小墙肢受拉。通过拉长或者加厚小墙肢后，受拉状态的小墙肢拉应力标准值均小于混凝土抗拉强度标准值，满足了规范要求。

5 大震作用下的弹塑性变形验算

采用PKPM系列的PUSHOVER软件进行了拟静力推覆，来验算验证2号楼在大震作用下的弹塑性变形能力。抗倒塌验算结果表明，在预估的大震作用下，X向和Y向弹塑性层间位移角小于规范限值，说明在大震作用下，本单体具有良好的变形性能，达到了“大震不倒”的抗震设防要求。

6 抗震设计加强措施

6.1 地下室顶板结构设计抗震加强措施

1)本工程各塔楼于地面以下连为整体且地下室顶板作为嵌固端，地下室顶板与地下室单体顶板存在约1.7 m的高差，在高差交接位置的竖向构件的抗震构造措施等级均提高一级，对单体塔楼与地下车库顶板错层交接位置设置1∶1坡度的梁上加腋，以保证水平力的有效传递。

2)由于本项目为地下室超长结构(长约221.1 m，宽77.0 m)，在地下室顶板、底板、侧墙等合理部分设置温度后浇带，使其在施工阶段形成35 m～40 m的温度区段，减小温度应力和温度作用的影响。加强施工组织管理，做好施工养护，低温入模，低温合龙。

6.2 塔楼结构加强措施

1)针对塔楼高度超过DGJ 08—9—2013上海市建筑抗震设计规程中第7.1.3条表7.1.3(预制混凝土结构房屋使用的最大高度)中相应最大适用高度的情况，适当提高底部加强区范围内的剪力墙及框架柱的配筋，且在底部加强区及上一层抗侧力构件均采用现浇结构，避免采用装配构件。

2)根据PKPM-SAP进行的弹性时程分析得出地震作用放大系数回填到PKPM-SATWE中进行结构的梁柱剪力墙配筋。

3)针对本工程为装配整体式建筑，在设计时进行预制剪力墙墙身的定义，对现浇部分的结构构件进行内力及配筋的放大，放大比例不小于设计值的10%，剪力墙端部边缘构件采用现浇结构。

4)结构抗震等级按照JGJ 1—2014装配式混凝土结构技术规程中第6.1.3条确定为二级，按照二级对结构进行内力调整，并采取抗震构造措施。

5)布置剪力墙时，避免采用较多的短肢剪力墙，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩小于结构底部总地震倾覆力矩的30%。短肢剪力墙不得采用预制墙体，须采用全现浇，严格控制其轴压比，适当提高墙身配筋率，保证短肢剪力墙的延性。

6)严格要求施工质量：对预制构件连接节点采用全预拌混凝土现浇，竖向构件钢筋连接处采用套筒灌浆，要加强监测，确保灌浆质量。

7)连廊处楼板和梁不得采用预制构件，采用全预拌混凝土现浇，适当加厚楼板加强配筋，保证传力连续性。

7 结语

按照相关国家规范、规程对本单体在地震荷载、重力荷载及风荷载作用下进行了详细分析。各项参数指标基本达到规范要求；在施工图中有针对性地加强构造措施。

根据本工程的超限情况，提出抗震性能化设计目标，对关键构件(底部加强区剪力墙)进行抗震设防地震下验算及罕遇地震下的弹塑性分析，有针对性地提出了高于规范的设计要求，并保证结构在高于设防烈度的地震作用下仍具有一定的安全性。提高对施工质量的要求，设计与施工相结合，从而保证了建筑的结构安全。