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第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 华为上海基地结构抗震设计 杨必峰吴景松虞炜沈忠贤 上海建筑设计研究院，上海2 0 0 0 4 1 提要 通过介绍华为上海基地两种超限高层的超限情况及针对性的结构抗震措施，并采用S A T W E 和E T A B S 两种程序 建立合理的模型，得到满足规范要求的结果，为同类超限高层设计提供参考。 关键词超限高层建筑；抗震设计；平面不规则；竖向不规则 1 工程概况 华为技术有限公司一上海基地建设项目园区位于中国上海浦东金桥开发区内，基地呈矩形，东西向从 申江路至金穗路，沿线长度约为8 6 0 米，南北向从新金桥路至金海路，沿线长度约为3 2 0 米，总建筑面 积约2 8 万平方米。 园区建筑以z 型布置，按建筑功能，可分为A ～J 共九个区域。C 、D 区和F 、G 区之间设有沉降缝， 将地下室分成三段；上部结构各区域块之间通过3 0 0 嗍宽的抗震缝断开，形成独立的抗震单元。各区域 之间还有一个自成结构体系的“中间连接区”，该连接区左右均设置抗震缝。 西南翼 包括A 、B 、C 分区 和东北翼 包括G 、H 、J 分区 总体尺寸约为3 3 0 米长 东西向 、 5 6 米宽 南北向 。分区A 、B 、c 、G 、H 、J 形体相同，由办公和软件生产区的典型建筑模块组成 每个 模块东西向约1 1 0 米长、南北向约2 2 米宽 ，含六层地上层和一层地下层，以停车一层为嵌固端。建筑 物总高度在嵌固端以上约3 0 ．9 5 米，基坑开挖深度约6 ．9 米。 铲 旷 旷 沪 甲甲甲甲甲甲甲甲 、 ．／， C 7 一 r1 r1 匮i ；；i i 山⋯⋯。o ；；i山⋯⋯l ● 冀 R罐善；； -●● l t o I l - ’ ‘ | | ；鳓塞| | | 垂i 耄 8 i ；p ；烈 黧卦 一 ＆；；船i 固 ‘＼． ●} ．．j - l ．．j 一／ 2 基础设计 图1 建筑分区示意图 本工程土层分布情况见表1 。根据本工程地基条件及业主、建筑师对建筑物严格的变形要求，本工 程采用常规桩基础。在主要承受压力的区域采用预制预应力高强度混凝土 P H c 管桩，在主要承受拔 杨必峰。男，1 9 7 8 ．2 出生，工学硕士。工程师 ．3 1 9 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 力的区域采用预制混凝土方桩。桩基持力层为⑦一2 层土。桩型为P H C 管桩，直径6 0 0 ，桩长3 6 ～4 6 米，单桩竖向承载力设计值约为3 1 5 0 I 【N 承压 和1 2 0 0 l N 抗拔 ；预制6 0 0 方桩，桩长3 1 ～3 9 米， 单桩竖向承载力设计值约为4 0 1 0 k N 承压 和1 3 0 0 k N 抗拔 。 基础采用独立承台 筏板 基础拉梁的形式。建筑物最大沉降计算值小于7 5 衄。 表1 地基土层分布 勘查报告孔C 1 2 层底标高压缩模量侧阻特征值端阻特征值 土层名称 m M p a k P a k P a 天然地面标高 3 ．8 7 妒1 杂填七2 ．6 7 ②褐黄～灰黄色粉质粘土1 ．0 77 ．5 ③一1 粉质粘土夹粘质粉土 一O ．8 37 ．5 ③一2 粘质粉十夹粉质粘土 一3 ．2 37 ．5 ～1 5 ③一3 淤泥质粉质粘土 一6 ．9 31 2 ．5 ④淤泥质粘土 一1 4 ．7 31 5 ⑤一卜l 灰色粘土缺失 2 2 ．5 ⑤一卜2 灰色粉质粘土缺失 2 5 ⑤一2 灰色砂质粉士 缺失1 82 7 ．51 5 0 0 ⑤一3 1 灰色粉质粘土夹粘质粉土 一2 1 ．1 31 03 07 5 0 ⑥一l 暗绿色粘土 一2 3 ．9 31 23 2 ．58 0 0 ⑥一2 草黄色粉质粘上夹粘质粉土 一2 7 ．3 31 64 01 5 0 0 ⑦一1 草黄色粘质粉十夹粉质粘土 一3 2 ．3 32 24 52 5 0 0 ⑦一2 草黄～灰黄砂质粉土 一4 2 ．3 33 6 5 03 0 0 0 ⑦一3 灰黄～灰色粉砂 4 2 5 53 5 0 0 3 上部结构超限情况及所采取的抗震措施n 3 3 ．1 上部结构的超限情况 本工程属丙类建筑，抗震设防烈度为7 度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0 ．1 0 9 。 建筑场地为Ⅳ类 上海 ，场地的特征周期为0 ．9 0 秒。1 0 0 年重现期的基本风压w n o ．6 0 柳／埘，地面 粗糙度为B 类，建筑体形系数为1 ．3 。剪力墙抗震等级为2 级，框架抗震等级为3 级，墙、柱、板、梁 的混凝土强度等级为C 4 0 。由于内部填充墙分布很少，周期折减系数取0 ．8 。 由于A 、B 、C 区及G 、H 、J 区类同，D 、F 区类同，故分别取B 、D 区作为典型单体进行分析。E 区 为非超限建筑，下文将不予详述。 B 区地下一层与一层为常见的矩形平面的框架剪力墙结构，剪力墙分布与建筑物四角，整体刚度较 好。二～五层中庭楼板缺失，形成两个长条形的双塔结构。每个单塔两端集中分布剪力墙，中部由九榀 单跨框架组成。每榀框架的跨度为1 9 ．0 5 米，框架梁为变截面后张预应力梁，高度从支座处4 0 0 哪至跨 中的1 1 2 5 衄，宽度则从跨中向两端逐步加宽。屋顶处由预制混凝土屋架将双塔联系起来。屋架间另有 水平及竖向钢交叉斜杆组成的支撑体系。 B 区上部结构超限主要体现在下面几方面1 ．在考虑单向地震作用偶然偏心的情况下，部分楼层的 最大弹性水平位移值大于平均值的1 ．2 倍，扭转不规则；2 ．二～五层在南、北两个模块间楼板缺失形成 中庭，局部楼板不连续；3 ．屋项通过屋架连成一体使之成为双塔连体结构。因此B 区属于平面规则性超 限的复杂高层建筑。图2 为B 区的结构计算模型 平面、剖面与三维视图 。 ．3 2 m 第 1 月书目自B 建筑结构学术会口论z2 0 。8 年 ‘L-⋯dc D 区地下一层与层亦为规则的框架剪力墙结构。 层以上南侧楼板大血移{ 缺失．造成南侧一排框 架柱成穿层枉。爿外结壮』j ．较为独特的是，中庭处局部结构通过钢拉杆，吊拌十屋架之下。 DK 上音| i 结构超限上要体现在F 面几方面1 ．在考虑单向地震作用偶然偏心的情况F ，部分楼层的 堆大弹性水平位穆值人于甲均值的l2 倍，自【转小规则2 部分楼层楼板大面税缺失 犬r 楼板面积的 3 0 ％ ，楼板局部不连续} 3 竖向存在市I n J 的内收。4 南侧排框架穿膳柱直接支撑屋架体系，缺乏二 道防线，必镀特别加强。5 局部楼板采用悬挂武．形成荷载转化，竖向不规则。因此D 医属十平而批则 性应竖向规则性均超限的复杂高层建筑。图3 为D 区的结构{ _ 1 算模碰 平面、剖面与二维视图 。 。vJ。，』’，7 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 3 ．2 针对超限情况所进行的结构分析及采取的措施 结构分析计算分别采用了S E T w E 2 0 0 5 ．0 4 、E T A B S V 9 ．0 两种程序。主要计算结果如下 表2B 区主要分析结果 项目S E T l 陀E T A B S 总质鼍 吨5 0 9 6 14 9 2 3 7 周期 T 1 X 向 O ．6 2 40 ．5 9 0 T 2 Y 向 0 ．3 6 6O ．3 1 4 秒 T 3 扭转 O ．2 6 10 ．2 1 8 X 向2 8 6 3 6 5 ．6 ％2 7 0 3 7 5 ．6 ％ 地震作用下基底剪力 剪重比 k N Y 向3 1 4 9 1 6 ．2 ％2 9 1 7 1 6 ．0 ％ X 向2 0 8 81 4 9 2 风作用下基底剪力 剪重比 1 N Y 向 6 3 1 1 5 8 8 5 地震作用下X 向1 ．2 61 ．0 1 层最大位移与层平均位移比值Y 向1 ．3 61 ．1 2 地震作用X 向1 ／2 1 9 7l ／2 5 1 l 最大层位移角Y 向1 ／5 6 9 01 ／8 5 0 6 表3D 区主要分析结果 项目S E T W EE T A B S 总质量 吨5 6 6 4 65 7 1 1 9 周期 T l X 向 0 ．7 1 1O ．6 2 2 T 2 Y 向 O ．4 7 6O ．4 5 6 秒 T 3 扭转 O ．3 7 2O ．3 4 6 X 向2 6 8 3 4 4 ．7 ％2 2 3 6 6 4 ．0 ％ 地震作用下基底剪力 剪重比 k N Y 向2 8 5 7 l 5 ．O ％2 5 4 2 8 4 ．5 ％ X 向2 2 0 51 0 4 8 风作用下基底剪力 剪重比 k N Y 向4 7 0 52 9 4 0 地震作用下X 向1 ．3 61 ．4 7 层最大位移与层平均位移比值Y 向1 ．2 21 ．3 3 地震作用X 向1 ／1 5 3 9l ／1 9 8 l 最大层位移角 Y 向 1 ／3 2 3 61 ／3 4 7 3 3 ．2 ．1B 区分析 本工程结构高度 约3 0 ．9 5 米 仅略高于J G J3 2 0 0 2 所界定的高层建筑高度 2 8 米 。这样的高 度采用了框架剪力墙结构体系是偏刚性的，结构在地震作用下的弹性水平位移绝对值是比较小的。同时， 剪力墙集中分布在建筑物两端，对结构的抗扭是比较有利的。结构的扭转周期比第一平动周期仅0 ．4 左右。形成结构的扭转不规则，是因为结构长度较大，偶然偏心距也较大，同时平均位移的绝对值很小 超限楼层的绝对位移仅1 咖 ，造成最大位移比平均位移超过1 ．2 。因此，这样的结果对类似本工程这 样的A 级高度高层建筑中偏低的建筑物应该是可以接受的。 二～五层中庭楼板缺失，形成双塔楼。塔楼旱狭长的矩形，长宽比为4 ．1 3 。每个塔楼的剪力墙集中于 两端，中间为开间9 米，跨度1 9 ．0 5 米的单跨框架。由于剪力墙间距偏大，楼板偏狭长，横向地震作用 下楼板有明显的剪力滞后效应，产生平面内的弯曲。因此，分析塔楼时不能采用楼板刚性假定，宜采用 膜单元或壳单元以考虑板的面内刚度。设计时还应加强楼板整体性能，如采用双面双向配筋，加厚楼板 等，使楼板在水平地震作用下 大震 仍处于弹性阶段。值得注意的是，此时X 向的两条边框架梁成为 楼板的“翼缘”，也应采取提高配筋率，纵筋、腰筋通长布置等加强措施。本1 二程我们按弹性壳单元模 拟楼板，网格正交划分，最大尺寸为2 ．3 米。则s P E c Y Y 向地震作用 工况下楼板变形、正应力、剪 ．3 2 2 ． * { 月十国高层建筑结构{ Ⅸ论女 2 0 0 8 年 应力分别见蹦4 、圈5 、斟6 。从变形和席力图中町以看到，楼板存在明显的弯曲受力特性。翼缘屉大 拉、止应力约在lo Ⅳ／m m2 ，小于c 4 0 混凝七r l7 l Ⅳ，m m2 ，尚不擎引起混凝土的开裂。楼板剪力能 比较平滑的从I 间踌框架向曲边核心筒传递．至核心筒边剪应力达到最大，约o7 Ⅳ／m m2 ，也小于c 4 0 混凝j i 的抗拉强度。 目4v 自M l * 月T * ＆￡* 目5y 自m ■ 月T * m R H 自目 目6y 自m t n 佣F 目m 女* “∞ 屋顶通过屋架将般塔连成体是不利抗震的。在连体处往往形成应力集中．并造成构件破坏。同时， 在呸向上，结构的抗侧刚度也会笈生突变。冈此，连体处通常是需要加强的a 但本工程与通常的连体结 构是有所K 别的。表现在其一，屋面是由一榀榀预制屋架，通过交叉钢拉杆构成的水平驶垂直支撑体 系而构成的。平面内整体刚度相较于现浇混凝土楼层弱的多；其二，从横向剖面E 看，连体仪由一个“点” 相连．一旦将此“点”断开，两边结构可自成一体，这与常见的连体结构往往由若干层横组成是不同的。 因此．是终采用的设计思路为通过巧妙的屋架节点设计．在多遇地震下使屋架保持为整体，而在罕遇地 第二二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 震下使屋架连接“点”脱离，形成彻底的双塔结构。 3 ．2 ．2D 区分析 D 区的扭转不规则原因与B 区相同，可以参照B 区的结果。楼板局部不连续和结构的竖向内收是比较 常见的心】．阻] ，通过采用弹性楼板的分析，加强开洞边及竖向收进附近的构件，等措施即可较好的改善结 构的抗震性能。D 区比较独特的是南侧的一排穿层柱及中庭处的吊挂结构。 南侧的一排穿层柱直接支撑了屋架体系，特别是其中两根柱直接支撑倒吊结构，地震作用下是不能 破坏的。这样的结构布置导致了地震作用下结构局部没有第二道防线，所以这些框架柱须特别加强，并 具有更好的延性。为此，设计提高了这些柱子的性能指标，按基本烈度地震作用的承载力要求及罕遇地 震下的延性要求进行设计。罕遇地震的延性设计参考了适用于美国最严重的地震区加州的1 9 9 9 年版的 结构工程师协会蓝皮书推荐侧向力要求及条文说明附录B 一5 ．4 中推荐的基于等效位移的设计程序。 主要设计过程如下首先，确定罕遇地震下柱子的侧向位移要求。此位移可以通过求解在罕遇地震下结 构的弹塑性变形获得，也可以根据一些经验公式求得。本工程中采用的是蓝皮书建议的由多遇地震下的 侧向位移乘以2 ．2 ／O ．3 5 确定的。其次，求解构件截面在最大反应时的曲率。该曲率可以由首次屈服时 的曲率加上塑性下曲率的增量得到，曲率增量可以根据蓝皮书给出的经验公式求得。曲率增量的求解过 程比较复杂，为简化计算，并提高安全储备，设计时要求柱子在首次屈服的曲率 对应首次屈服时的侧 移 大于罕遇地震下柱子的曲率 对应罕遇地震下的侧移 ，即保证罕遇地震下构件仍处于弹性阶段， 从而自然满足了罕遇地震下的延性要求。再次，采用有限元程序求解柱子的弯矩一曲率关系，获得柱子 首次屈服时的曲率。最后，建立一个简化的构件受力模型，求出曲率与侧移的关系，判断该侧移是否大 于罕遇地震下的侧移。在本工程中，柱子在强轴上简化为悬臂柱模型，弱轴上简化为两端固支模型。通 过上述的设计过程，并考虑构件的重要性，最终确定对承受培训教室荷载的两根柱采用型钢混凝土截面； 其他柱子仍采用通常的钢筋混凝土截面，但增加配筋，保证罕遇地震下的构件弹性。 倒吊结构是一种严重的竖向不规则结构。在本工程，此部分结构仅为局部，结构总高度不高，且倒 挂楼层不多，仍是可以接受的。从E T A B S 的振型分析结果上看，这部分构件在2 0 阶存在平面内类似单 摆的独立振动，对地震作用的贡献分别为0 ．8 9 ％ x 向 、2 ．9 6 ％ Y 向 数据含义为占该方向地震作用 总和的百分比 ，对总体影响不大，可以忽略。设计时对倒吊处楼面改用钢结构，并采用钢竖杆，有效 减小了结构自重，从而减少了恒载作用下竖杆的竖向位移和内力。钢竖杆与屋架连接节点采用内置型钢 节点，确保节点可靠。构件设计时，屋架及吊竖杆的设计内力在最大设计组合内力的基础上放大了一倍。 从而保证了此局部结构地震作用下不先于整体发生破坏。 4 结语 华为上海基地工程由美国s o M 公司完成的建筑方案设计，建筑比较新颖，整体显得开阔而宽广。但 同时也给结构提出了很高的要求。各单体中既存在如楼板大面积缺失、双塔楼、连体、局部悬吊等抗震 不利因素，也存在如建筑物高度不高、整体刚度较好、抗扭性能良好等抗震有利因素。通过细致的思考 和缜密的分析，本工程既满足现行结构规范要求，又符合建筑设计需要。希望本工程的设计思路能对类 似的超限高层结构抗震设计有所启发和帮助。 参考文献 [ 1 ] 徐培福，王亚勇，戴国莹，关于超限高层建筑抗震设防审查的若干讨论，土木工程学报，2 0 0 4 ； 1 卜6 [ 2 ] 肖志斌，马跃，裘涛，楼板局部不连续钢筋混凝土结构抗震设计，工程设计学报，2 0 0 3 ； 4 2 0 8 2 1 1 [ 3 ] 吕西林，李学平，超限高层建筑工程抗震设计中的若干问题，建筑结构学报，2 0 0 2 ； 2 1 3 1 8 - 3 2 4