森兰国际七、八期工程(图1)位于上海市浦东新区杨高北路、洲海路路口,是一个商业综合体。建筑平面整体呈弧形,建筑立面整体呈中间低、两端高的凹字形。总建筑面积约为29.2万m²,其中地下面积约为8.8万m²,地上面积约为20.4万m²。

　　 由于建筑形体及其构件布置的不规则程度较严重,为此,在地下室顶盖以上设置两道防震缝(兼温度伸缩缝),将上部建筑拆分为三个独立的结构单元(图2)。A单元和C单元为带4层裙房的17层建筑,在5层和13层处退台收进,属于竖向体型收进的复杂高层建筑 ^[1],B单元为4层裙房。地下室不设永久性结构缝,地上三个结构单元共用一个大底盘地下室。建筑总平面见图2,图中H为房屋高度。A单元建筑横向剖面见图3。

　　 建筑功能:地下2层为机械式停车库,局部范围为人防地下室,地下1层为商业用房、设备用房和车库;1～4层为商业区,5～17层为办公区。房屋层高:地下1,2层为6.0m,1层为5.7m,2～4层为5.4m,5～17层为4.4m,室内外高差为0.15m,主楼17层房屋建筑高度为79.25m。房屋长度:地下室外环展开长度约为500.0m,内环展开长度约为345.0m,地上建筑外环展开长度约为364.0m,内环展开长度约为273.0m,A单元主楼外环展开长度约为160.0m,内环展开长度约为127.0m,B单元主楼外环展开长度约为37.0m,内环展开长度约为27.0m,C单元主楼外环展开长度约为160.0m,内环展开长度约为151.0m;房屋径向宽度详见图2。

　　 主体结构设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,建筑抗震设防分类:地下1层和1～4层为重点设防类(乙类),地下2层和5～17层为标准设防类(丙类)。

　　 自然条件:1)50年一遇基本雪压0.20kN/m²;2)50年一遇基本风压0.55kN/m²,场地粗糙度类别B类; 3)抗震设防烈度7度(0.1g),设计地震分组第二组,建筑场地类别Ⅳ类,特征周期T_g=0.9s;4)基本气温最低-4℃,最高36℃。

　　 本工程柱网尺寸较大,⑤～⑥轴跨、⑦～⑧轴跨进深尺寸为13m,开间也较大(⑤轴弧长约为10.7m),办公区建筑净高的主要影响因素为主梁高度和设备管线高度。A单元和C单元办公楼建筑局部平面图见图4。

　　 建设单位要求办公区(包括走廊范围)建筑净高不小于3.0m,以满足高品质的办公楼使用空间的需求。设计前期,办公区做了三种楼盖体系方案:方案一为混凝土梁板体系;方案二为混凝土扁梁板体系;方案三为钢梁-压型钢板混凝土组合楼板体系。三种楼盖体系方案见图4。

　　 不同楼盖体系方案的工程量统计见表1,不同楼盖体系方案的经济性比较见表2。不同楼盖方案的13m跨办公区建筑净高见图5。由表1,2和图5可知,方案一造价较低,但不能满足办公区建筑净高的要求;方案二结构自重和钢筋用量稍大,造价稍高,且也不能满足办公区建筑净高的要求;方案三结构钢材用量较大,造价较高,但能够满足办公区建筑净高的要求。在和建设单位多次沟通后,A单元和C单元楼盖结构体系确定采用方案三。

　　 A单元和C单元建筑核心区⑥～⑦轴跨的建筑功能为垂直交通和其他办公配套用房和设备用房, 5～17层该部分建筑面积占各层建筑面积的23%,根据适用、经济的原则,该范围楼盖结构体系仍采用混凝土梁板体系。

　　 为便于与A单元、C单元设备管线的衔接和满足建筑净高的需求,B单元采用钢梁-压型钢板混凝土组合楼板体系。

　　 A单元和C单元地上最大层数为17层,房屋建筑高度为79.25m,5～17层房屋宽度36.2m,高宽比为2.2。设计前期,对A单元和C单元做了四种抗侧力体系方案比较:方案一为混凝土框架-核心筒;方案二为钢框架结构;方案三为钢框架-中心支撑结构;方案四为混合框架(型钢混凝土柱+钢梁)-核心筒组成钢-混凝土混合结构 ^[2]。

　　 方案一未能满足办公区建筑净高的要求,仅作为技术经济对标方案;方案二技术上可行,但土建造价较高(比混凝土框架-核心筒结构的土建造价约增加25%)。方案三技术、经济性好于方案二,但支撑位置受到建筑的限制,支撑不能设置在外立面,仅能设置在建筑核心区内。环向支撑由于制作的原因支撑构件需布置在一个垂直立面内,而建筑隔墙布置在一个弧形立面内,支撑凸出隔墙的最大距离约60mm,影响建筑使用空间,故方案三也不适用于本工程。方案四的结构构件适应性强,可满足本工程的需求。钢-混凝土混合结构充分利用了钢材和混凝土各自的材料性能,具有承载力高、刚度大、抗震性能好等优点。在和建设单位多次沟通后,A单元和C单元抗侧力体系确定采用方案四。B单元采用由混合框架(型钢混凝土柱+钢梁)组成的钢-混凝土混合结构体系。

　　 以A单元为例说明上部结构布置的特点。在建筑核心区布置钢筋混凝土框架-核心筒以适应混凝土梁板体系,在办公区布置型钢混凝土柱-钢梁以适应钢梁-压型钢板混凝土组合楼板体系。A单元5～12层结构平面布置图见图6。

　　 A单元为弧形平面,房屋长度较大,受建筑平面布置限制,钢筋混凝土核心筒仅能布置在建筑核心区。核心筒1和核心筒3布置在建筑核心区的两端,由于核心筒1,3的最大间距达到72.0m,故在两个核心筒之间设置核心筒2,在1～12层构成3个核心筒的平面布置,因结构在13层的○3-F轴退台向○3-R轴方向收进,故在13～17层构成两个核心筒(核心筒2和核心筒3)的平面布置。布置多个核心筒,提高了长度较大建筑的结构抗扭刚度。由于径向抗侧能力未能满足规范限值要求,在○3-F轴布置1片钢筋混凝土剪力墙,该剪力墙仅伸至12层,剪力墙端柱上升至17层。对于偏长的建筑平面,在长向端部布置核心筒可以显著提高整体结构的抗扭刚度,但其对抵抗温度作用不利,应慎重采用。考虑到本工程外围设置幕墙系统,主体结构均处于室内,且本工程使用标准较高,室内温度变化较小,通过温度工况作用计算,结构满足设计安全要求。

　　 钢梁-压型钢板混凝土组合楼板体系中的钢次梁沿环向单向布置,在每开间均为直线布置,以方便钢梁制作。钢次梁间距为3.05m,上覆闭口型压型钢板组合楼板。

　　 以A单元为例说明结构构件设计的特点。核心区内钢筋混凝土核心筒墙体厚度由下至上为600～350mm,混凝土框架梁截面尺寸为400×900～500×900;型钢混凝土柱截面尺寸由下至上为800×1 200～800×800,900×1 500(边榀框架);13.0m跨端部钢梁截面尺寸H1 000×300×16×28,跨中钢梁截面尺寸为H800×300×16×28,见图5;组合楼板采用闭口型压型钢板,组合楼板厚度120mm,建筑核心区的混凝土楼板厚度120mm。结构构件主要材料:1)混凝土强度等级:型钢混凝土柱、核心筒墙体和剪力墙由下至上为C60～C30,楼屋盖为C30;2)钢筋为HRB400级; 3)钢梁和型钢混凝土柱中型钢的钢材为Q345B。

　　 本工程采用型钢混凝土柱是为了和办公区钢梁配套,型钢混凝土柱采用十字形截面型钢,控制型钢柱含钢率不小于4%,即满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[1](简称高规)对型钢混凝土柱最小含钢率要求。

　　 支承组合楼板的钢次梁采用钢-混凝土组合梁,与钢梁相比,钢-混凝土组合梁可减小次梁的截面高度和上翼缘宽度,降低工程造价。跨度为9.0～10.5m的钢-混凝土组合梁截面尺寸为H500×200(150)×10×14,跨度为8.6～8.85m的钢-混凝土组合梁截面尺寸为H400×200(150)×8×12,其中括号内数值表示上翼缘宽度。

　　 组合楼板采用闭口型压型钢板,型号为YXB66-240-720,板厚0.8mm,板跨度为3.05m。施工活荷载取1.5kN/m²,通过施工阶段的验算,施工阶段组合楼板无需设置支撑;通过抗火阶段的验算,组合楼板满足90min耐火极限的要求,板底无需采用其他防火保护措施。

　　 多遇地震下采用振型分解反应谱法,计入双向地震下的扭转影响对上部结构进行计算分析。计算软件分别采用YJK-A和ETABS软件。计算时,典型楼层采用刚性楼板假定,结构阻尼比取0.04,表3为A单元计算结果。从表3可知,两种计算软件的计算结果十分接近,保证了力学模型的可靠性。

　　 A单元和C单元楼层钢梁与建筑核心区内的钢筋混凝土核心筒和剪力墙的连接采用铰接连接,与建筑核心区内的混凝土柱、外围型钢混凝土柱的连接采用刚接连接。

　　 为了满足钢梁与建筑核心区内混凝土柱的刚接连接要求,在混凝土柱节点范围内增设构造型钢,构造型钢偏置以方便另一方向混凝土梁的纵向钢筋穿越,混凝土柱的箍筋加密区范围除在构造型钢范围设置外,向上下两端各延伸一个箍筋加密区范围,钢梁与混凝土柱的连接节点详图见图7。B单元型钢混凝土柱和钢梁采用刚接连接。

　　 型钢混凝土组合结构构造详图采用国标图集《型钢混凝土组合结构构造》(04SG523)的相关详图,不再赘述。

　　 型钢混凝土柱向下延伸至地下室底板顶面,采用非埋入式柱脚。柱脚底部的水平剪力由柱脚底板与其下部混凝土之间的摩擦力来抵抗(锚栓抗剪作为安全储备,不计入抗剪承载力),十字形型钢混凝土柱非埋入式柱脚节点套用国标图集《型钢混凝土组合结构构造》(04SG523)相关节点详图。

　　 A单元和C单元均为平面和竖向特别不规则的超限高层建筑工程,以A单元为例说明建筑超限情况和采取的主要抗震措施。建筑形体及其构件布置的规则性判断为:1)楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)大于该层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍(表3),属于平面不规则;2)竖向体型偏心收进,5层局部收进的水平向尺寸与相邻下层水平向尺寸比为44%,13层局部收进的水平向尺寸与相邻下层水平向尺寸比为33%,两者均大于25%,属于竖向不规则项。其中,竖向不规则项符合《上海市超限高层建筑抗震设防管理细则》(沪建建(2003)702号)文中规定一项超限即为超限高层建筑的条件,需进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

　　 针对平面不规则所采取的抗震措施为:1)加强整体结构的抗扭刚度,合理布置结构构件,控制楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)不大于该层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.4倍(超限高层建筑工程评审意见要求);2)整体模型计算分析时计入扭转影响。

　　 竖向体型收进导致侧向刚度中心和质量中心沿竖向发生剧烈变化,在变化的部位易产生结构的薄弱部位,需进行抗震加强。针对竖向不规则所采取的抗震措施为:1)体型收进处采取措施(如核心筒的合理布置和抗侧力构件截面尺寸的调整等)减小结构刚度沿竖向的变化,上部收进结构的底部楼层层间位移角与相邻下部区段最大层间位移角的比值为1.148倍,小于高规 ^[1]第10.6.5条1款1.15倍的限值;2)加强竖向体型突变部位的楼板,楼板厚度取150mm,双层双向配筋,配筋率为0.35%,采用现浇钢筋混凝土板;体型突变部位上、下层的楼板也适当加强抗震构造措施; 3)体型收进部位上、下各2层结构周边竖向结构构件的抗震等级提高一级,其中,3,4层结构周边竖向结构构件的抗震等级为特一级,5,6层和11～14层结构周边竖向结构构件的抗震等级为一级;4)高层主楼为偏心收进结构,加强结构收进部位以下2层结构周边竖向构件的配筋构造措施;5)与主楼相连的裙房采用型钢混凝土柱+钢梁的混合框架,进一步加强裙房的抗震性能;6)补充多遇地震下的弹性时程分析,对CQC法的计算结果进行校核;7)进行大震下的静力弹塑性分析,进一步检验结构体系及重要构件的抗震性能。

　　 A单元和C单元超限高层建筑工程审查报告 ^[3]通过了上海市抗震办公室超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

　　 A单元和C单元办公区楼层13m跨钢梁采用腹板开矩形洞口的变截面钢梁,设备管线穿越腹板矩形洞口,以满足办公区建筑净高要求。

　　 办公区楼层13m跨钢梁腹板矩形洞口位置和尺寸详见图5。根据《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99-98) ^[4](简称高钢规)的相关规定:“矩形洞口上下边缘至梁翼缘外皮的距离不得小于梁高的1/4。矩形洞口长度不得大于750mm”,截面尺寸为H800×300×16×28的焊接H型钢梁未能满足该规程相关规定,为此,采用了两个方法予以解决:1)方法一:将洞口附近钢梁截面高度由800mm改为1 000mm,以满足矩形洞口上下边缘至梁翼缘外皮的距离不得小于梁高的1/4的要求;2)方法二:因钢梁腹板矩形洞口长度1 000mm和1 350mm超出750mm的高钢规限值,对矩形洞口采用具有创新性的钢套管、加劲肋等补强措施,并通过ABAQUS软件的精细化有限元分析得到适合本工程腹板开洞钢梁的补强方案 ^[5]。

　　 在应用YJK-A软件进行剪力墙墙肢设计时,发现当弧线墙肢上搭有梁时,软件自动将整片弧线墙肢划分为若干个小直线墙肢,并将弧线墙肢内力分配至若干个小直线墙肢后进行截面设计,导致整片弧线墙肢截面设计失真。为此,通过两个算例进行比较,得出弧线墙配筋结果失真,而直线墙配筋结果正确的结论,见图8。实际工程采用将搭有梁的弧线墙肢按照直线墙肢输入的方法进行模型简化处理。说明在设计时应对所有计算结果进行判断,确认其合理性和有效性。

　　 本工程±0.000m相当于绝对标高5.100m。根据勘察报告 ^[6],建筑场地属滨海平原地貌类型,场区地势整体较平坦。①₁～⑤_2-2层土层属于全新世,⑥～⑨层土层属于晚更新世。场地内地下水深度:高水位为0.50m,低水位为1.5m。地下水和场地土对钢筋混凝土中钢筋有微腐蚀性。在7度抗震设防烈度下无液化土层。

　　 本建筑属于体型复杂且层数相差超过10层的高低层(含外扩地下室)连成一体的建筑,地基基础设计等级为甲级。

　　 根据勘察报告 ^[6],基底土层地质条件较差,地下室底板底面位于③层灰色淤泥质粉质黏土,下卧层为④层灰色淤泥质黏土,筏板持力层为低承载力、高压缩性的软土地基,不适宜采用天然地基,应采用桩基础。根据工程地质与水文地质条件、周边环境条件和上海市成熟的成桩工艺,桩型选用泥浆扶壁法钻孔灌注桩。本工程基础选型为桩筏基础。

　　 本项目占地面积大,基础占工程总价比例高,合理的基础设计尤为重要。上部结构和外扩地下室传给地基基础的竖向荷载差异较大,且竖向荷载的偏心情况较严重,本工程在桩筏基础设计中采用了减少差异沉降和筏板内力的变刚度调平设计方法 ^[7],控制高层主楼基础中心计算沉降量,主楼基础中心计算沉降量估算值为55mm;经过变刚度调平设计方法后,筏板最大弯矩下降约为25%。主楼范围采用桩径较大且较长的桩(桩径700mm,桩长56m,为抗压桩),桩端持力层选择为低压缩性土层(⑧_2-1层灰色含黏性土粉砂与粉质黏土互层),且采用桩端后注浆技术 ^[7],注浆后单桩抗压承载力特征值为3 600kN,单桩抗压承载力提高了20%。裙房和外扩地下室范围采用桩径较小且较短的桩(桩径600mm,桩长36m,裙房范围桩为抗压兼抗拔桩,外扩地下室范围桩为抗拔桩),桩端持力层为⑧₁层灰色黏土层,裙房范围单桩抗压承载力特征值为1 400kN,单桩抗拔承载力特征值为900kN,外扩地下室范围单桩抗拔承载力特征值为1 200kN。筏板采用顶面平齐的变厚度筏板,核心筒下筏板厚度1 500～2 000mm,框架柱下局部范围筏板厚度1 200～2 000mm,其他区域筏板厚度800mm。

　　 基础设计中计入地下水浮力对地基承载力和建筑物沉降的有利作用 ^[8]。根据勘察报告 ^[6],地下水低水位深度为1.5m,考虑枯水期地下水深度下降的可能性,通过与地勘单位沟通,地下水低水位深度取3.0m,计入稳定的地下水浮力有利作用后,减少了抗压桩数量,仅高层主楼范围就可节省约25%的抗压桩。本工程共布置2 795根工程桩(包括试桩),局部范围桩位布置见图9,此图仅反映至B单元的○2-E轴处。

　　 (1)抗浮设防水位是地下室抗浮设计中重要的设计参数,根据勘察报告 ^[6],抗浮设防水位为建筑室外地面以下0.5m。

　　 (2)本工程上部结构、地下室和基础自重荷载远大于作用在地下室底板底面的水浮力,整体抗浮稳定性满足要求。在抗浮设防水位标准组合下,外扩地下室范围局部抗浮稳定性验算不足,裙房范围也存在抗浮稳定性验算不足情况,需要采取抗浮措施。根据工程地质条件和水文地质条件、施工条件和地区常规做法,本工程抗浮措施采用抗拔桩。

　　 (3)外扩地下室和裙房范围的桩由于受力不同,应分别设计。外扩地下室范围局部抗浮稳定性验算始终不满足,需要采用抗拔桩;裙房范围则先根据最低地下水位标准组合确定抗压桩的数量,然后,根据抗浮设防水位标准组合确定桩抗拔力,该类桩为抗压兼抗拔桩。本工程外扩地下室范围的桩基抗拔承载力特征值为1 200kN,裙房范围的桩基抗拔承载力特征值为900kN,裙房范围的桩基抗拔承载力特征值取值降低后,桩身配筋量下降约25%。

　　 (4)外扩地下室下抗拔桩布置方案优化设计。外扩地下室抗拔桩一般有四种布置方案 ^[9,10]:柱下集中布桩,均匀布桩,板中布桩,柱下和板中布桩。基于筏板内力调平原则,本工程外扩地下室抗拔桩除两桩或三桩采用柱下集中布桩外,四桩及四桩以上抗拔桩采用板中布桩。

　　 由于建筑使用功能的需要,地下室不设永久性结构缝,地上三个结构单元共用一个大底盘地下室。上部结构覆盖范围地下室部分结构体系同上部结构体系,外扩地下室部分采用框架结构。

　　 上部结构有三个独立的结构单元,需要将地下室顶盖作为上部结构的嵌固部位。A单元和C单元地下1层和首层侧向刚度比不满足上海市《建筑抗震设计规程》(DGJ 08-9—2013)规定的不小于1.5的要求,需要采取如下措施加强地下室结构抗侧刚度:1)在适当范围增设混凝土内墙;2)取消不必要的结构开洞; 3)将地下室建筑门洞上方的连梁截面高度按层高-门洞高度取值。采取措施前后A单元地下1层和首层侧向刚度比对比见表4。通过表4可知,采取措施前地下室顶盖不满足作为上部结构嵌固部位条件,采取措施后地下室顶盖满足了作为上部结构嵌固部位条件。

　　 外扩地下室顶盖顶面结构标高为-1.200mm,首层楼盖结构标高为-0.050m,首层室内外顶盖错层高度为1.15m。绿化范围设置花池,花池种植土层厚度满足绿化主管部门不小于1.5m的要求。使得地下室顶盖室内外高差由1.45m减小为1.15m,有利于上部结构水平力的传递。

　　 (1)地上建筑通过设置两道防震缝(兼温度伸缩缝)形成三个结构单元,建筑形体及其构件布置的特别不规则程度得到较大改善,同时减小温度作用对超长结构的不利影响。

　　 (2)A单元和C单元长度较大,且在5层和13层竖向体型收进,在1～12层采用3个混凝土核心筒的平面布置方案,在13～17层采用两个混凝土核心筒的平面布置方案,以加强主楼结构抗扭刚度。

　　 (3)A单元和C单元均为超限高层建筑,针对平面和竖向特别不规则情况采取必要的抗震措施,确保超限高层建筑工程抗震安全性。

　　 (4)A单元和C单元办公区13m跨布置钢梁,在钢梁腹板开穿越设备管线的矩形洞口,以满足办公区建筑净高3.0m要求。由于洞口较大,采取变截面高度钢梁和对矩形洞口采取钢套管、加劲肋补强措施。

　　 (5)考虑场地地下水水位变化情况,利用一定的水浮力来抗压,仅高层主楼范围就可节省约25%的抗压桩,获得较好的经济效益。

　　 (6)抗浮设计时,由于外扩地下室下抗拔桩和裙房下抗拔桩受到的拔力不同,分别进行设计,优化裙房范围抗拔桩。同时,对外扩地下室下抗拔桩布置方案进行比较,优化筏板设计。