上海市马桥镇万达广场购物中心超限高层设计探讨

上海市马桥镇万达广场购物中心超限高层设计探讨

李华

上海联创设计集团股份有限公司 上海市杨浦区 邮编 200082

【摘要】马桥万达广场购物中心为7度区A级高度的装配整体式框架结构（预制率40%）。本工程结构存在中庭楼板开大洞，影厅竖向抗侧力构件不连续，扭转位移比超1.2。按上海市超限判别标准判定为：有三个一般不规则超限项，有一个特别不规则超限项，属于特别不规则超限高层建筑。利用YJK及PMSAP进行整体结构的小震弹性分析计算对比，取两种程序的包络结果进行构件设计；利用有限元分析楼板在温度、小震、中震情况下的应力；利用YJK进行弹性时程补充分析，确定结构的薄弱层；采用PKPM进行静力弹塑性分析（Pushover），确保结构大震不倒.

【关键词】马桥万达广场；超限高层结构；装配式建筑，PC+BIM

一、工程概况

本项目马桥万达广场，位于上海市闵行区马桥镇:购物中心为高层建筑，最大结构高度为25.95m.

地上建筑面积90003平方米，地下建筑面积44300平方米.地上主要柱网8.4X8.4m,主要平面尺寸为147X150m，超长结构不设缝.地下室共2层，地下一层主要功能为超市及停车库，地下二层主要功能为停车库，地下室埋深11.5米.地上5层，局部6层，是一个集购物、休闲、娱乐为一体的大型商业项目。

建筑效果图见图1

图1

二、结构主要设计参数

本工程设防烈度7度，基本地震加速度0.1g，设计地震分组第二组，场地类别Ⅳ类，地上部分及地下一层抗震等级一级，地下二层抗震等级二级。

三、结构体系与布置

3.1本工程采用装配整体式框架结构体系.

3.2本项目中庭周边大跨度、斜交梁、悬挑梁、加强区域不规则楼板、屋面楼板、卫生间、楼电梯间柱、电影院周边大吨位柱子、外围一圈柱子，因开洞形成的连桥薄弱部位，首层框架柱，均采用现浇。

3.3地上楼板采用钢筋混凝土叠合梁板与现浇梁板相结合。楼层板区域因建筑开大洞造成连接薄弱部位,楼板厚度加强，采用130mm厚现浇板，其他现浇及叠合楼板厚度均为120mm。

3.4地下室采用现浇钢筋砼梁板结构，地下室顶板采用180mm，地下一层楼面板厚100，人防区板厚250。

四、抗震超限情况及采取的相关措施

4.1超限情况小结

1、扭转不规则和偏心布置：扭转位移比大于1.2。

2、楼板局部不连续（有效楼板宽度偏窄）：部分楼板开洞较大，2层~屋面层有效宽度小于50%。

3、竖向抗侧力构件不连续：电影院局部有柱子转换。

结论：本工程有三个一般不规则超限项，有一个特别不规则超限项。属于特别不规则超限高层建筑。

4.2针对性的计算分析

1、采用YJK和PMSAP进行整体结构的小震弹性分析对比计算，相互校核，保证结构的各项指标满足规范对结构的要求，取两种程序的包络结果进行构件设计.2、补充楼板应力分析。针对凹凸不规则及楼板局部不连续，考虑楼板变形的影响，采用符合楼板平面内实际刚度变化的弹性板计算模型进行有限元分析。3、补充弹性时程分析，了解结构在地震时程下的响应过程，确定结构的薄弱层。4、静力弹塑性分析（Pushover），确保结构大震不倒。

4.3相应的措施

1、针对扭转不规则，采取下列措施：

⑴考虑双向地震作用下的扭转影响进行分析，考虑偶然偏心的单向地震作用计算，取不利的结果进行设计；⑵加强边梁及边柱的刚度及配筋，提高周边构件的抗剪、抗扭能力。（3）结构布置时注意使结构的质心和刚心比较接近，减少结构相对偏心距。（4）规范控制位移比的目的主要是防止结构出现较大的扭转反应，防止结构两端出现不均匀的结构变形而导致出现扭转破坏；周期比能直接反应结构抗扭刚度与抗侧刚度的比例关系，周期比小就意味着结构抗扭刚度强，周期比大就意味着结构抗扭刚度弱，故结构整体布置主要思维是增加抗扭刚度，适当减少抗侧刚度。为了从整体上防止结构抗扭刚度过小，适当减小位移比和周期比，本项目调整周期比控制不大于0.85，同时调整位移比尽量接近1.2.

2、针对楼板不连续，采取下列措施：

（1）提高楼盖的承载能力和整体刚度，保证水平地震作用较好的传递；加强连接薄弱部位(洞口附近)的楼板厚度,采用双层双向配筋,提高板的配筋率；同时连桥角部板面采用斜向钢筋加强，薄弱连桥处按中震复核，满足中震不屈服；连桥处大跨度梁柱采用型钢砼构件。（2）加强连接薄弱部位梁截面及配筋，特别注意增强其抗扭、抗拉能力（3）考虑在中、大震下结构较薄弱的连桥会先破坏，会对相邻竖向构件产生影响，故设计中考虑对连桥相邻竖向构件截面及配筋加强，同时降低此部分竖向构件的轴压比，以增强其延性和承载能力。（4）电影厅夹层板厚加强，配筋双层双向拉通。电影厅夹层梁腰筋，纵筋，通长钢筋均加强以增强抵抗拉力。电影厅柱按中震不屈服复核截面及配筋.（5）地库顶板室内外局部有高差，采取梁加腋的措施，保证水平力的传递，加腋坡度不大于1:2.错层处柱抗震等级提高一级，箍筋全高加密。

3、对梁上立柱等竖向抗侧力构件不连续，计算中定义转换梁，考虑内力增大系数。承受较大荷载的转换梁柱采用型钢砼构件，加强转换构件截面及配筋.

五、小震下YJK与PMSAP计算对比分析

表一：主要计算结果汇总

计算结果分析小结

（1） 采用SATWE和PMSAP两个软件得到的计算结果相近，总体信息指标差异在3%以内；

（2）两种计算软件输出的前三周期和振型是较为吻合的。结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比小于规范0.90的规定；

（3） 风荷载和地震作用下的楼层层间位移满足规范有关的规定限值；

（4） 结构扭转规则性验算显示各层扭转比均小于1.5，为一般扭转不规则；

六、弹性时程分析

时程分析按建筑场地类别和设计地震分组选用上海地区常用的1组人工模拟的加速度时程曲线和2组实际强震记录。所选3条时程波的加速度曲线与地震影响系数曲线吻合程度较好，3组时程波的平均地震影响系数曲线和振型分解反应谱法作用的地震影响系数曲线相比，在结构主要振型的周期点（T1=1.2198s，T2=1.1729s，T3=1.0872s)上的差值在20%以内，其平均加速度曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。所选3条波均采用双向输入，0°及90°分别计算。

规范谱和反应谱对比图如下：

由以上图表表明，本工程模型中，每条时程曲线计算所得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％，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80％，满足规范要求。3组时程波的平均地震影响系数曲线和振型分解反应谱法作用的地震影响系数曲线相比，在结构主要振型的周期点上相差在20%以内，3组时程波的平均地震影响系数曲线和振型分解反应谱法作用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。

表二：时程分析与反应谱计算结果比较分析

从上表可看出，弹性时程分析法补充计算结果与振型分解反应谱法计算结果基本一致，每条时程曲线计算的底部剪力不小于振型分解反应谱法计算的65%，平均值不小于振型分解反应谱法计算的80%，满足规范要求。

施工图设计时，根据反应谱和时程分析结构进行包络设计。

七、静力弹塑性分析（Pushover）

7.1 Pushover分析的目的

1.通过计算，了解结构具有的承载能力和变形能力，找到结构的能力曲线，与需求谱曲线比较，判断能否找到结构的性能点，从整体上满足设定的大震需求性能目标。

2.由结构的性能点，取得相应的结构最大层间位移角。判断罕遇地震下的层间位移角是否满足规范要求（框架1/50）。

3.由结构构件塑性铰的分布判断结构薄弱层所在。从而经过采取有效的措施使得结构在大震左右下有较大的非弹性变形，但控制在规定的范围内，达到大震不倒塌。

4.模拟结构地震反应在不断加大过程中，抗侧力构件破坏顺序是否和概念设计（强柱弱梁）相吻合。

7.2 Pushover分析的结果

7.2.1倒三角荷载模式下的计算结果

X向推覆下，能力谱和需求谱曲线

Y向推覆下，能力谱和需求谱曲线

X及Y向：从第10步开始有两根梁梁端出现了塑性铰，此后随着加载的继续进行，各层梁端出现塑性铰的范围逐渐扩大。在性能点处（第64加载步），结构发展到如下图所示：

7.3推覆计算结果小结

1.罕遇地震作用下，本工程层间位移角满足规范要求，且有较大富余。

满足“大震不倒”的抗震设防目标。

2.不断加载的过程中，部分梁先出现塑性铰或者屈服，随着梁塑性铰数量逐渐增多，部分框架柱出现塑性铰或者屈服。从以上破坏过程可以看出整个结构的塑性发展和损伤机制较为合理，破坏顺序满足强柱弱梁的概念设计。

八、小震、中震及温度作用下楼板应力分析

8.1小震作用下楼板弱连接部位应力分析

标准层在X向小震作用下楼板主应力sig-max(N/mm2) 标准层在Y向小震作用下楼板主应力sig-max(N/mm2)

8.2中震作用下楼板弱连接部位应力分析

标准层在X向中震作用下楼板主应力sig-max(N/mm2) 标准层在Y向中震作用下楼板主应力sig-max(N/mm2)

8.3温度作用下楼板弱连接部位应力分析

标准层在升温作用下楼板主应力sig-max(N/mm2) 标准层在降温作用下楼板主应力sig-max(N/mm2)

楼板应力分析小结

（1）小震下，楼板的最大拉应力均小于混凝土的抗拉强度标准值（C35,ftk=2.2MPa），楼板处于弹性状态。

（2）中震情况下，中震地震力比小震放大约2.875倍（0.23/0.08））,大部分板仍然处于弹性状态。部分薄弱楼板应力考虑由楼板钢筋承担，楼板钢筋的应力不超过钢筋的抗拉强度标准值，可以认为楼板处于弹性状态。对局部应力较大的地方，板厚及钢筋加强处理.

（3）在温度作用下，楼层板和屋面板大部分楼板产生拉压应力均较小，在洞口旁较窄连接板处以及楼板出现拐角处产生较大应力。

大部分楼板产生的拉应力和所有的楼板产生的压应力均在楼层混凝土承受的范围内，部分区域产生的拉应力超出了混凝土承受的范围，需要依靠板配筋来平衡受力，此部分区域楼板采用双层双向配筋，适当提高配筋率，在楼板凹角和凸角处设置斜筋和放射筋来平衡较大内力。

九、PC设计专篇

9.1 PC布置原则：标准柱跨，采用单向双次梁方案，以降低预制构件的复杂程度，提高预制构件数量及种类。

①.框架梁尽量居柱中布置，两个方向的框架梁采用不同梁高，便于钢筋排布，梁高差不小于100mm；

②.梁纵向钢筋尽量采用大直径，减少梁底钢筋的根数及排数；

③.为减少梁的预制种类，后期将对梁配筋进行归并；

④.梁底纵筋在满足结构受力计算及构造要求的前提下，尽可能设置一排钢筋且尽可能多的不伸入支座，以减少出筋过多，导致钢筋碰撞严重。

⑤.不需要设置抗扭腰筋的梁，不设置抗扭腰筋。

⑥.跨度、截面、受荷面积相同的梁，钢筋配置尽量归并一致。

9.2 PC实施方案

选取原则：

a国家和地方政策要求；

b满足装配指标要求；

c兼顾安全性、经济性、质量进度可控；

d兼顾预制构件厂目前的生产技术水平及现场安装、施工条件；

e根据《PC施工阶段平面图》复核塔吊吊装能力；

f尽量避免选择钢筋过多、连接设计构造复杂的构件进行预制；

g尽量把PC构件种类控制到最少，减少模具数量，提高模具重复利用率，减轻现场管理难度；

9.3复杂梁柱节点施工顺序

错误的吊装顺序会导致相邻构件碰撞而无法完成吊装，且PC梁柱接头处箍筋绑扎不同于现浇结构，先绑柱箍筋再穿主梁钢筋的施工顺序而是随PC构件吊装顺序穿插设置柱箍筋，所以需要PC设计增加吊装顺序图纸及

节点，并对施工人员进行讲解及培训，指导现场以正确顺序施工.

9.4质量控制：充分利用BIM三维优势进行施工前摸底，严把质量关。

本项目进行了BIM装配式一体化三维模型设计。通过BIM模型可清晰的查看各构件间的关系，提前发现了PC

构件与现浇构件间的碰撞，以及管线间的碰撞。

BIM模型发现的具体问题：

a.梁因建筑要求未居中，在现浇柱和预制梁节点处：预制梁钢筋和柱钢筋打架，柱钢筋没法升上来.

b. PC柱设计未考虑柱帽高度，PC柱留长了.

c.卫生间处梁顶标高下降400，因梁较高，现浇梁与预制柱碰撞。

十、基础设计

根据地勘资料（详勘），试桩结果及基础专家论证会的结论：本工程桩基采用D650钻孔灌注桩，基础采用桩基承台+防水板，主要防水板厚600mm；抗压桩，抗拔桩均采用D650钻孔灌注桩，有效桩长为37m；以7-1层砂质粉土作为桩端持力层。单桩竖向抗压承载力设计值1700KN，单桩竖向抗拔承载力设计值1450KN.

十一、专家审查意见

2019年8月7日，本工程进行抗震设防专项审查，审查专家一致认为本工程的抗震设计可达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防标准，能满足7度（0.1g）抗震设防要求。

专项审查的结论为通过。

专家提出具体审查意见如下：

1、上部结构平面为L型，应补充斜交抗侧力构件方向的地震作用计算。

2、构件设计应考虑楼梯刚度的影响，楼梯间构件抗震等级可按一级考虑。

3、楼板计算应考虑叠合板有效板厚，应加大洞口周边叠合楼板的现浇层厚度。

4、顶部影院结构应考虑地震力放大，放大系数不小于1.5，影院夹层楼板缺失严重，相关区域构件宜按分层及并层两种情况进行包络设计。

十二、结语

1、本工程属于特别不规则建筑。鉴于本工程的设防烈度、场地条件、房屋高度、不规则的部位和程度以及经济性等方面的综合考虑，本工程结构抗震设计采取了与建筑物本身相匹配的较为合理的抗震措施。

经多遇地震下的振型分解反应谱法的计算分析，结果表明结构的周期、振型、位移指标、刚度、内力等均满足规范要求。采用的两种不同程序的计算结果基本一致，其变化规律、形态均基本相同。

补充了弹性时程分析，每条时程曲线产生的结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足规范的规定。弹性时程分析结果显示结构的反应特征、变化规律与前述振型分解反应谱法分析基本一致。

进行了静力弹塑性PUSHOVER分析，结果表明在罕遇地震作用下，层间位移角仍满足规范要求，且有较大富余。结构较好的控制塑性铰的出现位置和顺序，具有良好的延性耗能性能。

通过有限元方式计算了大开洞处楼板应力，楼板在中震作用下大部分区域处于弹性状态，局部应力较高处采用双层双向配筋进行加强。

在结构设计中针对结构平立面的不规则情况，对结构的薄弱处采取了相应的加强措施，从而减少了体型不规则带来的不利影响。

综上所述，本工程结构设计合理，且具有良好的抗震性能，安全可行。

2、装配式建筑设计时应提前考虑PC模数化和标准化，以及PC安装精细化，尽量减少模具种类以降低成本。

装配式建筑的设计协同也非常重要，装配式建筑对遗漏和错误不宽容，设计一旦提交构件厂大量排产，事后如发现问题再提出修改，很难补救，势必造成重大经济损失。

3、BIM与PC的有效结合，可以在实际建造前统筹考虑设计、制造、安装的各种要求，把实际制造、安装过程中可能产生的问题提前暴露，提前解决。