摘 要：本文详细地介绍了上海某局部不规则高层装配式结构设计。针对本工程局部楼板不连续、扭转不规则、局部穿层柱等结构不规则问题，运用ETABS和YJK两种程序对该结构整体抗震性能进行分析比较，并针对局部薄弱层楼板，穿层柱等进行局部分析，使结构布置满足抗震设防的要求；同时由于结构不规则以及上海市装配式政策等因素，本单体上部标准层单体预制率接近60%，本文论述了高预制率装配式结构平面拆分与设计注意问题，可为类似工程设计提供有益的参考。
关键词：局部不规则；装配整体式框架；穿层柱；高预制率；不规则柱网
1、高层办公楼工程概况
本项目位于上海市杨浦区，为办公及配套用房建筑，整个项目占地面积约1.6万m2，容积率2.5。该项目地下设一整体二层地下车库；地上共6栋单体，其中1#~4#楼为4~5层办公及公共服务配套用房， 5#、6#楼为13层高层办公楼，各单体均以地下室顶板作为结构嵌固端。本项目设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，场地类别为上海Ⅳ类，场地设计特征周期为0.90s，抗震设防分类为丙类。拟建场地为不液化场地，属抗震一般地段。
本文主要介绍了6#楼结构设计。6#楼地上总建筑面积为1.33万m2，地下两层（层高分别为3.8m，5.6m），地上13层（层高均为4.5米），建筑总高度58.5m。建筑平面尺寸为30.2m×30.2m矩形，内部核心筒尺寸为14.6m×14.7m，为框架核心筒结构。因本单体房屋高度小于60m，设计时按装配整体式框架-现浇剪力墙结构进行设计（单体预制率为40%）。6#楼整体模型如图1所示。
图1：6#楼 ETABS计算模型
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2、高层办公楼不规则性分析
6#楼为装配整体式框架-现浇剪力墙结构，根据《JGJ1-2014》表6.1.3，框架抗震等级为三级、剪力墙抗震等级为二级。本单体竖向规则，根据功能要求，该楼底部大堂局部两层通高，二层部分楼板缺失，开洞面积占二层总面积的47.7%。如图2所示。
根据“沪建管[2015]954号文”，对6#楼进行不规则判断：
1）扭转不规则：在考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下的扭转位移比大于1.2（为一小超）；
2）平面凹凸不规则：标准层平面无凹凸情况。
3）楼板局部不连续：二层结构平面有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，形成部分穿层柱（为一小超）。
4）侧向刚度不规则判断;根据YJK整体计算结果，按等效剪切刚度进行计算，每个楼层的侧向刚度均不小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。侧向刚度满足规范的要求。
5）竖向抗侧力构件不连续的判断
本工程上下墙、柱、支撑无不连续的情况，符合规范要求。
6）.承载力突变的判断
根据YJK整体计算结果， 6#楼下层与上层承载力之比的最小值为0.96大于0.80，均满足规范的要求。
7）复杂结构的判断
本工程非复杂高层建筑。
综上所述，6#楼有两项一般不规则，属于一般不规则高层建筑，仅针对建筑不规则和结构薄弱层部位采取相应加强措施。
（a）二层结构平面布置图 （b）标准层结构平面布置图
图2：6号楼结构平面布置图
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3、局部不规则高层办公楼分析及结果
3.1 结构整体分析及结果
6#楼取地下室顶板作为上部结构的嵌固端。从结构整体计算结果可以看出，地下室刚度（范围见下图）与上一层结构刚度的比值大于1.5（根据《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013），满足嵌固端要求。地下室顶楼盖采用梁板结构，地下室顶板主楼范围内厚180mm，主楼范围外地下室顶板厚250mm，单体地下室顶板与地下车库顶板高差错层处应采取相应的措施确保水平地震力的传递。确保地下室顶部对上部结构的嵌固作用。如图3所示：
表1 6#楼控制性指标汇总
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设计采用YJK和ETABS两个软件进行了整理计算分析，并补充了弹性时程分析与静力弹塑性分析。以地下室顶板为上部结构的嵌固端，采用了扭转藕联的振型分解反应谱法，考虑了单向地震作用下5%的偶然偏心影响，考虑双向地震作用的扭转效应。对比两个程序的计算结果，在总体指标上的趋势基本一致。前两个振型为平动、第三振型为扭转，且以扭转为主的周期与以第一平动为主的周期比小于0.9；楼层的最大弹性层间位移角小于1/800；在规定水平力作用下的楼层最大扭转位移比大于1.2小于1.4；底部剪重比均大于1.6；地震作用的振型质量参与系数均大于90%。以上结果表明，6#楼结构体系的选择、结构构件的布置基本适合，基本满足抗震设防的要求。
3.2薄弱层楼板分析
6#楼局部局部楼板不连续楼层处板的设防标准为小震混凝土核心层不裂，中震满足承载力极限状态设计。小震和中震设防，设计值按弹性分析及荷载组合公式确定。
3.2.1小震抗裂验算
小震不裂的具体标准是混凝土核心层不发生竖向裂缝。即，由地震作用效应组合下产生的板中曲面上主拉应力标准值不大于楼板混凝土轴心抗拉强度标准值，。
小震作用效应标准组合公式：
（1）
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图4给出X方向地震作用组合下二层楼板两个方向中曲面上的应力分布云图，除局部支座处发生应力集中外，其余应力均小于0.7Mpa，按抗裂公式，
（2）
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(a) X方向单元正应力（Mpa） (b) Y方向单元正应力（Mpa）
图4：X方向地震作用组合下二层楼板两个方向单元正应力
由此可见，X方向小震作用效应组合下楼板最大主拉应力小于混凝土轴心抗拉强度标准值，满足小震不裂的要求。经计算，Y方向地震作用组合下也满足小震不裂的要求。
3.2.2中震设防
中震弹性的具体标准是按照高规第5.6节表5.6.4的有地震作用分项系数进行荷载效应组合时，中震主拉应力设计值不大于混凝土楼板钢筋的屈服应力。
中震作用效应组合公式，
（3）
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式中 是中震放大系数。
按板的夹心单元模型，板内弯矩和钢筋层中的应力之间有以下的关系式：
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（4）
式中，分别为钢筋层和混凝土核心层的厚度，为钢筋层的应力。
中震承载力设计
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（5）
图5给出X方向中震作用组合下二层楼板X方向内力和内力矩分布云图，
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(a)X方向单元内力矩（N.mm/mm） (b)X方向单元内力（N /mm）
图5：X方向中震作用组合下二层楼板单元内力
根据图5控制点内力，由式（4）得出钢筋层应力值为：
（6）
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已知二层楼板设计板厚为130mm，配筋为双层双向。由式（5）验算：
（7）
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满足中震承载力极限状态设计满足要求。以此类推，Y方向中震承载力极限状态设计也满足要求。
3.3、穿层柱分析
为满足建筑大空间的需求，结构二层楼板开洞，造成部分柱子周边无楼层梁，柱子长度变长，通常称为跃层柱。跃层结构属于竖向不规则结构，结构的抗侧刚度发生突变。
楼层剪力的调整：在一定的条件下，地震力按刚度分配，但跃层柱侧向刚度较正常框架柱刚度小，分担的地震作用就小了。在大震作用下，如果同层其他框架柱开始进入塑形后，地震力将向处于弹性状态的跃层柱转移，形成逐个破坏的局面。跃层柱的除了用etabs复核计算之外，按中震弹性复核跃层柱的抗剪承载力。
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图6：穿层柱配筋 图7：穿层柱的PM曲线
通过etabs中实现构件截面PM曲线的分析方法，截面PM曲线是反应轴力与截面屈服弯矩之间的曲线关系，即在变化的轴力P作用下得到截面的屈服弯矩为M，由上图可以看出，穿层柱在中震作用下实际受力的PM曲线都在穿层柱PM性能曲线范围内，即穿层柱在中震作用下满足弹性要求。
4、结构分析结果与主要加强措施
针对上部结构不规则情况采取的对策及主要措施主要包括：
（1）对6#楼2、3层楼板进行弹性板模型的应力分析，适当加厚楼板，保证楼板小震不裂，中震弹性；
（2）穿层柱抗震性能满足中震弹性。
（3）钢筋混凝土框架抗震等级提高一级为二级，剪力墙抗震等级取二级，地下1层及相关范围抗震等级同上一层，地下2层抗震等级降低一级。
（4）本工程地下室顶板作为上部结构的嵌固端，首层构造措施均应符合规范中有关嵌固端的各项措施。应对高差处水平框架梁梁端等采取竖向腋角的措施，加腋坡度不大于1:2，保证水平地震力的可靠传递。地下室偏心率较大，应适当增设剪力墙，减小偏心率。
5、装配式设计
根据土地出让条件，本项目全部单体都应采用装配式建筑设计，单体预制率不小于40%或单体装配率不小于60%。
5.1 由于6#楼属于局部不规则高层，本单体装配式设计存在以下问题：
1）、标准层预制率较高：（1）、本单体结构形式为装配整体式框架-现浇剪力墙结构，为了保证结构整体的抗震性能，一般建议剪力墙采用现浇结构；（2）、二层楼板缺失较多，为了增加楼板的整体性，二、三层结构采用现浇结构。根据以上原则，本单体装配式构件拆分范围为4层~屋面层核心筒外围框架部分。依据上海市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则（沪建建材[2016]601号文），要实现单体40%的预制率，势必标准层预制率要达到60%~70%。
2）、由于受地下车库排布的影响，塔楼柱网不规则，梁柱斜交，由于单体预制率较高，各类预制构件连接节点种类较多，在保证结构安全的前提下如何在预制构件安装过程中避免构件以及钢筋碰撞，使装配式构件顺利施工是本工程的另一个难点。
3）、由于外围框架柱受力较大，配筋值较大，如何避免灌浆套筒密集导致截面削弱。
5.2 为了解决上述装配式设计过程中存在的问题，本项目采用了如下解决方法：
1）、为了满足单体预制率达到40%，本单体预制构件拆分范围包含预制柱，预制（主、次）梁、预制叠合板、预制悬挑板、预制楼梯，预制女儿墙等六大类。预制构件布置图如图8所示。
2）、由于柱网不规则，梁柱斜交较多。装配式构件连接节点主要有梁柱连接、梁墙连接、主次梁连接，女儿墙连接，悬挑板连接，叠合板连接（叠合板与预制梁连接，叠合板与叠合板拼接等），楼梯板连接连接节点等。本项目装配式设计中采用了如下措施：（1）、构件拆分平面图及深化图中补充构件安装顺序标记，避免预制主梁伸出钢筋在框架柱内碰撞的问题；（2）、核心筒剪力墙现浇暗柱纵筋须在结构施工图中精确定位，以免与预制梁底筋相冲突；（3）、本项目斜向梁较多，叠合板出筋与梁箍筋有一定角度，需要在深化详图完成之后把预制构件配筋详图组合在同一张图中，检查钢筋碰撞问题；（4）、设计图纸完成之后，补充BIM校核环节，最后完善图纸交付给业主方。
3）、通常预制柱灌浆孔都会放置在同一侧面内，方便灌浆施工，由于灌（出）浆孔为PVC材料导管，对截面削弱较大。本项目设计时灌（出）浆孔一般不知在预制柱两侧面，灌浆孔密集削弱截面影响结构安全。
通过以上技术方面的管控，以及有效的施工管控措施，本项目装配式部分已顺利通过竣工验收。
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图8：6#楼预制构件标准层布置图
6、结束语
上海市装配式建筑发展在全国处于领先地位，单体预制率和装配率都较高，但大多数为装配整体式剪力墙结构的住宅项目，针对装配整体式框架-现浇剪力墙结构的公建项目经验较少，特别是存在多项不规则的装配式项目。本文介绍了某不规则高层办公楼装配式结构的抗震分析以及加强措施，同时总结了装配式结构平面拆分与设计注意问题，为类似工程设计提供有益参考。
参考文献：
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