闸北广场城市更新项目结构分析及设计

施骏 何静丰

0 引言

本工程位于上海市静安区，基地为闸北广场一期二期及汇贡大厦现址。总建筑面积100 255m，其中地上76 465m，地下23 790m。本项目由高层塔楼及多层裙房组成，塔楼主要功能为办公，裙房为商业。塔楼和裙房间设置抗震缝分为2 个结构单元。塔楼地上36 层，建筑总高度为179.6m，项目效果图如图1 所示。

图1 建筑效果图

地下室整体不设缝，共3 层，主要功能为地下停车库及设备用房。地下室顶板为塔楼裙房共同嵌固端，地下一层层高6.9m，地下二、三层层高3.9m。

结构设计使用期50 年，安全等级二级，基础设计等级甲级。抗震设防烈度7 度，设防类别丙类，场地特征周期0.90s。50 年基本风压0.55kN/m，地面粗糙度类别C 类，风荷载由风洞试验确定。

1 地基基础设计

1.1 地基场地条件

本场地内原闸北广场一期工程有2 层地下室需拆除，场地内分布大量老建筑桩，原闸北广场二期工程原围护结构已完成，桩基施工完成后停工，现保留原有工程桩，对其进行利用。

1.2 基础设计难点及解决思路

原一期工程桩已使用20 年，直径600mm，桩长26m，桩顶绝对标高约-6.0m（吴淞高程），原工程桩配筋长度约10m，主要分布在新建塔楼及纯地库范围，利用原工程桩存在以下问题：

（1）新建后桩顶标高约比老桩低7.5m，截桩后配筋长度仅2.5m，接近素混凝土桩，不满足构造及抗水平力要求；

（2）原桩设计使用年限50 年，已使用20 年，与新建50年使用期有较大差距；

（3）单桩承载力偏小，截桩后单桩承载力约1000kN，不能满足桩基承载力要求。由于老桩无法利用，拟采用“见缝插针”方式在老桩间隙布桩，可布的桩位可能不在最合理位置，桩的利用效率有一定折减，为了最大程度减小老桩对新桩布置的影响，桩直径600mm 与老桩一致，在布桩过程中根据老桩的位置调整桩位。

原二期工程桩于2007 年施工，桩基施工完后项目停止，抗拔桩直径600mm，主要分布在新建建筑裙房及纯地库范围，原600mm 直径抗拔桩可用作裙房、纯地库抗拔桩使用。

1.3 基础选型

塔楼基础采用桩筏基础，塔楼范围现存间距1800mm 密布老桩，布桩需避开老桩，考虑尽大可能减小塔楼范围布桩受老桩的影响，桩直径与老桩一致，桩间距与老桩匹配，在老桩的中心位置布桩，新老桩净距基本控制在500mm 以上。桩型均采用钻孔灌注桩，桩直径600mm，桩长48m，持力层为⑧2 层，桩端桩侧联合注浆。桩身混凝土设计强度C40，单桩承载力特征值3600kN。塔楼范围为满足冲切及抗剪切要求基础底板厚度为2800mm，基础混凝土设计强度C40。

裙房及纯地下室采用桩筏基础，桩型均采用钻孔灌注桩，桩直径600mm，桩长22m，持力层为⑦2 层，为保证原抗拔桩安全、可靠的符合本工程设计要求，对其进行检测。裙房抗拔承载力750kN。裙房及地库底板厚1000mm（部分柱下为满足冲切要求局部加厚），基础混凝土设计强度C35。

2 结构体系

综合考虑预制率、现场吊装便利性、施工周期等综合经济性，结构体系选用混合结构。

塔楼平面尺寸为48.6m× 40.1m，核心筒平面26.7m×12.4m，塔楼由36 层塔楼与外扩3 层小裙房组成，底部3 层层高6.0m，标准层层高4.5m，避难层层高4.5m。

结构体系采用混合结构，核心筒混凝土，外框型钢混凝土柱，抗震等级一级。标准层建筑平面尺寸48.6m× 40.1m，核心筒平面26.7m ×12.4m，外框柱间距11.4～12.0m，外框柱与核心筒间距离9.7～12.7m，建筑高宽比约4.5，核心筒高宽比约14.5。

核心筒全部为钢筋混凝土现浇，框架由型钢混凝土柱和钢梁组成，框架柱共14 个，沿外周均匀分布。由于核心筒高宽比较大，为满足结构抗侧刚度，连接外框柱与核心筒的钢梁与核心筒刚接。

核心筒外墙厚度底部700mm，自下而上渐收为500mm厚，核心筒内墙200～300mm 厚。外框柱底部截面1200mm×1200mm，上部渐收至800mm×1200mm，柱型钢含钢率6%～8%，墙柱主要布置如图2 所示。

图2 墙柱主要布置图

标准层外周钢梁截面H850mm×500mm×16m×36mm；连接外框柱与核心筒主钢梁截面H700mm×400mm×16mm×36mm，与核心筒采用刚性连接，连接位置核心筒外墙内设置型钢；楼面采用压型钢板组合楼板体系，楼板厚度120mm，楼面钢次梁按组合梁设计，楼面钢次梁截面H500mm×200mm×9mm×14mm，梁端铰接。标准层结构布置如图3 所示。

图3 标准层结构布置图

3 结构计算分析

3.1 多遇地震作用下结构分析

多遇地震作用下结构分析使用SATWE、MIDAS 校核分析结果，通过两个软件的结构质量、周期、层间位移角、楼层剪力等指标对比，可以看出两个软件结果比较接近。层间位移角均小于1/728（塔楼结构高度166.5m，高度在150m～250m之间，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.7.3 条，层间位移角限值按插值计算为1/728。），满足规范要求。

大部分楼层型钢混凝土框架承担的楼层剪力超过底层剪力的10%，仅二层（X 向8.4%，Y 向6.0%）、三层（X 向9.6%，Y 向8.8%）及顶部4 个楼层在5%～10%范围，核心筒承担了绝大部分的层剪力，满足规范控制要求。

框架承担的层剪力小于底层剪力20%的楼层，采用剪力调整，以达到0.2Q 和1.5Vmax 的较小值。

结构设分析补充了弹性时程分析，和反应谱结果对比，对反应谱结果校核修正，保证结构安全和高阶振动结构影响的充分体现。时程分析设计选用了5 组天然波和2 组人工时波，每组地震波计算2 个方向，主方向峰值加速度取35 cm/s，次方向加速度最大值取主方向峰值的85%。在波形的选择上，考虑了有效持续时间、频谱特性、峰值折算等多方面要求。从时程分析与反应谱结果对比看，X 向基底剪力时程平均值为反应谱的82%，Y 向基底剪力时程平均值为反应谱的90%。时程分析楼层剪力平均值未超过CQC 结果对应楼层的剪力，振型分析反应谱法计算结果可包络时程分析计算结果。时程分析结果显示，选用的波是合理有效的，反应谱结果偏安全，适用于结构指标评估与配筋。

3.2 罕遇地震下的弹塑性时程分析

文献[2]第3.7.4 条规定：“房屋高度大于150m 结构，应验算罕遇地震下弹塑性变形”。对于框架核心筒结构，层间弹塑性位移角限值为1/100。

采用PKPM 软件进行结构弹塑性时程分析，地震波采用的《上海市建筑抗震设计规程》（DGJ08-9-2013）附录大震的1 组人工波（SH9）及2 组天然波（SH10、SH14）。峰值加速度按罕遇地震主方向200cm/s、次方向170cm/s调整。

通过罕遇地震下的弹塑性时程分析，结构抗震性能评述如下：

（1）计入了重力二阶效应及大变形，X 向结构最大顶点位移为1.07m、Y 向结构最大顶点位移为1.37m，结构满足大震不倒的设防要求。

（2）结构最大弹塑性层间位移角X 向为1/138、Y 向为1/109，分别在第16 层和15 层，满足不大于1/100 的规范限值要求。

（3）X 向底层剪重比为5.8%～7.8%，与小震CQC 比值为3.01～4.02；Y 向首层剪重比为6.2%～8.6%，与小震CQC比值为3.25～4.52。

3.3 风荷载分析

本工程风荷载由风洞试验及风致响应分析并结合规范风荷载确定。

风洞试验考虑两种工况：一是不考虑周围建筑（单体建筑）；二是考虑了周边建筑影响（群体建筑）。试验以15°风向角为间隔，共进行了24 个风向角的测试。通过规范风荷载和试验风荷载对比，底部与上半部风荷载规范值大于试验值，中下部风荷载规范值略小于试验值，规范风荷载和试验风荷载对比图见图4。总体来看，除顶部几层规范风荷载与试验值差异较大，规范风荷载与实验风荷载较接近。

图4 规范风荷载和试验风荷载对比图

因为上部风荷载对结构的影响较显著，从结构响应看，规范风荷载的楼层剪力、弯矩均大于实验值。规范风荷载与试验风荷载差别不显著，规范风荷载的结构响应基本可包络试验风荷载，总体设计阶段采用规范风荷载进行设计是安全的，在施工图设计阶段，结构承载力设计时采用规范风荷载与试验风荷载包络设计。

3.4 楼板应力分析

塔楼在2 层、3 层楼面大堂上空位置楼板大面积缺失。采用MIDAS gen 对楼板进行精细有限元分析。楼板采用膜单元，计算平面内实际刚度。地震作用下开洞楼层楼板轴向应力分布情况。经计算分析，在水平力作用下，楼板内应力很小，除个别应力集中位置外，楼板应力在0.2MPa 以下，小于混凝土抗拉强度设计值，个别应力集中区域应力最大值1.7MPa，小于混凝土抗拉强度标准值。

4 结论

闸北广场城市更新项目为原地拆建的超高层建筑，通过对该结构进行抗震、抗风等相关计算分析，得出以下结论：

（1）城市更新设计中，场地密布无法利用的老桩，不必采用成本高的拔桩清障碍，老桩间隙“见缝插针”的布桩方式，在充分提高单桩承载力的前提下，保留大量障碍物同样适用于软土地基的超高层建筑。

（2）型钢混凝土框架+混凝土核心筒结构体系比较成熟，可以在核心筒宽高比较大的情况下，通过节点加强以满足抗风、抗震多道设防要求，整体装配率高，可满足上海地区高装配率要求。