1.1 項目概況
上海世茂國際廣場項目位于上海市南京路步行街的入口，緊鄰西藏中路、貴州路和九江路。本項目主樓為五星級酒店，采用巨型鋼骨柱框架筒體結(jié)構(gòu)，共60層，結(jié)構(gòu)高度246m[1]。裙房為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，10層，結(jié)構(gòu)高度48m。裙房由商場和廣場兩部分組成，廣場部分在1~6層沒有樓板和結(jié)構(gòu)梁，在7，8層采用壓型鋼板組合梁，與商場部分的混凝土結(jié)構(gòu)連為整體。項目改造前后實景圖及主裙房平面示意圖詳見圖1~3。
主塔樓與裙房之間設(shè)置了防震縫，原設(shè)計采用40組黏滯阻尼器將主樓與裙房相連，解決了裙房偏心導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形突出的問題，起到減振弱連接作用[2-3]。黏滯阻尼器安裝在裙房7~10層(共40組)，速度指數(shù)α=0.15，阻尼系數(shù)C=610kN/(m/s)；額定阻尼力為50t。
圖1 改造前實景圖
圖2 改造后及施工實景圖
（a）主樓裙房相對關(guān)系示意圖
（b）裙房組成部分示意圖
圖3 主樓裙房平面示意圖
1.2 改建設(shè)計的需求變化
世茂國際廣場項目的主樓與裙房于2002年完成施工圖設(shè)計，2004年主樓結(jié)構(gòu)封頂。本項目于2017年進行改建，改建內(nèi)容僅涉及裙房。
1.2.1改建設(shè)計準則
改建后的裙房后續(xù)使用年限為40年，根據(jù)《建筑抗震鑒定標準》（GB 50023—2009）（簡稱抗規(guī)）、上海市工程建設(shè)規(guī)范《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固規(guī)程》（DGJ 08-81—2015）（簡稱15上?？挂?guī)）和本項目抗震鑒定報告，改建設(shè)計準則如表1所示。
改建結(jié)構(gòu)的構(gòu)件抗震驗算需額外考慮地震作用折減系數(shù)和體系影響系數(shù)。改建結(jié)構(gòu)在承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下應(yīng)符合式（1）要求：
S￡R （1）
式中：S為荷載或作用效應(yīng)；R為結(jié)構(gòu)抗力（S和R均需考慮表1中的體系影響系數(shù)）。
1.2.2地震作用的改變
原設(shè)計中裙房的地震作用是依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GBJ11—89）（簡稱89規(guī)范），改建設(shè)計中裙房的后續(xù)使用年限為40年，根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固規(guī)程》（DGJ 08-81—2015）的要求，改建結(jié)構(gòu)的地震作用應(yīng)依據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》（DGJ 08-9—2013）（簡稱13上海抗規(guī)）并考慮地震作用折減系數(shù)。
現(xiàn)將原設(shè)計與改建設(shè)計的地震影響系數(shù)曲線進行對比，如圖4所示。從加速度反應(yīng)譜上看，裙房結(jié)構(gòu)的第一自振周期基本上落在Tg~5Tg曲線下降段，在結(jié)構(gòu)阻尼比ξ為0.05的情況下，反應(yīng)譜下降段指數(shù)γ為0.9，地震影響系數(shù)的變化值取決于Tg的變化量。13上?？挂?guī)中場地特征周期TNg為0.9s，而在89規(guī)范中場地特征周期T0g為0.65s，新舊規(guī)范中地震影響系數(shù)的比值為：
（2）
因此，在新舊規(guī)范的更替下，13上海規(guī)范的地震作用比89規(guī)范的地震作用大約放大了1.34倍。當考慮地震作用折減系數(shù)（0.9）后，結(jié)構(gòu)改建后的地震作用比原設(shè)計的地震作用放大了1.21倍。
圖4 新舊規(guī)范地震影響系數(shù)曲線對比圖
1.2.3豎向荷載的改變
改建設(shè)計中，豎向荷載的改變主要包含兩個方面：1）建筑功能改變，引起樓面荷載改變；2）自動扶梯位置改變，引起樓板布置改變，如局部切斷框架梁和懸挑梁、新增樓板開洞等。豎向荷載的改變主要對樓蓋體系的布置和傳力方式有較大影響，樓蓋結(jié)構(gòu)的加固措施采用傳統(tǒng)加固方式。
2.1 加固設(shè)計思路
根據(jù)本項目的特點，針對地震作用及豎向荷載改變的不同需求，采取兩類加固方法：減震加固和傳統(tǒng)加固。
消能減震加固思路是通過減少建筑物的地震作用來減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而使結(jié)構(gòu)和構(gòu)件滿足水平承載力要求。這個方法似乎并沒有加固結(jié)構(gòu)，但實際上地震作用的減小就保證了結(jié)構(gòu)在地震下的安全性，間接地加固了結(jié)構(gòu)。本項目的消能減震措施是在相鄰結(jié)構(gòu)間設(shè)置黏滯阻尼器以及裙房內(nèi)部設(shè)置黏滯阻尼墻。改建設(shè)計出現(xiàn)的問題及解決方案詳見表2。
傳統(tǒng)抗震加固思路是增強結(jié)構(gòu)的承載力及抗震能力，是“硬”加固技術(shù)。本項目的傳統(tǒng)加固方法包括加大截面法、粘貼鋼板加固法，主要針對水平構(gòu)件。
2.2 消能減震措施
本改建項目的消能減震加固方法利用了原有主樓與裙房間的阻尼器發(fā)揮的耗能作用，但尚未達到預(yù)期的減震目標（即減震后的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)降低至原設(shè)計的地震響應(yīng)水平），因此，增加兩類阻尼器：圓筒黏滯阻尼器和黏滯阻尼墻，兩種阻尼器的參數(shù)詳見表3，4。
限于建筑立面的影響，相鄰結(jié)構(gòu)間可供設(shè)置阻尼器位置有限，因此，在裙房內(nèi)部增加黏滯阻尼墻。黏滯阻尼墻共10組，位于5~9層（每層2組）樓層位移較大的角部區(qū)域，平面布置詳見圖5，本項目黏滯阻尼墻現(xiàn)場安裝圖詳見圖6。
圖5 新增黏滯阻尼墻平面布置（5~9層）
圖6 新增黏滯阻尼墻現(xiàn)場安裝
本次改造將10層主樓與裙房之間的5組X方向圓筒黏滯阻尼器，由50t的噸位更換為75t的噸位（圖7），主要基于兩方面：1）地震作用下10層X方向裙房的絕對位移最大，將原有阻尼器更換為高性能阻尼器，耗能效果更好且拆卸安裝方便；2）將拆下的原有阻尼器進行性能檢測，其性能參數(shù)滿足設(shè)計要求后，原有阻尼器可在改建設(shè)計中繼續(xù)發(fā)揮減震耗能作用。因此，在本改建項目中，相鄰結(jié)構(gòu)間發(fā)揮耗能的圓筒黏滯阻尼器為35組50t原阻尼器和5組75t新阻尼器。
圖7 圓筒黏滯阻尼器10層平面布置圖
為了進行減震效果評價，本文采用ETABS軟件在整體模型（裙房單體+圓筒黏滯阻尼器連接+塔樓）中進行彈性時程分析。減震效果主要考察結(jié)構(gòu)的樓層剪力、樓層傾覆力矩及最大層間位移角。彈性時程分析地震波選用13上?？挂?guī)提供的七組地震波：SHW1~SHW7，其中SHW1，SHW2兩組為人工地震波，SHW3～SHW7五組為天然地震波。
3.1 樓層剪力
考察不同水準下阻尼器對裙房樓層剪力影響?？紤]阻尼器作用時，不同水準地震作用下裙房樓層剪力均有所減小，小震作用下樓層剪力減少幅度較大，中震和大震作用下樓層剪力減小幅度依次降低。
3.2 樓層傾覆力矩
考慮阻尼器作用時，不同水準地震作用下裙房樓層傾覆力矩均有所減小，小震作用下傾覆力矩減少幅度較大，中震和大震作用下傾覆力矩減小幅度依次降低。
3.3 最大層間位移角
考慮阻尼器作用時，不同水準地震作用下裙房最大層間位移角均有所減小，小震作用下最大層間位移角減少幅度較大，中震和大震作用下最大層間位移角減小幅度依次降低。
綜合以上分析，考慮阻尼器作用時，在不同水準地震作用下，裙房的樓層剪力、傾覆力矩、最大層間位移角均有所減小；小震、中震和大震作用下，樓層剪力、傾覆力矩及Y方向最大層間位移角減小幅度依次降低；X方向最大層間位移角減小幅度依次增加，說明阻尼器對裙房鋼框架部分的變形有明顯的減小效果，避免了大震下裙房鋼框架部分與主樓發(fā)生碰撞。
4.1 算法介紹
減震分析以彈性時程為基礎(chǔ)，而減震設(shè)計通常在反應(yīng)譜法中實現(xiàn)。目前較為方便的方法是先求出阻尼器的等效附加阻尼比，然后采用振型分解反應(yīng)譜法進行減震設(shè)計。
在阻尼器連接的相鄰結(jié)構(gòu)中，求解阻尼器附加給任一結(jié)構(gòu)的等效附加阻尼比是比較困難的。本文提出一種實用的方法來計算相鄰結(jié)構(gòu)等效附加阻尼比，步驟如下：
（1）首先，建立兩個模型：獨立目標模型和整體真實模型，如圖8所示。獨立目標模型僅包含T1塔樓，T1的阻尼比為其固有阻尼比和來自阻尼器的目標附加阻尼比之和。整體真實模型包含相鄰兩個結(jié)構(gòu)T1，T2塔樓以及連接的阻尼器，兩棟塔樓均采用各自的固有阻尼比。
（2）其次，對兩個模型分別進行彈性時程分析，得出時程波的樓層剪力，將兩個模型T1塔樓的剪力曲線繪制在同一張圖上。
（3）最后，通過逐次逼近法調(diào)整目標附加阻尼比，使得整體真實模型中T1塔樓樓層剪力曲線剛好包絡(luò)獨立目標模型中T1塔樓樓層剪力曲線。
圖8 相鄰結(jié)構(gòu)附加阻尼比算法模型
由逐次逼近法得到的目標附加阻尼比即可認為是連接相鄰結(jié)構(gòu)的阻尼器附加給T1塔樓的等效附加阻尼比。
在新建或改建項目設(shè)計中，通常相鄰結(jié)構(gòu)中任一結(jié)構(gòu)的抗震性能目標是預(yù)先設(shè)定的，目標附加阻尼比可根據(jù)預(yù)定的抗震目標在振型分解反應(yīng)譜法求出；然后，按目標附加阻尼比來優(yōu)化相鄰結(jié)構(gòu)阻尼器的參數(shù)和位置，使得整體真實模型中樓層剪力曲線剛好包絡(luò)獨立目標模型的樓層剪力曲線。進而可認為，連接相鄰結(jié)構(gòu)的阻尼器耗能作用能夠滿足相鄰結(jié)構(gòu)的任一結(jié)構(gòu)的抗震性能目標。
4.2 阻尼器等效附加阻尼比驗算
以本項目為例，裙房結(jié)構(gòu)的阻尼比增加到10%，即阻尼器的等效附加阻尼比達到5%，可將現(xiàn)有地震作用降低至原設(shè)計水平，以實現(xiàn)間接加固的目的。
為判斷改建結(jié)構(gòu)中所有阻尼器在多遇地震時程波作用下的等效附加阻尼比是否達到5%，建立兩個模型（圖9）。獨立目標模型：裙房單體(結(jié)構(gòu)阻尼設(shè)為10%)；整體真實模型：裙房和塔樓及其阻尼器(固有阻尼為5%)。
由圖10可知，按本文提出阻尼器設(shè)置方案，可以實現(xiàn)整體真實模型的各層剪力均比獨立目標模型小，且X方向整體真實模型的裙房樓層剪力剛好包絡(luò)獨立目標模型的裙房樓層剪力，即可認為改建結(jié)構(gòu)中所有阻尼器在多遇地震時程波作用下的等效附加阻尼比達到了5%，實現(xiàn)了間接加固的目的。因此，在結(jié)構(gòu)加固設(shè)計中，可以按結(jié)構(gòu)阻尼比為10%進行構(gòu)件校核計算。
圖9 建模示意圖
圖10 阻尼器等效附加阻尼比判斷
為方便設(shè)計，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行驗算時，采取如下原則：對于不與阻尼器直接相連的構(gòu)件，其內(nèi)力采用考慮阻尼器作用的等效附加阻尼比的反應(yīng)譜分析結(jié)果進行校核；對于與阻尼器直接相連的構(gòu)件，其內(nèi)力采用整體模型彈性時程分析的結(jié)果進行校核。
5.1 阻尼器的行程校核
圓筒黏滯阻尼器連接相鄰結(jié)構(gòu)，在地震作用下需要發(fā)揮耗能作用，必須保證阻尼器運行在最大行程以內(nèi)。阻尼器在中震下的行程最大值為89.03mm，在大震下的行程最大值為234.20mm。本項目圓筒黏滯阻尼器的活塞行程能達到±250mm，因此，阻尼器的工作行程在其正常工作范圍內(nèi)。
5.2 阻尼器相鄰構(gòu)件驗算
阻尼器的連接：與位移相關(guān)型或速度相關(guān)型消能器相連的預(yù)埋件、支撐和支墩、剪力墻及節(jié)點板的作用力取值應(yīng)為阻尼器在設(shè)計位移或設(shè)計速度下對應(yīng)阻尼力的1.2倍，并滿足《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(JGJ297—2013)的構(gòu)造要求。與新增阻尼器相關(guān)的框架柱見圖11。
圖11 新增圓筒黏滯阻尼器相關(guān)框架柱示意圖
阻尼器相鄰主結(jié)構(gòu)的驗算：
（1）與圓筒黏滯阻尼器相鄰的框架柱驗算：新增的5個75t圓筒黏滯阻尼器在中震作用下的最大阻尼力為595kN，將該阻尼力作為集中力作用于10層對應(yīng)框架柱的柱頂位置，與其他工況組合，結(jié)合框架柱的N-M相關(guān)曲線（圖12）對其偏心受壓按小震進行承載力驗算，均滿足設(shè)計要求。
圖12 框架柱KZ-4的N-M曲線及構(gòu)件驗算
（2）與黏滯阻尼墻相鄰的框架梁柱驗算：新增的10組黏滯阻尼墻在小震作用下的最大阻尼力為215kN，將該阻尼力作為集中荷載作用于在5~9層相應(yīng)的框架梁上，同時考慮單面阻尼墻1.5t的自重，與其他工況組合，按小震彈性進行驗算。
與黏滯阻尼墻相連的框架梁與其他框架梁相比，需額外考慮阻尼墻的自重，以及阻尼力作用于梁頂?shù)母郊訌澗?。在以上作用力下，框架梁的支座存在較大的正彎矩以及跨中存在較大的負彎矩。經(jīng)驗算，部分相關(guān)的框架梁配筋不足，需對框架梁采取加大截面法的加固措施。新增黏滯阻尼墻相關(guān)框架梁見圖13。
圖16 新增黏滯阻尼墻相關(guān)框架梁
上海世茂國際廣場裙房結(jié)構(gòu)改建設(shè)計，采用減震加固與傳統(tǒng)加固相結(jié)合的加固方法，對與阻尼器連接的相鄰結(jié)構(gòu)進行減震分析，并對加固設(shè)計方法進行論證，得出以下結(jié)論：
（1）本文通過更替部分主樓與裙房之間的阻尼器及在裙房內(nèi)新增黏滯阻尼墻的減震加固措施，將減震后的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)降低至原設(shè)計地震響應(yīng)水平，避免抗側(cè)力構(gòu)件的加固，降低了加固工程量及造價。
（2）通過減震分析，得出阻尼器對裙房的減震效果明顯：在不同水準地震作用，裙房的樓層剪力、傾覆力矩、最大層間位移角均有所減小，達到減震間接加固的效果。
（3）本文提出相鄰結(jié)構(gòu)減震加固目標測算法，通過獨立目標模型和整體真實模型的樓層剪力對比，測算阻尼器等效附加阻尼比，得到結(jié)構(gòu)的總阻尼比，在反應(yīng)譜法中進行構(gòu)件驗算及結(jié)構(gòu)加固設(shè)計，可為類似項目提供參考。
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