深圳生命保險(xiǎn)大廈超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

劉小秋

摘要：深圳生命保險(xiǎn)大廈高199.5m，為框架一鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)（型銅加強(qiáng)）。針對(duì)工程的特點(diǎn)，重點(diǎn)探討了結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度、抗震設(shè)防性能目標(biāo)、計(jì)算分析等。通過(guò)多種計(jì)算方法研究結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)層高相對(duì)懸殊較大出現(xiàn)的薄弱部位進(jìn)行了研究，并采取針對(duì)性的措施進(jìn)行抗震加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：超高層寫(xiě)字樓；框架一核心筒結(jié)構(gòu)；無(wú)加強(qiáng)層

中圖分類號(hào)：TU973.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3024（2017）08-0239-02

1.地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告中振型譜的應(yīng)用

地震安全性評(píng)價(jià)是根據(jù)對(duì)建設(shè)工程場(chǎng)址和場(chǎng)址周圍地震安全性評(píng)價(jià)的地震與地震地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查、場(chǎng)地震工程地質(zhì)條件勘測(cè)，通過(guò)地震地質(zhì)、地球物理、地震工程等多學(xué)科資料的綜合評(píng)價(jià)和分析計(jì)算，按照工程類型、性質(zhì)、重要性，科學(xué)合理地給出與工程抗震設(shè)防要求相應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)，以及場(chǎng)址的地震地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)結(jié)果。地震安全性評(píng)價(jià)工作的主要內(nèi)容包括：工程場(chǎng)地和場(chǎng)地周圍區(qū)域的地震活動(dòng)環(huán)境評(píng)價(jià)、地震地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)、斷裂活動(dòng)性鑒定、地震危險(xiǎn)性分析、設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)確定、地震地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)等。

根據(jù)國(guó)務(wù)院令第323號(hào)需對(duì)國(guó)家及地方的重大工程等進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià)。通常情況下，超高層屬于超限結(jié)構(gòu)，均需在初步設(shè)計(jì)前進(jìn)行場(chǎng)地的地震安全性評(píng)價(jià)。有關(guān)部門依據(jù)《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》GBl7741-2005的要求向設(shè)計(jì)單位提供地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告。其中較為重要的是場(chǎng)地的振型譜即“安評(píng)譜”及設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)。安評(píng)譜的正確使用是準(zhǔn)確進(jìn)行地震作用內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值確定的前提，而設(shè)計(jì)人員常常只重視設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)列表而忽視報(bào)告中提供的安評(píng)譜曲線。設(shè)計(jì)實(shí)踐中常常應(yīng)用安評(píng)譜的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)對(duì)規(guī)范譜進(jìn)行調(diào)整后輸入計(jì)算程序確定地震內(nèi)力，這種做法是不妥的。

2.結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐值囊粋€(gè)重要影響因素

結(jié)構(gòu)縫（伸縮縫、沉降縫、防震縫）的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)平面和豎向的布置情況、地基情況、基礎(chǔ)類型、結(jié)構(gòu)剛度及抗震要求和荷載作用的差異等條件綜合考慮，通常情況下，應(yīng)調(diào)整建筑平面尺寸和結(jié)構(gòu)布置，采取必要的構(gòu)造和施工措施，能不設(shè)縫就不設(shè)縫，能少設(shè)縫就少設(shè)縫。設(shè)計(jì)實(shí)踐中，超高層建筑與裙房間通常形成一個(gè)整體，以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度、位移角等均會(huì)產(chǎn)生有利影響。但同時(shí)，有一個(gè)重要的影響因素易被忽略，即結(jié)構(gòu)單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù)。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223--2008中6.0.11條文規(guī)定，高層建筑中，當(dāng)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù)超過(guò)8000人時(shí)，抗震設(shè)防類別宜劃為重點(diǎn)設(shè)防類。

超高層建筑因其結(jié)構(gòu)的重要性，宜偏嚴(yán)控制。當(dāng)主樓與大面積裙房相連，且主樓高度較高，主要使用能為住宅時(shí)，結(jié)構(gòu)單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù)容易突破8000人，因此建議設(shè)計(jì)人員在主裙間是否設(shè)縫問(wèn)題上，應(yīng)該對(duì)這個(gè)重要因素加以重視。

3.簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)中框架部分承擔(dān)的地震剪力比例

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中第9.1.11條規(guī)定，簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)中框架部分分配的樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最大值不宜小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%。當(dāng)不滿足時(shí)，規(guī)范也提供了一個(gè)調(diào)整方法：各層框架部分承擔(dān)的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)增大到結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的15%；與此同時(shí)，各層核心筒墻體的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值宜乘以增大系數(shù)1.1，但不可大于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值，墻體的抗震構(gòu)造措施應(yīng)按抗震等級(jí)提高一級(jí)后采用，已為特一級(jí)的可不再提高。有加強(qiáng)層時(shí)，框架部分剪力的統(tǒng)計(jì)不包括加強(qiáng)層及其上、下層。這款規(guī)范條文體現(xiàn)了抗震多道防線的設(shè)計(jì)理念，即框架作為第二道設(shè)防防線相對(duì)于第一道防線的核心筒不能太弱。如果框架部分太弱，則需對(duì)第一道防線加以更為嚴(yán)格的措施要求。

規(guī)范提供了各層框架部分地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值最大值小于總剪力標(biāo)準(zhǔn)值10%時(shí)的應(yīng)對(duì)措施，在一般高層建筑設(shè)計(jì)中是適用的，但在超高層設(shè)計(jì)實(shí)踐中，由于地震作用程度較高，核心筒大面積開(kāi)裂剛度下降時(shí)，框架部分會(huì)承擔(dān)過(guò)大的地震作用，可能會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的重大損失。因此在多項(xiàng)工程的超限審查過(guò)程中，均要求筒體結(jié)構(gòu)中各層框架部分的最大地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值必須滿足底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%。若在某些特殊情況下，確不能滿足時(shí)，框架的承擔(dān)比例可略小于10%，且必須針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件提出較高的性能目標(biāo)，不能簡(jiǎn)單的按照規(guī)范條文執(zhí)行。

4.工程概況與結(jié)構(gòu)體系

該項(xiàng)目建設(shè)用地位于深圳市中心區(qū)，金田路與福中一路交匯處的東南角。北面是地鐵大廈，東面是天健花園，西南向是深圳市市民中心，西北向是青少年宮。該工程為一商業(yè).辦公一體綜合高層建筑。地下4層，地上44層，其中裙房5層，首層層高15.6米，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.15米，建筑總高度199.5米，16層及32層為建筑避難層，1～3層為商業(yè)，其余均為辦公樓層。結(jié)構(gòu)體系為框架一核心筒結(jié)構(gòu)，主樓底部17層以下框架柱為型鋼混凝土柱，各層樓面及屋面均采用鋼筋混凝土梁板體系。

5.結(jié)構(gòu)超限與設(shè)計(jì)方法

本工程超限情況：結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高199.5米，高于框筒結(jié)構(gòu)最高180米的B級(jí)高度限值，為超B級(jí)高度建筑，另底部裙房部分樓層扭轉(zhuǎn)1類不規(guī)則。

場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)：本工程建筑的抗震設(shè)防分類為丙類。地震作用與抗震措施均按7度設(shè)防要求，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，地震分組為第一組。根據(jù)廣東省工程防震研究院提供的本工程的安平報(bào)告文件，本工程場(chǎng)地類別為1～2類，屬于中軟一中硬場(chǎng)地土。

針對(duì)結(jié)構(gòu)超限，通過(guò)對(duì)建筑抗震性能設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)評(píng)估和本著“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)原則，分別按小震，中震，大震進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

抗震設(shè)計(jì)要求及性能目標(biāo)：小震下基本結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性，保證小震下充分運(yùn)行；在設(shè)防烈度地震作用下，由于核心筒是結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，在中震作用下，底部加強(qiáng)區(qū)核心筒處于彈性，非底部加強(qiáng)區(qū)核心筒不屈服，框架柱不屈服，首層框架柱處于彈性，連梁部分屈服，框架梁不屈服；在罕遇地震作用下，首層框架柱和底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻可發(fā)生局部彎曲屈服，但剪切不屈服；非底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻可以部分屈服，框架柱不發(fā)生整層屈服，連梁作為結(jié)構(gòu)的耗能構(gòu)件，允許其屈服破壞。

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析：利用etabs和stawe分別進(jìn)行了整體線彈性分析，對(duì)比了兩者的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)吻合較好。

兩者分析主要結(jié)果對(duì)比

周期

Stawe第一振型Y向平動(dòng)周期5.100秒

第二振型x向平動(dòng)周期4.263秒

第三振型扭轉(zhuǎn)周期3.823秒

扭轉(zhuǎn)周期比0.75

Etabs第一振型Y向平動(dòng)周期5.293秒

第二振型x向平動(dòng)周期4.349秒

第三振型扭轉(zhuǎn)周期3.894秒

扭轉(zhuǎn)周期比0.74

振型質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，滿足規(guī)范要求

地震作用下剪重比均滿足規(guī)范剪重比要求。

層間位移角

地震作用：Stawe最大層間位移角x向：1/1419Y向：1/1128

Etabs最大層間位移角x向：1/1451Y向：1/1104

風(fēng)力作用：Stawe最大層間位移角x向：1/1865Y向：1/842

Etabs最大層間位移角x向：1/1962Y向：1/857

兩計(jì)算結(jié)果基本一致，層間位移角均滿足要求，風(fēng)荷載為控制荷載

中震作用下的結(jié)構(gòu)分析：

本工程做了中震彈性和中震不屈服分析。在設(shè)防烈度地震作用下，地震影響系數(shù)最大值ot max=0.23，不考慮構(gòu)件抗震等級(jí)，分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)及承載力抗震調(diào)整系數(shù)均與小震相同，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)取1.0，風(fēng)荷載不參與組合。分析結(jié)果表明中震彈性結(jié)果大于小震彈性計(jì)算結(jié)果，首層框架柱、底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻的抗剪承載力滿足中震彈性要求，與設(shè)定抗震性能目標(biāo)一致。

中震不屈服：設(shè)防烈度地震作用下，地震影響系數(shù)最大值αmax=0.23，不考慮構(gòu)件抗震等級(jí)，分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)及承載力抗震調(diào)整系數(shù)、內(nèi)力調(diào)整系數(shù)均取1.0，風(fēng)荷載不參與組合。在中震作用下，部分連梁出現(xiàn)抗彎屈服，但所有豎向構(gòu)件均不屈服，底部剪力墻加強(qiáng)配筋后可達(dá)到中震彈性狀態(tài)。滿足設(shè)定抗震性能目標(biāo)要求。

罕遇地震的Pushover分析：采用perform-3d彈塑性分析程序進(jìn)行分析。本結(jié)構(gòu)的分析采用彈塑性纖維+彈塑性剪切性質(zhì)（名義剪應(yīng)力）的單元模型來(lái)模擬剪力墻的軸向一彎曲變形和剪切變形。剪力墻只考慮平面內(nèi)的彎曲和剪切彈塑性性質(zhì)，平面外彎曲和軸向變形均做彈性假定。分析考慮材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和重力二階效應(yīng)，荷載考慮D+O.5L的重力荷載，側(cè)向荷載取CQC法計(jì)算得到的層地震力分布，分別從x、Y的正負(fù)兩個(gè)方向做靜力彈塑性分析，計(jì)算結(jié)果周期如下：5.00，4.27，3.97，前6階振型如下圖

結(jié)構(gòu)大震性能點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力相當(dāng)于小震coc結(jié)果的4.3倍，其頂點(diǎn)位移相當(dāng)于小震CQC結(jié)果的4.8倍；

推覆分析得到的x向的最大層間位移角為1/252，Y向的最大層間位移角為1/246。均小于規(guī)范的1/100，滿足規(guī)范要求。

Pushover分析結(jié)果表明整個(gè)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)過(guò)程，首先是中下部樓層的連梁發(fā)生屈服，隨之是各樓層連梁發(fā)生屈服和部分框架梁屈服，到大震性能點(diǎn)時(shí)，構(gòu)件損傷程度都滿足預(yù)先設(shè)定的性能要求。此時(shí)，底部框架柱未出現(xiàn)PMM鉸，為彈性反應(yīng)，剪力墻肢的混凝土纖維，鋼筋纖維的應(yīng)力尚未達(dá)到材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即不會(huì)出現(xiàn)混凝土壓碎和鋼筋屈服的情況。

根據(jù)1.23z分析，對(duì)結(jié)構(gòu)超限采取以下加強(qiáng)措施：

（1）采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的空間分析程序Satwe和Etabs進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)構(gòu)基本一致，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，采用2軟件的不利結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)廣東省工程防震研究院提供的安評(píng)報(bào)告中的地震參數(shù)，可見(jiàn)規(guī)范值大于安評(píng)報(bào)告，因此，在初步設(shè)計(jì)時(shí)，采用規(guī)范所提供的地震參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，也將采用規(guī)范值進(jìn)行計(jì)算，偏于安全設(shè)計(jì)。

（3）結(jié)構(gòu)小震抗震計(jì)算時(shí)，采用振型分解反應(yīng)譜法，并用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行補(bǔ)充，計(jì)算結(jié)果表明，所選地震波及場(chǎng)地波計(jì)算結(jié)果的平均值小于規(guī)范反應(yīng)譜法計(jì)算的結(jié)果，表明2種程序計(jì)算用規(guī)范反應(yīng)譜法計(jì)算的結(jié)果是基本合理的，但考慮到有的地震波作用下，時(shí)程分析法頂部地震反應(yīng)較大，對(duì)頂部結(jié)構(gòu)應(yīng)作適當(dāng)加強(qiáng)。

（4）中震作用下，部分樓層的剪力墻連梁出現(xiàn)抗彎屈服，但所有豎向構(gòu)件均不屈服，底部剪力墻經(jīng)加強(qiáng)配筋后達(dá)到中震彈性狀態(tài)，滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。本工程跨高比較小的連梁是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，在連梁中加設(shè)暗撐或斜鋼筋，增加延性，保證連梁不發(fā)生抗剪破壞。

本工程首層剪力墻，經(jīng)罕遇地震靜力彈塑性分析，在罕遇地震下未出現(xiàn)抗彎屈服。剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)域墻體分布配筋率及約束邊緣構(gòu)件配筋率均適當(dāng)提高，以提高剪力墻的抗彎承載能力，同時(shí)保證其抗剪承載能力，滿足強(qiáng)剪弱彎的抗震設(shè)計(jì)要求。