建行河南分行綜合業(yè)務(wù)大樓主樓結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)

胡劍昆

（張家口市維佳工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，張家口075000）

圖1 建筑鳥瞰圖

0 引 言

我國的建筑抗震設(shè)計(jì)以“三個(gè)水準(zhǔn)”（即小震不壞、中震可修、大震不倒）為抗震設(shè)防目標(biāo)，即多遇地震下結(jié)構(gòu)保持彈性狀態(tài)，設(shè)防烈度地震和罕遇地震下允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，但控制結(jié)構(gòu)變形.大多數(shù)時(shí)候的工程設(shè)計(jì)按照多遇地震來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性階段的計(jì)算和分析，僅僅是做到了“小震不壞”，但是對于后兩個(gè)水準(zhǔn)，沒有明確判斷.通過對結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度的限制和不同構(gòu)件的延性要求，來實(shí)現(xiàn)“中震可修”、“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo).

1 工程概況

建行河南分行綜合業(yè)務(wù)大樓工程位于河南省鄭州市，總建筑面積85216 m2（地上61504.0 m2，地下23712 m2），建筑物由超高層主樓（34層）、裙房（4層）和地下室（3層）組成.地上部分主要用途為綜合業(yè)務(wù)辦理及辦公；地下部分主要用途為地下車庫、餐廳、機(jī)房、金庫（庫房）及人防區(qū).工程主樓采用鋼筋混凝土框架－核心筒結(jié)構(gòu)，裙房為采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，門頭采用鋼框架－張弦梁結(jié)構(gòu).

2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

基本風(fēng)壓取0.50 k N／m2（100年一遇，用于主樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）；基本風(fēng)壓取0.45 k N／m2（50年一遇，用于裙房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）；地面粗糙度為C類；基本雪壓0.4 k N／m2，準(zhǔn)永久值系數(shù)為0.2；抗震設(shè)防烈度7度（0.15 g），設(shè)計(jì)地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類；抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類；抗浮設(shè)計(jì)水位-3.9米；場地標(biāo)準(zhǔn)凍深0.3米；混凝土的環(huán)境類別：與土體直接接觸的部位、地上處在室外露天環(huán)境下的結(jié)構(gòu)為Ⅰb級，室內(nèi)環(huán)境為Ⅰa級.

圖2 典型結(jié)構(gòu)平面布置

3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的選擇

按照抗震設(shè)防烈度、場地類別和抗震設(shè)防分類，核心筒抗震等級為一級，框架（包括型鋼混凝土柱）抗震等級為一級，大跨梁和懸挑長度超過2米的懸挑梁、超短柱抗震等級為特一級，地下一層以下構(gòu)件抗震等級為三級.針對不同結(jié)構(gòu)部位的重要程度，按照關(guān)鍵構(gòu)件、普通構(gòu)件、耗能構(gòu)件的區(qū)分，設(shè)計(jì)采用了不同的抗震性能目標(biāo)，如下表：

地震烈度 多遇烈度 設(shè)防烈度 罕遇烈度整體結(jié)構(gòu)抗震性能 完好 可修復(fù) 不倒塌允許層間位移 1／800 — 1／100地下一層／一層框架柱 彈性 不屈服 允許進(jìn)入塑性，控制塑性變形核心筒、地上型鋼混凝土柱（包括超短柱） 彈性 彈性 不發(fā)生脆性破壞大跨梁、超過2米的懸挑梁彈性（同時(shí)考慮豎向地震作用）彈性（同時(shí)考慮豎向地震作用）不發(fā)生剪切破壞（同時(shí)考慮豎向地震作用）其余各層構(gòu)件性能 抗震性能滿足規(guī)范要求

4 計(jì)算措施

主要計(jì)算參數(shù)如下：

地上層數(shù)34層地下層數(shù) 3層0.5抗震設(shè)防烈度 7度（0.15 g）設(shè)計(jì)地震分組 第一組特征周期Tg 0.45 s多遇水平地震影響系數(shù)最大值 0.12罕遇水平地震影響系數(shù)最大值 0.72場地類別 Ⅲ類周期折減系數(shù) 0.8抗震等級 詳見3條阻尼比 5%是否考慮偶然偏心 是是否考慮雙向地震作用 是中梁剛度放大系數(shù) 2連梁剛度折減系數(shù) 0.7 0.2Q0調(diào)整起始層號 1 0.2Q0調(diào)整結(jié)束層號 34是否考慮P—△效應(yīng) 否計(jì)算振型數(shù) 36剪力墻加強(qiáng)區(qū)高度及層數(shù) 29.2m，7中震（大震）不屈服 地震影響系數(shù)0.34（0.72）豎向地震作用系數(shù)

1）多遇地震彈性設(shè)計(jì)

在多遇地震作用下，全部處于彈性狀態(tài)，構(gòu)件承載力和變形滿足規(guī)范要求.采用兩種不同力學(xué)模型的三維空間分析軟件進(jìn)行整體內(nèi)力及位移計(jì)算；裙房頂部大跨度框架采用PK進(jìn)行單跨框架的補(bǔ)充計(jì)算，以控制構(gòu)件的承載力.抗震分析時(shí)考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)、偶然偏心及雙向地震作用，并自動調(diào)整地震作用最大的方向進(jìn)行計(jì)算分析.控制扭轉(zhuǎn)位移比滿足規(guī)范要求.

抗震計(jì)算時(shí)除對結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析外，還根據(jù)場地類別選用相應(yīng)的地震波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析，設(shè)計(jì)時(shí)地震作用取三條時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值.

2）懸挑梁、大跨梁計(jì)算時(shí)考慮豎向地震作用，其取值不小于重力荷載代表值的15%.使用PK程序?qū)Υ罂缌哼M(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì).

3）對各層的構(gòu)件截面尺寸和混凝土強(qiáng)度等級進(jìn)行調(diào)整，保證其均勻變化，尤其是裙房頂層.

4）控制各樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不小于上一層受剪承載力的80%，也不小于上三層平均值的70%.由于建筑在12層和26層分別設(shè)置了避難層，層高有明顯降低，層剛度明顯提升，調(diào)整避難層下一到兩層的連梁高度，提高下層剛度，以滿足規(guī)范要求.

5）進(jìn)行框架總剪力的調(diào)整，保證框架部分地震剪力的分擔(dān)率不小于分段底部總剪力的20%與任何一層框架部分地震總剪力最大值的1.5倍的較小值，確?？蚣苣軌虺蔀榭拐鹪O(shè)防的第二道防線.

5 多遇地震計(jì)算的主要結(jié)果及分析

主體結(jié)構(gòu)采用由中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部編制的《特殊多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件（PMSAP）》及《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件（墻元模型）SATWE》進(jìn)行整體計(jì)算，并進(jìn)行比較分析.抗震計(jì)算分析時(shí)考慮了地震作用、扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)效應(yīng)、偶然偏心及雙向地震作用，地震影響系數(shù)取為多遇地震值0.12.驗(yàn)算結(jié)構(gòu)最大水平位移和層間位移與其相應(yīng)樓層平均位移的比值時(shí)采用剛性樓板假定，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和配筋時(shí)考慮彈性樓板假定.地震陣型數(shù)量取36.

5.1 多遇地震反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果

1）結(jié)構(gòu)周期

PMSAP（SATWE） 振動類型（平動系數(shù)） 周期比Tt／T1 PMSAP（SATWE）周期（秒）T1 3.511（3.470） X方向平動1.00（1.00）T2 2.994（2.979） Y方向平動1.00（1.00）Tt 2.244（2.191） 扭轉(zhuǎn)0.00（0.00）63.9%（63.1%）

2）地震作用下的最大位移

地震作用最大方向：

-0.352°（PMSAP），2.647°（SATWE）.均小于15°.且各結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)件與地震方向交角小于15°，故不必補(bǔ)充計(jì)算地震作用的最大方向.

層間位移角扭轉(zhuǎn)位移比方 向計(jì)算值PMSAP（SATWE） 允許值 最大位移／層平均位移PMSAP（SATWE）最大層間位移／平均層間位移PMSAP（SATWE）允許值X 1／1025（1／1046）Y 1／1405（1／1478） 1／800 1.26（1.20） 1.30（1.20）1.28（1.27） 1.31（1.20）1.5 3）地震力方向允許值X 36929（36494）底部剪力（k N）PMSAP（SATWE）重力荷載代表值（k N）PMSAP（SATWE）樓層最小剪重比PMSAP（SATWE）Y 36583（36807） 1459659（1459778） 2.53%（2.50%）2.51%（2.52%）2.4%4）有效質(zhì)量參與系數(shù)方向 計(jì)算值PMSAP（SATWE） 規(guī)范允許值X 100%（99.89%） ≥0.9 Y 100%（99.91%） ≥0.9

5）抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

零應(yīng)力區(qū)X風(fēng)荷載 46758768（46742488）項(xiàng)目 抗傾覆彎矩Mr（k N）PMSAP（SATWE）傾覆彎矩Mov（k N）PMSAP（SATWE）比值 Mr／Mov PMSAP（SATWE）665984（721627.5）70.21（64.77）0（0）Y風(fēng)荷載 29386390（29345314）664850（690265.9）44.20（42.51）0（0）X地震 46758768（46742488）2539857（3110592.8）18.14（15.03）0（0）Y地震 29379737（29345314）2888863（3072652.5）10.17（9.55）0（0）

由上表可見，結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算滿足規(guī)范要求.

6）結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果

X向剛重比Ejd／GH＊＊2 PMSAP（SATWE）Y向剛重比Ejd／GH＊＊2 PMSAP（SATWE）5.41（4.39） 6.03（5.61）

主樓剛重比Ejd／GH＊＊2大于1.4，能夠通過整體穩(wěn)定驗(yàn)算.

主樓剛重比Ejd／GH＊＊2大于2.7，可以不考慮重力二階效應(yīng).

7）底層框架承擔(dān)的傾覆彎矩百分比

柱傾覆力矩k N·m PMSAP（SATWE）墻傾覆力矩k N·m PMSAP（SATWE）框架傾覆力矩百分比PMSAP（SATWE）X向地震 529075（533412.3） 2876932（2928597.8） 15.53（15.41）Y向地震 498674（499185.5） 2237583（2235650.3） 18.24（18.25）

8）底層墻柱承擔(dān)的剪力百分比

柱剪力（k N）PMSAP（SATWE）墻剪力（k N）PMSAP（SATWE）柱剪力百分比PMSAP（SATWE）X向地震 208（199.0） 26586（26466.6） 0.77（0.75）Y向地震 347（305.1） 15398（15663.0） 2.20（1.91）

9）底層墻柱最大軸壓比（PMSAP）

柱最大軸壓比 墻最大軸壓比 規(guī)范限值0.68（含型鋼） 0.42 墻0.5（柱0.70）

10）結(jié)果分析

上述計(jì)算結(jié)果表明，由于結(jié)構(gòu)相對較規(guī)則，PMSAP和SATWE計(jì)算結(jié)果存在較小的差異，且兩者均滿足規(guī)范要求，分析如下：

①結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期／第一平動周期之比均小于0.9，滿足規(guī)范要求.

②計(jì)算地震作用的有效質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，得到的剪重比最小值為2.50%，滿足規(guī)范要求.

③結(jié)構(gòu)的抗傾覆驗(yàn)算和剛重比均滿足規(guī)范要求.

④主體結(jié)構(gòu)層間位移小于1／800，考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層最大位移／平均位移的最大值為1.28（裙房）、1.19（塔樓），樓層最大層間位移／平均層間位移的最大值為1.31（裙房）、1.20（塔樓），小于1.5，滿足規(guī)范要求.

⑤剪力墻最大軸壓比為0.42，控制在規(guī)范要求的0.5以內(nèi).

5.2 多遇地震彈性時(shí)程分析結(jié)果

圖3 彈性反應(yīng)譜及時(shí)程分析最大層間位移角曲線

采用STAWE程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震下的彈性時(shí)程分析，主要結(jié)果如下.

地震波名稱時(shí)程基底剪力／反時(shí)程基底剪力／反應(yīng)譜基底剪力規(guī)范限值TH1TG045 34015.4 0.932 33417.9 0.908 ≥X向 Y向時(shí)程基底剪力（k N）時(shí)程基底剪力／反應(yīng)譜基底剪力時(shí)程基底剪力（k N） 應(yīng)譜基底剪力0.65 TH2TG045 26975.5 0.739 26384.3 0.717 ≥0.65 RH2TG045 26879.9 0.737 29838.9 0.811 ≥0.65平均值 29290.3 0.803 29880.4 0.812 ≥0.80反應(yīng)譜值 36494 — 36807— —

上述計(jì)算結(jié)果表明，X向與Y向樓層剪力及層間位移角的變化趨勢與CQC反應(yīng)譜法分析得到的結(jié)果基本一致，其平均值接近CQC結(jié)果.X向與Y向時(shí)程分析得到的基底剪力平均值分別為CQC值的0.803和0.812倍，滿足規(guī)范要求.X（Y）方向三條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力最小值為反應(yīng)譜法求得的底部剪力的73.7%和71.7%.彈性時(shí)程分析結(jié)果對本工程不起控制作用.

5.3 小結(jié)

PMSAP及ETABS兩個(gè)程序的計(jì)算結(jié)果基本一致，均表明主體結(jié)構(gòu)的周期比，剪重比、層間位移角、底部框架傾覆彎矩百分比、有效質(zhì)量系數(shù)等滿足規(guī)范要求.結(jié)構(gòu)沿高度方向剛度基本均勻變化，樓層受剪承載力無突變.SATWE計(jì)算結(jié)果也滿足規(guī)范要求.

時(shí)程法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)層間位移角均小于反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果；基底剪力與反應(yīng)譜法較接近；三條波平均反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的變化規(guī)律基本相同，滿足設(shè)計(jì)要求.

6 設(shè)防地震（中震）計(jì)算主要結(jié)果及分析

6.1 設(shè)防地震（中震）不屈服計(jì)算

依據(jù)3.1條所確定的抗震性能目標(biāo)，采用PMSAP對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震（中震）不屈服計(jì)算，主要計(jì)算參數(shù)同多遇地震，地震影響系數(shù)取為設(shè)防地震（中震）值0.34（設(shè)防烈度地震的影響系數(shù)按照正態(tài)分布函數(shù)，取2.8倍的多遇地震影響系數(shù)），并取消內(nèi)力組合調(diào)整，地震作用效應(yīng)組合的分項(xiàng)系數(shù)（組合值系數(shù)不變）、承載力抗震調(diào)整系數(shù)均取為1.0，材料強(qiáng)度取為標(biāo)準(zhǔn)值.

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)中需考察的框架及剪力墻截面承載力滿足要求，符合既定的性能目標(biāo)：

地下一層、一層框架柱的截面承載力均滿足要求，滿足既定的性能目標(biāo).

配筋結(jié)果與小震彈性計(jì)算十分接近.

6.2 設(shè)防地震（中震）彈性計(jì)算

依據(jù)3.1條所確定的抗震性能目標(biāo)，對核心筒、型鋼混凝土柱、大跨梁和超過2米的懸挑梁，采用SATWE對其進(jìn)行設(shè)防地震（中震）彈性計(jì)算，主要計(jì)算參數(shù)同多遇地震，地震影響系數(shù)取為設(shè)防地震（中震）值0.34，內(nèi)力組合調(diào)整，承載力抗震調(diào)整系數(shù)仍然按規(guī)范取值，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值.

由于部分構(gòu)件超過其承載能力，進(jìn)入彈塑性階段，引起內(nèi)力重分布，關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力增大，配筋相應(yīng)增大.配筋量較小震彈性計(jì)算有明顯提高.

7 大震不屈服計(jì)算主要結(jié)果及分析

依據(jù)3.1條所確定的抗震性能目標(biāo)，采用PMSAP對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震不屈服計(jì)算，主要計(jì)算參數(shù)同多遇地震，地震影響系數(shù)取為罕遇地震值0.72（規(guī)范值），并取消內(nèi)力組合調(diào)整，地震作用效應(yīng)組合的分項(xiàng)系數(shù)（組合值系數(shù)不變）、承載力抗震調(diào)整系數(shù)均取為1.0，材料強(qiáng)度取為標(biāo)準(zhǔn)值.大震不屈服計(jì)算的主要目的是驗(yàn)明重點(diǎn)部位［核心筒、型鋼混凝土柱及與之相連的框架梁、大跨梁（考慮豎向地震作用）］的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在大震作用下滿足不屈服、不發(fā)生剪切破壞的抗震性能設(shè)計(jì)要求.計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)中需考察的框架及剪力墻截面承載力滿足要求，不超筋，符合既定的性能目標(biāo)：

1）結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移為1／137＜1／100，滿足既定的性能目標(biāo).

2）核心筒、型鋼混凝土柱及其樓層框架梁不發(fā)生剪切破壞，滿足既定的性能目標(biāo).

3）大跨梁在考慮豎向地震作用下截面承載力均滿足規(guī)范要求，不超筋，未發(fā)生剪切破壞，滿足既定的性能目標(biāo).

8 結(jié) 語

針對本工程作為辦公建筑，具有體型簡單、高度較高等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，重視概念設(shè)計(jì)的作用，在保證結(jié)構(gòu)安全合理的前提下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能化設(shè)計(jì)，確定抗震性能目標(biāo)時(shí)，綜合考慮了結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性、建筑高度、所在地區(qū)設(shè)防烈度、經(jīng)濟(jì)因素等，對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了加強(qiáng)，滿足建筑功能及立面效果的需求，并兼顧到施工技術(shù)和工程進(jìn)度的要求.最終在嚴(yán)格執(zhí)行當(dāng)時(shí)規(guī)范要求的情況下圓滿完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，取得了建設(shè)單位的好評.

致謝：工程設(shè)計(jì)過程中得到了中國建筑設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)專業(yè)院副總工程師教授級高級工程師朱炳寅和劉巍工程師、周巖工程師的指導(dǎo)和幫助，深表感謝！

［1］混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2002）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002

［2］高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ3-2002）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002

［3］建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）（2008版）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008

［4］朱炳寅編著.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009

［5］中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部.多層與高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件（墻元模型）用戶手冊［M］.2008.