深圳生命保險大廈超高層結構抗震設計

劉小秋

摘要：深圳生命保險大廈高199.5m，為框架一鋼筋混凝土核心筒結構（型銅加強）。針對工程的特點，重點探討了結構側向剛度、抗震設防性能目標、計算分析等。通過多種計算方法研究結構側向剛度，對結構層高相對懸殊較大出現(xiàn)的薄弱部位進行了研究，并采取針對性的措施進行抗震加強。

關鍵詞：超高層寫字樓；框架一核心筒結構；無加強層

中圖分類號：TU973.31文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2017）08-0239-02

1.地震安全性評價報告中振型譜的應用

地震安全性評價是根據(jù)對建設工程場址和場址周圍地震安全性評價的地震與地震地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查、場地震工程地質(zhì)條件勘測，通過地震地質(zhì)、地球物理、地震工程等多學科資料的綜合評價和分析計算，按照工程類型、性質(zhì)、重要性，科學合理地給出與工程抗震設防要求相應的地震動參數(shù)，以及場址的地震地質(zhì)災害預測結果。地震安全性評價工作的主要內(nèi)容包括：工程場地和場地周圍區(qū)域的地震活動環(huán)境評價、地震地質(zhì)環(huán)境評價、斷裂活動性鑒定、地震危險性分析、設計地震動參數(shù)確定、地震地質(zhì)災害評價等。

根據(jù)國務院令第323號需對國家及地方的重大工程等進行地震安全性評價。通常情況下，超高層屬于超限結構，均需在初步設計前進行場地的地震安全性評價。有關部門依據(jù)《工程場地地震安全性評價》GBl7741-2005的要求向設計單位提供地震安全性評價報告。其中較為重要的是場地的振型譜即“安評譜”及設計地震動參數(shù)。安評譜的正確使用是準確進行地震作用內(nèi)力標準值確定的前提，而設計人員常常只重視設計地震動參數(shù)列表而忽視報告中提供的安評譜曲線。設計實踐中常常應用安評譜的設計地震動參數(shù)對規(guī)范譜進行調(diào)整后輸入計算程序確定地震內(nèi)力，這種做法是不妥的。

2.結構單元劃分的一個重要影響因素

結構縫（伸縮縫、沉降縫、防震縫）的設置，應根據(jù)建筑結構平面和豎向的布置情況、地基情況、基礎類型、結構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，應調(diào)整建筑平面尺寸和結構布置，采取必要的構造和施工措施，能不設縫就不設縫，能少設縫就少設縫。設計實踐中，超高層建筑與裙房間通常形成一個整體，以提高結構的整體剛度，對結構的抗扭剛度、位移角等均會產(chǎn)生有利影響。但同時，有一個重要的影響因素易被忽略，即結構單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù)。根據(jù)《建筑工程抗震設防分類標準》GB50223--2008中6.0.11條文規(guī)定，高層建筑中，當結構單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù)超過8000人時，抗震設防類別宜劃為重點設防類。

超高層建筑因其結構的重要性，宜偏嚴控制。當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，結構單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù)容易突破8000人，因此建議設計人員在主裙間是否設縫問題上，應該對這個重要因素加以重視。

3.簡體結構中框架部分承擔的地震剪力比例

根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3-2010中第9.1.11條規(guī)定，簡體結構中框架部分分配的樓層地震剪力標準值的最大值不宜小于結構底部總地震剪力標準值的10%。當不滿足時，規(guī)范也提供了一個調(diào)整方法：各層框架部分承擔的地震剪力標準值應增大到結構底部總地震剪力標準值的15%；與此同時，各層核心筒墻體的地震剪力標準值宜乘以增大系數(shù)1.1，但不可大于結構底部總地震剪力標準值，墻體的抗震構造措施應按抗震等級提高一級后采用，已為特一級的可不再提高。有加強層時，框架部分剪力的統(tǒng)計不包括加強層及其上、下層。這款規(guī)范條文體現(xiàn)了抗震多道防線的設計理念，即框架作為第二道設防防線相對于第一道防線的核心筒不能太弱。如果框架部分太弱，則需對第一道防線加以更為嚴格的措施要求。

規(guī)范提供了各層框架部分地震剪力標準值最大值小于總剪力標準值10%時的應對措施，在一般高層建筑設計中是適用的，但在超高層設計實踐中，由于地震作用程度較高，核心筒大面積開裂剛度下降時，框架部分會承擔過大的地震作用，可能會出現(xiàn)不可預見的重大損失。因此在多項工程的超限審查過程中，均要求筒體結構中各層框架部分的最大地震剪力標準值必須滿足底部總地震剪力標準值的10%。若在某些特殊情況下，確不能滿足時，框架的承擔比例可略小于10%，且必須針對不同的結構構件提出較高的性能目標，不能簡單的按照規(guī)范條文執(zhí)行。

4.工程概況與結構體系

該項目建設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，標準層層高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。結構體系為框架一核心筒結構，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.結構超限與設計方法

本工程超限情況：結構頂標高199.5米，高于框筒結構最高180米的B級高度限值，為超B級高度建筑，另底部裙房部分樓層扭轉1類不規(guī)則。

場地地震安全性評價：本工程建筑的抗震設防分類為丙類。地震作用與抗震措施均按7度設防要求，設計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告文件，本工程場地類別為1～2類，屬于中軟一中硬場地土。

針對結構超限，通過對建筑抗震性能設計的各項性能指標評估和本著“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設計原則，分別按小震，中震，大震進行設計計算。

抗震設計要求及性能目標：小震下基本結構構件均處于彈性，保證小震下充分運行；在設防烈度地震作用下，由于核心筒是結構的主要抗側力構件，在中震作用下，底部加強區(qū)核心筒處于彈性，非底部加強區(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，連梁作為結構的耗能構件，允許其屈服破壞。

結構計算分析：利用etabs和stawe分別進行了整體線彈性分析，對比了兩者的分析結果，發(fā)現(xiàn)吻合較好。

兩者分析主要結果對比

周期

Stawe第一振型Y向平動周期5.100秒

第二振型x向平動周期4.263秒

第三振型扭轉周期3.823秒

扭轉周期比0.75

Etabs第一振型Y向平動周期5.293秒

第二振型x向平動周期4.349秒

第三振型扭轉周期3.894秒

扭轉周期比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

兩計算結果基本一致，層間位移角均滿足要求，風荷載為控制荷載

中震作用下的結構分析：

本工程做了中震彈性和中震不屈服分析。在設防烈度地震作用下，地震影響系數(shù)最大值ot max=0.23，不考慮構件抗震等級，分項系數(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，風荷載不參與組合。分析結果表明中震彈性結果大于小震彈性計算結果，首層框架柱、底部加強區(qū)核心筒剪力墻的抗剪承載力滿足中震彈性要求，與設定抗震性能目標一致。

中震不屈服：設防烈度地震作用下，地震影響系數(shù)最大值αmax=0.23，不考慮構件抗震等級，分項系數(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，但所有豎向構件均不屈服，底部剪力墻加強配筋后可達到中震彈性狀態(tài)。滿足設定抗震性能目標要求。

罕遇地震的Pushover分析：采用perform-3d彈塑性分析程序進行分析。本結構的分析采用彈塑性纖維+彈塑性剪切性質(zhì)（名義剪應力）的單元模型來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。分析考慮材料的應力應變關系和重力二階效應，荷載考慮D+O.5L的重力荷載，側向荷載取CQC法計算得到的層地震力分布，分別從x、Y的正負兩個方向做靜力彈塑性分析，計算結果周期如下：5.00，4.27，3.97，前6階振型如下圖

結構大震性能點，該點對應的基底剪力相當于小震coc結果的4.3倍，其頂點位移相當于小震CQC結果的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分析結果表明整個結構的反應過程，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，到大震性能點時，構件損傷程度都滿足預先設定的性能要求。此時，底部框架柱未出現(xiàn)PMM鉸，為彈性反應，剪力墻肢的混凝土纖維，鋼筋纖維的應力尚未達到材料強度標準值，即不會出現(xiàn)混凝土壓碎和鋼筋屈服的情況。

根據(jù)1.23z分析，對結構超限采取以下加強措施：

（1）采用兩個不同力學模型的空間分析程序Satwe和Etabs進行計算，計算結構基本一致，施工圖設計時，采用2軟件的不利結果進行包絡設計。

（2）根據(jù)廣東省工程防震研究院提供的安評報告中的地震參數(shù)，可見規(guī)范值大于安評報告，因此，在初步設計時，采用規(guī)范所提供的地震參數(shù)進行計算，施工圖設計時，也將采用規(guī)范值進行計算，偏于安全設計。

（3）結構小震抗震計算時，采用振型分解反應譜法，并用彈性時程分析方法進行補充，計算結果表明，所選地震波及場地波計算結果的平均值小于規(guī)范反應譜法計算的結果，表明2種程序計算用規(guī)范反應譜法計算的結果是基本合理的，但考慮到有的地震波作用下，時程分析法頂部地震反應較大，對頂部結構應作適當加強。

（4）中震作用下，部分樓層的剪力墻連梁出現(xiàn)抗彎屈服，但所有豎向構件均不屈服，底部剪力墻經(jīng)加強配筋后達到中震彈性狀態(tài)，滿足設定的抗震性能目標。本工程跨高比較小的連梁是結構的薄弱部位，在施工圖設計時，在連梁中加設暗撐或斜鋼筋，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。剪力墻底部加強區(qū)域墻體分布配筋率及約束邊緣構件配筋率均適當提高，以提高剪力墻的抗彎承載能力，同時保證其抗剪承載能力，滿足強剪弱彎的抗震設計要求。