海信南方大廈抗震優(yōu)化設計

陳慧賢 林超偉

(香港華藝設計顧問(深圳)有限公司 廣東深圳 518057)

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海信南方大廈抗震優(yōu)化設計

陳慧賢 林超偉

(香港華藝設計顧問(深圳)有限公司 廣東深圳 518057)

海信南方大廈高度為149.7m，平面呈矩形布置，結構體系為鋼筋混凝土框架-核心筒。采用PKPM、ETABS軟件對結構進行彈性階段的對比分析，同時采用ABAQUS軟件對結構進行罕遇地震彈塑性分析。根據(jù)該工程結構超限情況，確定整體及構件的抗震性能化目標，采取有效的加強措施，最后通過大震彈塑性分析計算，表明該工程結構安全、可靠，并具有良好的抗震性能。

超高層結構；鋼筋混凝土框架-核心筒；抗震性能化設計；海信南方大廈

1 工程概況

海信南方大廈位于廣東省深圳市南山后海中心區(qū)?？偨ㄖ娣e約為81 000m2，其中地上建筑面積63 800m2，地下建筑面積約14 700m2。地下有4層，使用功能為車庫、設備用房，其中地下第三、四層局部具有人防功能。地上34層，裙樓3層，建筑高度149.7m。首層層高約7m，標準層層高4.2m，其中第五層與第二十層為避難層，層高為4.8m?！?.000相對于絕對標高為5.500m(黃海高程)。建筑效果圖如圖1所示。

主塔樓平面呈矩形，平面規(guī)則，屬B級高度高層建筑。核心筒高寬比約為16.6。該工程有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、樓板不連續(xù)及尺寸突變3條一般不規(guī)則項，且為高度超限的結構。

該工程抗震設防標準按7度區(qū)設防，設計地震分組為第一組，設防分類為丙類[1]。根據(jù)荷載規(guī)范，深圳市50年一遇的基本風壓w0為0.75kN/m2，強度計算按1.1w0取值[2]。風壓高度變化系數(shù)根據(jù)C類地面粗糙度采用。由于高寬比較大，風荷載體型系數(shù)取1.4[3]?？拐鸬燃壏謩e為核心筒一級，小偏心受拉剪力墻構造特一級，框架一級。地基基礎設計等級為甲級。

2 結構布置

主樓平面較為規(guī)則，豎向體形規(guī)則連續(xù)，無轉(zhuǎn)換層及結構加強層。結構選型為鋼筋混凝土框架-核心筒體系，主樓周邊框架為鋼筋混凝土柱和鋼筋混凝土梁組成。典型柱距為9m，樓面梁間距為3m。內(nèi)部核心筒是結構的主要抗側(cè)力構件，承擔大部分的水平剪力，作為第一道抗震防線。核心筒外墻厚度從底部的800mm減小至頂部的400mm、600mm，主要內(nèi)墻厚從底部的600mm減小至頂部的400mm。

圖1 海信南方大廈效果圖

框架柱由底層的1400mm×1500mm減小至頂部的800mm×800mm；標準層框架梁400mm×700mm，次梁300mm×700mm。標準層核心筒內(nèi)板厚為120mm，核心筒外板厚為100mm。墻體、框架柱混凝土強度等級為C45～C60。典型平面結構圖如圖2所示。

圖2 標準層結構平面圖

3 抗震性能目標

[4]，綜合考慮本工程的設防類別、設防烈度、場地及其他條件，結構整體性能指標選為C級。整體結構、局部構件設定的抗震性能目標如表1所示。

4 結構分析主要計算結果

4.1 小震分析結果

采用SATWE程序進行彈性整體計算分析，并用ETABS程序進行校核。SATWE 和ETABS 的總質(zhì)量(DL+0.5LL)分別為111 600kN、111 100kN。SATWE和ETABS的主要結果如表2～表5所示。

表1 抗震性能目標

表2 周期比較

表3 地震、風荷載作用下的基底剪力、彎矩比較

表4 最大層間彈性位移角比較

表5 最大位移比

從以上對SATWE模型和ETABS模型的整體參數(shù)的比較，可以看到它們的計算結果比較接近，而且各項指標均符合規(guī)范的要求。

4.2 彈性時程分析

根據(jù)廣東省工程防震研究院提供的5條天然波和2條人工波進行做彈性時程分析[5]。從表6中可以看出，各條波分別作用下的基底剪力值同反應譜基底剪力比值處于65%～135%范圍之間，且平均值大于振型分解反應譜的80%和小于振型分解反應譜的120%，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010)第5.1.2條的規(guī)定。同時上部結構各層的樓層剪力反應譜計算值均能包絡七條時程波分析的平均值；時程分析得到的最大層間位移角基本都小于反應譜法得到的層間位移角。

表6 彈性時程分析與反應譜分析的基底剪力比較

可以認為按照規(guī)范反應譜來進行抗震設計是偏于安全的，在施工圖設計階段，按規(guī)范反應譜與彈性時程分析的包絡值進行設計。

4.3 樓板應力補充分析

結構X向受地震作用控制，Y向風荷載與地震工況兩者結果相近，且樓板需滿足小、中震性能目標，故直接關注地震作用的樓板應力。樓板計算分析采用ETABS軟件，樓板用膜單元進行模擬。

圖3為四層Y向小震作用下的樓板應力圖。從圖3可以看出大部分樓板的應力在0.15MPa之內(nèi)，靠近核心筒部位局部樓板出現(xiàn)應力集中，但樓板應力在0.3MPa內(nèi)?？梢?，小震時樓板處于彈性狀態(tài)。取核心筒邊的樓板最大拉應力為0.3MPa，則每延米需要的配筋為：As=σ22,max×b×s×γRE/fyk=0.3×110×1000×0.85/(2×360)=39mm2/m(板筋為HRB400)，雙層配筋時，需附加的配筋率為每層0.036%。

在小震結果的基礎上，分析樓板在中震不屈服時所需的配筋量。中震應力σ中震=βσ小震，其中，σ小震和σ中震分別為小震和中震應力，β為中震放大系數(shù)，采用中震與小震的地震影響系數(shù)最大值比值β=0.23/0.088=2.61。即中震下每延米需要的配筋為：As=σ22,中震max×b×s/fyk=2.61×0.3×110×1000/(2×400)=108mm2/m，雙層配筋時，需增加的配筋率為每層0.10%。

圖3 四層Y方向地震作用下的樓板σ22應力圖(單位：kPa)

4.4 中震分析

根據(jù)《深圳海信南方大廈工程場地地震安全性評價報告》中提供的100年超越概率10% 的地震動參數(shù)進行中震效應計算。地震影響系數(shù)最大值取為0.25，計算阻尼比采用0.05，不計算風荷載。按中震不屈服進行構件設計時，不考慮地震內(nèi)力調(diào)整，荷載作用分項系數(shù)、材料分項系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)均取1.0。即：Sk≤Rk式中，Sk為荷載效應的標準組合內(nèi)力值，Rk為構件承載力標準值。在中震作用下，結構X向、Y向最大層間位移角為1/588和1/374，屬輕微損壞，一般修理仍可繼續(xù)使用。在中震作用下各構件根據(jù)自身性能要求設計其配筋，具體描述如下：底部加強部位剪力墻按照中震要求配筋；非底部加強部位剪力墻水平鋼筋及豎向鋼筋僅按照小震配筋就能滿足小、中震要求；框架柱配筋主要由小震彈性結果控制。框架梁僅核心筒中部4根出現(xiàn)抗彎屈服，抗剪仍處于不屈服狀態(tài)。同理，連梁亦能滿足抗剪不屈服?？傊赏ㄟ^控制構件配筋來實現(xiàn)構件的中震性能目標。

5 大震彈塑性計算結果

采用ABAQUS軟件對大震下結構進行動力彈塑性分析。采取顯式分析方法，考慮幾何非線性和材料非線性，計算時間為30s。結構阻尼比取為0.05，通過設置材料的質(zhì)量阻尼ALPHA來實現(xiàn)。模型的總質(zhì)量由兩部分貢獻：構件自重和附加質(zhì)量。構件的配筋信息取自SATWE的計算結果，縱筋采用HRB400，箍筋采用HRB400，鋼材采用Q345。

5.1 地震波選取

采用2條天然波和1條人工波進行結構動力時程分析。根據(jù)《建筑工程抗震性態(tài)設計通則》附錄E的推薦，對Ⅲ類場地長周期結構采用1940年Elcentro波和1952年Taft波兩條天然波[6]，人工波取自安評報告提供的人工波。按《高層建筑結構技術規(guī)程》和《建筑抗震設計規(guī)范》的要求，將地震波峰值加速度調(diào)整為220cm/s2。計算考慮雙向地震動輸入，即X和Y向按照1∶0.85的比例及按照0.85∶1的比例輸入雙向地震波。加速度時程反應譜曲線和規(guī)范反應譜的對比如圖4所示。

圖4 加速度時程反應譜曲線和目標反應譜曲線比較

5.2 計算結果

采用ABAQUS軟件(大震)和ETABS軟件(小震)分別進行計算對比。ABAQUS 和ETABS 的總質(zhì)量(DL+0.5LL)分別為112 000kN、111 100kN。將模型的周期和振型結果與彈性計算結果進行對比，如表7所示。結果顯示，ABAQUS彈性模型與ETABS彈性分析模型的動力特性是一致的。

表7 結構周期

按兩主方向地震波輸入得到的結構頂點位移和基底剪力值匯總?cè)绫?所示。與地震波自身的大震彈性結果比較分析，Elcentro波作用下X方向和Y方向的基底剪力約是大震彈性的0.83倍和0.63倍；TAFT波作用下X方向和Y方向的基底剪力約是大震彈性的0.50倍和0.53倍；人工波作用下X方向和Y方向的基底剪力約是大震彈性的0.51倍和0.50倍。

表8 頂點位移、基底剪力值

按兩主方向地震波輸入得到的最大層間位移角匯總?cè)绫?所示。與地震波自身的大震彈性結果比較分析，Elcentro波作用下X方向和Y方向?qū)娱g位移角約是大震彈性的1.12倍和0.96倍；Taft波作用下X方向和Y方向?qū)娱g位移角約是大震彈性的0.73倍和0.73倍；人工波作用下X方向和Y方向?qū)娱g位移角約是大震彈性的0.85倍和0.72倍。

表9 地震波輸入時結構最大層間位移角

5.3 損傷結果

結構核心筒剪力墻的損傷主要分布在塔樓的2/3及以上高度，損傷較為輕微，僅個別剪力墻墻厚從600mm減為400mm部位的豎向鋼筋出現(xiàn)輕微屈服，其余墻體均處于不屈服的工作狀態(tài)，滿足預設的性能目標，如圖5～圖6所示。

圖5 剪力墻受壓損傷云圖 圖6 剪力墻的豎向鋼筋最大受拉應變圖

從鋼筋混凝土柱截面內(nèi)混凝土受壓損傷分布、受拉損傷分布如圖7～圖8所示，鋼筋混凝土框架柱在塔樓頂出現(xiàn)輕微受壓損傷，在塔樓頂和裙樓頂部出現(xiàn)輕微受拉損傷，但框架柱鋼筋均未出現(xiàn)屈服。

圖7 鋼筋混凝土框架柱受壓損傷分布 圖8 鋼筋混凝土框架柱受拉損傷分布

從混凝土框架梁的受壓損傷分布、受拉損傷分布如圖9～圖10所示。個別框架梁受壓損傷因子達到1，表明混凝土纖維的受壓應變到達擬定的極限應變，大多數(shù)框架梁均處于開裂工作狀態(tài)。同時，梁的縱筋應變最大為0.007，主要分布在核心筒的連梁部位?？烧J為結構框架梁和連梁端混凝土開裂，形成梁絞機制，發(fā)揮了良好的耗能作用，出現(xiàn)屈服的部位主要為核心筒處的連梁，符合結構概念設計。樓板混凝土受壓損傷分布如圖11所示，樓板損傷分布均勻，最大損傷因子約為0.4，主要集中在核心筒角部，但損傷面積較小，屬輕微損傷。因此，裙房樓板能滿足擬定的抗剪截面要求。

圖9 混凝土框架柱受壓損傷分布 圖10 混凝土框架柱受拉損傷分布

6 結構抗震加強措施

(1)采用兩個不同力學模型的空間分析程序SATWE、ETABS進行彈性內(nèi)力分析。根據(jù)安評報告結果，小震彈性結果取安評反應譜結果。采用ETABS軟件進行結構的時程補充分析，結果表明安評反應譜結果大于彈性時程結果的平均值，設計采用安評譜結果。

(2)在中震作用下，核心筒沿X向兩榀剪力墻墻體受拉。在設計工程中，對墻體采取特一級的抗震構造措施，并且在墻體內(nèi)配置型鋼，有助于墻體抗剪能力。

(3)根據(jù)中震不屈服和小震彈性所需的配筋結果，底部四層樓板配置附加鋼筋，使其滿足擬定的性能目標。

(4)連梁采用雙連梁設計方法，避免大截面連梁先出現(xiàn)剪切屈服。

圖11 樓板混凝土受壓損傷

(5)對結構完成小震和中震性能化設計，并根據(jù)構件性能目標確定相應的配筋，以保證結構能實現(xiàn)擬定的性能目標。

7 結論

(1)依據(jù)構件的重要性劃分為關鍵構件、一般構件和耗能構件。針對不同類別的構件進行相應設防水準下的性能分析和設計。結果表明構件可以滿足設定的抗震性能目標，具有良好的抗震性能。

(2)大震彈塑性分析，裙樓及塔樓上部的框架柱承受的豎向荷載小，在彎矩作用下截面局部出現(xiàn)拉應力，框架柱混凝土出現(xiàn)受拉損傷。

(3)通過大震彈塑性分析計算，表明該結構符合強柱(墻)弱梁、強剪弱彎的屈服特征，結構具備較好的延性，實現(xiàn)了既定的結構性能目標，滿足抗震規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求。

參 考 文 獻

[1] GB 50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2] GB 50009-2012 建筑結構荷載規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3] JGJ3-2010高層建筑結構技術規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[4] 傅學怡.實用高層建筑結構設計(第2版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[5] 深圳海信南方大廈工程場地地震安全性評價報告[R].廣東省工程防震研究院,2013.

[6] CECS160:2004建筑工程抗震性態(tài)設計通則(試用)[S].北京：中國計劃出版社，2004.

Seismic optimum design of Hisense south building

CHENHuixianLINChaowei

(Hong Kong Hua Yi Designing Consultants (S.Z.) Ltd,Shenzhen 518057)

Hisense South Building is a rectangular plane layout, 149.7m height building with reinforced concrete frame - core wall structural system. By using PKPM and ETABS software, the elastic phase of the structure was analyzed and compared, and Elasto-plastic analysis of the structure was carried out by ABAQUS software.According to the over-limit condition of the project structure, the seismic performance target of the whole and the component was determined, and effective strengthening measures were taken to ensure the structure is safe, reliable and have good seismic performance.

Super high-rise structure; Reinforced concrete frame - core wall; Performance-based seismic design; Hisense South Building

陳慧賢(1980.10- )，男，工程師。

E-mail:chen_huixian@qq.com

2017-03-28

TU3

A

1004-6135(2017)08-0042-05