深圳生命保险大厦超高层结构抗震设计

刘小秋

摘要：深圳生命保险大厦高199.5m，为框架一钢筋混凝土核心筒结构（型铜加强）。针对工程的特点，重点探讨了结构侧向刚度、抗震设防性能目标、计算分析等。通过多种计算方法研究结构侧向刚度，对结构层高相对悬殊较大出现的薄弱部位进行了研究，并采取针对性的措施进行抗震加强。

关键词：超高层写字楼；框架一核心筒结构；无加强层

中图分类号：TU973.31文献标识码：A文章编号：1674-3024（2017）08-0239-02

1.地震安全性评价报告中振型谱的应用

地震安全性评价是根据对建设工程场址和场址周围地震安全性评价的地震与地震地质环境的调查、场地震工程地质条件勘测，通过地震地质、地球物理、地震工程等多学科资料的综合评价和分析计算，按照工程类型、性质、重要性，科学合理地给出与工程抗震设防要求相应的地震动参数，以及场址的地震地质灾害预测结果。地震安全性评价工作的主要内容包括：工程场地和场地周围区域的地震活动环境评价、地震地质环境评价、断裂活动性鉴定、地震危险性分析、设计地震动参数确定、地震地质灾害评价等。

根据国务院令第323号需对国家及地方的重大工程等进行地震安全性评价。通常情况下，超高层属于超限结构，均需在初步设计前进行场地的地震安全性评价。有关部门依据《工程场地地震安全性评价》GBl7741-2005的要求向设计单位提供地震安全性评价报告。其中较为重要的是场地的振型谱即“安评谱”及设计地震动参数。安评谱的正确使用是准确进行地震作用内力标准值确定的前提，而设计人员常常只重视设计地震动参数列表而忽视报告中提供的安评谱曲线。设计实践中常常应用安评谱的设计地震动参数对规范谱进行调整后输入计算程序确定地震内力，这种做法是不妥的。

2.结构单元划分的一个重要影响因素

结构缝（伸缩缝、沉降缝、防震缝）的设置，应根据建筑结构平面和竖向的布置情况、地基情况、基础类型、结构刚度及抗震要求和荷载作用的差异等条件综合考虑，通常情况下，应调整建筑平面尺寸和结构布置，采取必要的构造和施工措施，能不设缝就不设缝，能少设缝就少设缝。设计实践中，超高层建筑与裙房间通常形成一个整体，以提高结构的整体刚度，对结构的抗扭刚度、位移角等均会产生有利影响。但同时，有一個重要的影响因素易被忽略，即结构单元内经常使用人数。根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223--2008中6.0.11条文规定，高层建筑中，当结构单元内经常使用人数超过8000人时，抗震设防类别宜划为重点设防类。

超高层建筑因其结构的重要性，宜偏严控制。当主楼与大面积裙房相连，且主楼高度较高，主要使用能为住宅时，结构单元内经常使用人数容易突破8000人，因此建议设计人员在主裙间是否设缝问题上，应该对这个重要因素加以重视。

3.简体结构中框架部分承担的地震剪力比例

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中第9.1.11条规定，简体结构中框架部分分配的楼层地震剪力标准值的最大值不宜小于结构底部总地震剪力标准值的10%。当不满足时，规范也提供了一个调整方法：各层框架部分承担的地震剪力标准值应增大到结构底部总地震剪力标准值的15%；与此同时，各层核心筒墙体的地震剪力标准值宜乘以增大系数1.1，但不可大于结构底部总地震剪力标准值，墙体的抗震构造措施应按抗震等级提高一级后采用，已为特一级的可不再提高。有加强层时，框架部分剪力的统计不包括加强层及其上、下层。这款规范条文体现了抗震多道防线的设计理念，即框架作为第二道设防防线相对于第一道防线的核心筒不能太弱。如果框架部分太弱，则需对第一道防线加以更为严格的措施要求。

规范提供了各层框架部分地震剪力标准值最大值小于总剪力标准值10%时的应对措施，在一般高层建筑设计中是适用的，但在超高层设计实践中，由于地震作用程度较高，核心筒大面积开裂刚度下降时，框架部分会承担过大的地震作用，可能会出现不可预见的重大损失。因此在多项工程的超限审查过程中，均要求筒体结构中各层框架部分的最大地震剪力标准值必须满足底部总地震剪力标准值的10%。若在某些特殊情况下，确不能满足时，框架的承担比例可略小于10%，且必须针对不同的结构构件提出较高的性能目标，不能简单的按照规范条文执行。

4.工程概况与结构体系

该项目建设用地位于深圳市中心区，金田路与福中一路交汇处的东南角。北面是地铁大厦，东面是天健花园，西南向是深圳市市民中心，西北向是青少年宫。该工程为一商业.办公一体综合高层建筑。地下4层，地上44层，其中裙房5层，首层层高15.6米，标准层层高4.15米，建筑总高度199.5米，16层及32层为建筑避难层，1～3层为商业，其余均为办公楼层。结构体系为框架一核心筒结构，主楼底部17层以下框架柱为型钢混凝土柱，各层楼面及屋面均采用钢筋混凝土梁板体系。

5.结构超限与设计方法

本工程超限情况：结构顶标高199.5米，高于框筒结构最高180米的B级高度限值，为超B级高度建筑，另底部裙房部分楼层扭转1类不规则。

场地地震安全性评价：本工程建筑的抗震设防分类为丙类。地震作用与抗震措施均按7度设防要求，设计基本地震加速度值为0.1g，地震分组为第一组。根据广东省工程防震研究院提供的本工程的安平报告文件，本工程场地类别为1～2类，属于中软一中硬场地土。

针对结构超限，通过对建筑抗震性能设计的各项性能指标评估和本着“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计原则，分别按小震，中震，大震进行设计计算。

抗震设计要求及性能目标：小震下基本结构构件均处于弹性，保证小震下充分运行；在设防烈度地震作用下，由于核心筒是结构的主要抗侧力构件，在中震作用下，底部加强区核心筒处于弹性，非底部加强区核心筒不屈服，框架柱不屈服，首层框架柱处于弹性，连梁部分屈服，框架梁不屈服；在罕遇地震作用下，首层框架柱和底部加强区核心筒剪力墙可发生局部弯曲屈服，但剪切不屈服；非底部加强区核心筒剪力墙可以部分屈服，框架柱不发生整层屈服，连梁作为结构的耗能构件，允许其屈服破坏。

结构计算分析：利用etabs和stawe分别进行了整体线弹性分析，对比了两者的分析结果，发现吻合较好。

两者分析主要结果对比

周期

Stawe第一振型Y向平动周期5.100秒

第二振型x向平动周期4.263秒

第三振型扭转周期3.823秒

扭转周期比0.75

Etabs第一振型Y向平动周期5.293秒

第二振型x向平动周期4.349秒

第三振型扭转周期3.894秒

扭转周期比0.74

振型质量参与系数均大于90%，满足规范要求

地震作用下剪重比均满足规范剪重比要求。

层间位移角

地震作用：Stawe最大层间位移角x向：1/1419Y向：1/1128

Etabs最大层间位移角x向：1/1451Y向：1/1104

风力作用：Stawe最大层间位移角x向：1/1865Y向：1/842

Etabs最大层间位移角x向：1/1962Y向：1/857

两计算结果基本一致，层间位移角均满足要求，风荷载为控制荷载

中震作用下的结构分析：

本工程做了中震弹性和中震不屈服分析。在设防烈度地震作用下，地震影响系数最大值ot max=0.23，不考虑构件抗震等级，分项系数、组合系数及承载力抗震调整系数均与小震相同，内力调整系数取1.0，风荷载不参与组合。分析结果表明中震弹性结果大于小震弹性计算结果，首层框架柱、底部加强区核心筒剪力墙的抗剪承载力满足中震弹性要求，与设定抗震性能目标一致。

中震不屈服：设防烈度地震作用下，地震影响系数最大值αmax=0.23，不考虑构件抗震等级，分项系数、组合系数及承载力抗震调整系数、内力调整系数均取1.0，风荷载不参与组合。在中震作用下，部分连梁出现抗弯屈服，但所有竖向构件均不屈服，底部剪力墙加强配筋后可达到中震弹性状态。满足设定抗震性能目标要求。

罕遇地震的Pushover分析：采用perform-3d弹塑性分析程序进行分析。本结构的分析采用弹塑性纤维+弹塑性剪切性质（名义剪应力）的单元模型来模拟剪力墙的轴向一弯曲变形和剪切变形。剪力墙只考虑平面内的弯曲和剪切弹塑性性质，平面外弯曲和轴向变形均做弹性假定。分析考虑材料的应力应变关系和重力二阶效应，荷载考虑D+O.5L的重力荷载，侧向荷载取CQC法计算得到的层地震力分布，分别从x、Y的正负两个方向做静力弹塑性分析，计算结果周期如下：5.00，4.27，3.97，前6阶振型如下图

结构大震性能点，该点对应的基底剪力相当于小震coc结果的4.3倍，其顶点位移相当于小震CQC结果的4.8倍；

推覆分析得到的x向的最大层间位移角为1/252，Y向的最大层间位移角为1/246。均小于规范的1/100，满足规范要求。

Pushover分析结果表明整个结构的反应过程，首先是中下部楼层的连梁发生屈服，随之是各楼层连梁发生屈服和部分框架梁屈服，到大震性能点时，构件损伤程度都满足预先设定的性能要求。此时，底部框架柱未出现PMM铰，为弹性反应，剪力墙肢的混凝土纤维，钢筋纤维的应力尚未达到材料强度标准值，即不会出现混凝土压碎和钢筋屈服的情况。

根据1.23z分析，对结构超限采取以下加强措施：

（1）采用两个不同力学模型的空间分析程序Satwe和Etabs進行计算，计算结构基本一致，施工图设计时，采用2软件的不利结果进行包络设计。

（2）根据广东省工程防震研究院提供的安评报告中的地震参数，可见规范值大于安评报告，因此，在初步设计时，采用规范所提供的地震参数进行计算，施工图设计时，也将采用规范值进行计算，偏于安全设计。

（3）结构小震抗震计算时，采用振型分解反应谱法，并用弹性时程分析方法进行补充，计算结果表明，所选地震波及场地波计算结果的平均值小于规范反应谱法计算的结果，表明2种程序计算用规范反应谱法计算的结果是基本合理的，但考虑到有的地震波作用下，时程分析法顶部地震反应较大，对顶部结构应作适当加强。

（4）中震作用下，部分楼层的剪力墙连梁出现抗弯屈服，但所有竖向构件均不屈服，底部剪力墙经加强配筋后达到中震弹性状态，满足设定的抗震性能目标。本工程跨高比较小的连梁是结构的薄弱部位，在施工图设计时，在连梁中加设暗撑或斜钢筋，增加延性，保证连梁不发生抗剪破坏。

本工程首层剪力墙，经罕遇地震静力弹塑性分析，在罕遇地震下未出现抗弯屈服。剪力墙底部加强区域墙体分布配筋率及约束边缘构件配筋率均适当提高，以提高剪力墙的抗弯承载能力，同时保证其抗剪承载能力，满足强剪弱弯的抗震设计要求。