海信南方大厦抗震优化设计

陈慧贤 林超伟

(香港华艺设计顾问(深圳)有限公司 广东深圳 518057)



海信南方大厦抗震优化设计

陈慧贤 林超伟

(香港华艺设计顾问(深圳)有限公司 广东深圳 518057)

海信南方大厦高度为149.7m，平面呈矩形布置，结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒。采用PKPM、ETABS软件对结构进行弹性阶段的对比分析，同时采用ABAQUS软件对结构进行罕遇地震弹塑性分析。根据该工程结构超限情况，确定整体及构件的抗震性能化目标，采取有效的加强措施，最后通过大震弹塑性分析计算，表明该工程结构安全、可靠，并具有良好的抗震性能。

超高层结构；钢筋混凝土框架-核心筒；抗震性能化设计；海信南方大厦

1 工程概况

海信南方大厦位于广东省深圳市南山后海中心区。总建筑面积约为81 000m2，其中地上建筑面积63 800m2，地下建筑面积约14 700m2。地下有4层，使用功能为车库、设备用房，其中地下第三、四层局部具有人防功能。地上34层，裙楼3层，建筑高度149.7m。首层层高约7m，标准层层高4.2m，其中第五层与第二十层为避难层，层高为4.8m。±0.000相对于绝对标高为5.500m(黄海高程)。建筑效果图如图1所示。

主塔楼平面呈矩形，平面规则，属B级高度高层建筑。核心筒高宽比约为16.6。该工程有扭转不规则、偏心布置、楼板不连续及尺寸突变3条一般不规则项，且为高度超限的结构。

该工程抗震设防标准按7度区设防，设计地震分组为第一组，设防分类为丙类[1]。根据荷载规范，深圳市50年一遇的基本风压w0为0.75kN/m2，强度计算按1.1w0取值[2]。风压高度变化系数根据C类地面粗糙度采用。由于高宽比较大，风荷载体型系数取1.4[3]。抗震等级分别为核心筒一级，小偏心受拉剪力墙构造特一级，框架一级。地基基础设计等级为甲级。

2 结构布置

主楼平面较为规则，竖向体形规则连续，无转换层及结构加强层。结构选型为钢筋混凝土框架-核心筒体系，主楼周边框架为钢筋混凝土柱和钢筋混凝土梁组成。典型柱距为9m，楼面梁间距为3m。内部核心筒是结构的主要抗侧力构件，承担大部分的水平剪力，作为第一道抗震防线。核心筒外墙厚度从底部的800mm减小至顶部的400mm、600mm，主要内墙厚从底部的600mm减小至顶部的400mm。

图1 海信南方大厦效果图

框架柱由底层的1400mm×1500mm减小至顶部的800mm×800mm；标准层框架梁400mm×700mm，次梁300mm×700mm。标准层核心筒内板厚为120mm，核心筒外板厚为100mm。墙体、框架柱混凝土强度等级为C45～C60。典型平面结构图如图2所示。

图2 标准层结构平面图

3 抗震性能目标

[4]，综合考虑本工程的设防类别、设防烈度、场地及其他条件，结构整体性能指标选为C级。整体结构、局部构件设定的抗震性能目标如表1所示。

4 结构分析主要计算结果

4.1 小震分析结果

采用SATWE程序进行弹性整体计算分析，并用ETABS程序进行校核。SATWE 和ETABS 的总质量(DL+0.5LL)分别为111 600kN、111 100kN。SATWE和ETABS的主要结果如表2～表5所示。

表1 抗震性能目标

表2 周期比较

表3 地震、风荷载作用下的基底剪力、弯矩比较

表4 最大层间弹性位移角比较

表5 最大位移比

从以上对SATWE模型和ETABS模型的整体参数的比较，可以看到它们的计算结果比较接近，而且各项指标均符合规范的要求。

4.2 弹性时程分析

根据广东省工程防震研究院提供的5条天然波和2条人工波进行做弹性时程分析[5]。从表6中可以看出，各条波分别作用下的基底剪力值同反应谱基底剪力比值处于65%～135%范围之间，且平均值大于振型分解反应谱的80%和小于振型分解反应谱的120%，满足《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第5.1.2条的规定。同时上部结构各层的楼层剪力反应谱计算值均能包络七条时程波分析的平均值；时程分析得到的最大层间位移角基本都小于反应谱法得到的层间位移角。

表6 弹性时程分析与反应谱分析的基底剪力比较

可以认为按照规范反应谱来进行抗震设计是偏于安全的，在施工图设计阶段，按规范反应谱与弹性时程分析的包络值进行设计。

4.3 楼板应力补充分析

结构X向受地震作用控制，Y向风荷载与地震工况两者结果相近，且楼板需满足小、中震性能目标，故直接关注地震作用的楼板应力。楼板计算分析采用ETABS软件，楼板用膜单元进行模拟。

图3为四层Y向小震作用下的楼板应力图。从图3可以看出大部分楼板的应力在0.15MPa之内，靠近核心筒部位局部楼板出现应力集中，但楼板应力在0.3MPa内。可见，小震时楼板处于弹性状态。取核心筒边的楼板最大拉应力为0.3MPa，则每延米需要的配筋为：As=σ22,max×b×s×γRE/fyk=0.3×110×1000×0.85/(2×360)=39mm2/m(板筋为HRB400)，双层配筋时，需附加的配筋率为每层0.036%。

在小震结果的基础上，分析楼板在中震不屈服时所需的配筋量。中震应力σ中震=βσ小震，其中，σ小震和σ中震分别为小震和中震应力，β为中震放大系数，采用中震与小震的地震影响系数最大值比值β=0.23/0.088=2.61。即中震下每延米需要的配筋为：As=σ22,中震max×b×s/fyk=2.61×0.3×110×1000/(2×400)=108mm2/m，双层配筋时，需增加的配筋率为每层0.10%。

图3 四层Y方向地震作用下的楼板σ22应力图(单位：kPa)

4.4 中震分析

根据《深圳海信南方大厦工程场地地震安全性评价报告》中提供的100年超越概率10% 的地震动参数进行中震效应计算。地震影响系数最大值取为0.25，计算阻尼比采用0.05，不计算风荷载。按中震不屈服进行构件设计时，不考虑地震内力调整，荷载作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数均取1.0。即：Sk≤Rk式中，Sk为荷载效应的标准组合内力值，Rk为构件承载力标准值。在中震作用下，结构X向、Y向最大层间位移角为1/588和1/374，属轻微损坏，一般修理仍可继续使用。在中震作用下各构件根据自身性能要求设计其配筋，具体描述如下：底部加强部位剪力墙按照中震要求配筋；非底部加强部位剪力墙水平钢筋及竖向钢筋仅按照小震配筋就能满足小、中震要求；框架柱配筋主要由小震弹性结果控制。框架梁仅核心筒中部4根出现抗弯屈服，抗剪仍处于不屈服状态。同理，连梁亦能满足抗剪不屈服。总之，可通过控制构件配筋来实现构件的中震性能目标。

5 大震弹塑性计算结果

采用ABAQUS软件对大震下结构进行动力弹塑性分析。采取显式分析方法，考虑几何非线性和材料非线性，计算时间为30s。结构阻尼比取为0.05，通过设置材料的质量阻尼ALPHA来实现。模型的总质量由两部分贡献：构件自重和附加质量。构件的配筋信息取自SATWE的计算结果，纵筋采用HRB400，箍筋采用HRB400，钢材采用Q345。

5.1 地震波选取

采用2条天然波和1条人工波进行结构动力时程分析。根据《建筑工程抗震性态设计通则》附录E的推荐，对Ⅲ类场地长周期结构采用1940年Elcentro波和1952年Taft波两条天然波[6]，人工波取自安评报告提供的人工波。按《高层建筑结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》的要求，将地震波峰值加速度调整为220cm/s2。计算考虑双向地震动输入，即X和Y向按照1∶0.85的比例及按照0.85∶1的比例输入双向地震波。加速度时程反应谱曲线和规范反应谱的对比如图4所示。

图4 加速度时程反应谱曲线和目标反应谱曲线比较

5.2 计算结果

采用ABAQUS软件(大震)和ETABS软件(小震)分别进行计算对比。ABAQUS 和ETABS 的总质量(DL+0.5LL)分别为112 000kN、111 100kN。将模型的周期和振型结果与弹性计算结果进行对比，如表7所示。结果显示，ABAQUS弹性模型与ETABS弹性分析模型的动力特性是一致的。

表7 结构周期

按两主方向地震波输入得到的结构顶点位移和基底剪力值汇总如表8所示。与地震波自身的大震弹性结果比较分析，Elcentro波作用下X方向和Y方向的基底剪力约是大震弹性的0.83倍和0.63倍；TAFT波作用下X方向和Y方向的基底剪力约是大震弹性的0.50倍和0.53倍；人工波作用下X方向和Y方向的基底剪力约是大震弹性的0.51倍和0.50倍。

表8 顶点位移、基底剪力值

按两主方向地震波输入得到的最大层间位移角汇总如表9所示。与地震波自身的大震弹性结果比较分析，Elcentro波作用下X方向和Y方向层间位移角约是大震弹性的1.12倍和0.96倍；Taft波作用下X方向和Y方向层间位移角约是大震弹性的0.73倍和0.73倍；人工波作用下X方向和Y方向层间位移角约是大震弹性的0.85倍和0.72倍。

表9 地震波输入时结构最大层间位移角

5.3 损伤结果

结构核心筒剪力墙的损伤主要分布在塔楼的2/3及以上高度，损伤较为轻微，仅个别剪力墙墙厚从600mm减为400mm部位的竖向钢筋出现轻微屈服，其余墙体均处于不屈服的工作状态，满足预设的性能目标，如图5～图6所示。

图5 剪力墙受压损伤云图 图6 剪力墙的竖向钢筋最大受拉应变图

从钢筋混凝土柱截面内混凝土受压损伤分布、受拉损伤分布如图7～图8所示，钢筋混凝土框架柱在塔楼顶出现轻微受压损伤，在塔楼顶和裙楼顶部出现轻微受拉损伤，但框架柱钢筋均未出现屈服。

图7 钢筋混凝土框架柱受压损伤分布 图8 钢筋混凝土框架柱受拉损伤分布

从混凝土框架梁的受压损伤分布、受拉损伤分布如图9～图10所示。个别框架梁受压损伤因子达到1，表明混凝土纤维的受压应变到达拟定的极限应变，大多数框架梁均处于开裂工作状态。同时，梁的纵筋应变最大为0.007，主要分布在核心筒的连梁部位。可认为结构框架梁和连梁端混凝土开裂，形成梁绞机制，发挥了良好的耗能作用，出现屈服的部位主要为核心筒处的连梁，符合结构概念设计。楼板混凝土受压损伤分布如图11所示，楼板损伤分布均匀，最大损伤因子约为0.4，主要集中在核心筒角部，但损伤面积较小，属轻微损伤。因此，裙房楼板能满足拟定的抗剪截面要求。

图9 混凝土框架柱受压损伤分布 图10 混凝土框架柱受拉损伤分布

6 结构抗震加强措施

(1)采用两个不同力学模型的空间分析程序SATWE、ETABS进行弹性内力分析。根据安评报告结果，小震弹性结果取安评反应谱结果。采用ETABS软件进行结构的时程补充分析，结果表明安评反应谱结果大于弹性时程结果的平均值，设计采用安评谱结果。

(2)在中震作用下，核心筒沿X向两榀剪力墙墙体受拉。在设计工程中，对墙体采取特一级的抗震构造措施，并且在墙体内配置型钢，有助于墙体抗剪能力。

(3)根据中震不屈服和小震弹性所需的配筋结果，底部四层楼板配置附加钢筋，使其满足拟定的性能目标。

(4)连梁采用双连梁设计方法，避免大截面连梁先出现剪切屈服。

图11 楼板混凝土受压损伤

(5)对结构完成小震和中震性能化设计，并根据构件性能目标确定相应的配筋，以保证结构能实现拟定的性能目标。

7 结论

(1)依据构件的重要性划分为关键构件、一般构件和耗能构件。针对不同类别的构件进行相应设防水准下的性能分析和设计。结果表明构件可以满足设定的抗震性能目标，具有良好的抗震性能。

(2)大震弹塑性分析，裙楼及塔楼上部的框架柱承受的竖向荷载小，在弯矩作用下截面局部出现拉应力，框架柱混凝土出现受拉损伤。

(3)通过大震弹塑性分析计算，表明该结构符合强柱(墙)弱梁、强剪弱弯的屈服特征，结构具备较好的延性，实现了既定的结构性能目标，满足抗震规范“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。

参 考 文 献

[1] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2] GB 50009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[3] JGJ3-2010高层建筑结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[4] 傅学怡.实用高层建筑结构设计(第2版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[5] 深圳海信南方大厦工程场地地震安全性评价报告[R].广东省工程防震研究院,2013.

[6] CECS160:2004建筑工程抗震性态设计通则(试用)[S].北京：中国计划出版社，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

陈慧贤(1980.10- )，男，工程师。

E-mail:chen_huixian@qq.com

2017-03-28

TU3

A

1004-6135(2017)08-0042-05