陳慧賢 林超偉

(香港華藝設(shè)計(jì)顧問(wèn)(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(shè)計(jì)

陳慧賢 林超偉

(香港華藝設(shè)計(jì)顧問(wèn)(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(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架-核心筒。采用PKPM、ETABS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性階段的對(duì)比分析，同時(shí)采用ABAQUS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震彈塑性分析。根據(jù)該工程結(jié)構(gòu)超限情況，確定整體及構(gòu)件的抗震性能化目標(biāo)，采取有效的加強(qiáng)措施，最后通過(guò)大震彈塑性分析計(jì)算，表明該工程結(jié)構(gòu)安全、可靠，并具有良好的抗震性能。

超高層結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土框架-核心筒；抗震性能化設(shè)計(jì)；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)。總建筑面積約為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(kù)、設(shè)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(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m，其中第五層與第二十層為避難層，層高為4.8m。±0.000相對(duì)于絕對(duì)標(biāo)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(jí)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(xiàng)，且為高度超限的結(jié)構(gòu)。

該工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)按7度區(qū)設(shè)防，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)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(fēng)壓w0為0.75kN/m2，強(qiáng)度計(jì)算按1.1w0取值[2]。風(fēng)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(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4[3]?？拐鸬燃?jí)分別為核心筒一級(jí)，小偏心受拉剪力墻構(gòu)造特一級(jí)，框架一級(jí)。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

2 結(jié)構(gòu)布置

主樓平面較為規(guī)則，豎向體形規(guī)則連續(xù)，無(wú)轉(zhuǎn)換層及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)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(biāo)準(zhǔn)層框架梁400mm×700mm，次梁300mm×700mm。標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度等級(jí)為C45～C60。典型平面結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

3 抗震性能目標(biāo)

[4]，綜合考慮本工程的設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地及其他條件，結(jié)構(gòu)整體性能指標(biāo)選為C級(jí)。整體結(jié)構(gòu)、局部構(gòu)件設(shè)定的抗震性能目標(biāo)如表1所示。

4 結(jié)構(gòu)分析主要計(jì)算結(jié)果

4.1 小震分析結(jié)果

采用SATWE程序進(jìn)行彈性整體計(jì)算分析，并用ETABS程序進(jìn)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(jié)果如表2～表5所示。

表1 抗震性能目標(biāo)

表2 周期比較

表3 地震、風(fēng)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(duì)SATWE模型和ETABS模型的整體參數(shù)的比較，可以看到它們的計(jì)算結(jié)果比較接近，而且各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范的要求。

4.2 彈性時(shí)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(jìn)行做彈性時(shí)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(yīng)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(yīng)譜的80%和小于振型分解反應(yīng)譜的120%，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)第5.1.2條的規(guī)定。同時(shí)上部結(jié)構(gòu)各層的樓層剪力反應(yīng)譜計(jì)算值均能包絡(luò)七條時(shí)程波分析的平均值；時(shí)程分析得到的最大層間位移角基本都小于反應(yīng)譜法得到的層間位移角。

表6 彈性時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析的基底剪力比較

可以認(rèn)為按照規(guī)范反應(yīng)譜來(lái)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)是偏于安全的，在施工圖設(shè)計(jì)階段，按規(guī)范反應(yīng)譜與彈性時(shí)程分析的包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.3 樓板應(yīng)力補(bǔ)充分析

結(jié)構(gòu)X向受地震作用控制，Y向風(fēng)荷載與地震工況兩者結(jié)果相近，且樓板需滿足小、中震性能目標(biāo)，故直接關(guān)注地震作用的樓板應(yīng)力。樓板計(jì)算分析采用ETABS軟件，樓板用膜單元進(jìn)行模擬。

圖3為四層Y向小震作用下的樓板應(yīng)力圖。從圖3可以看出大部分樓板的應(yīng)力在0.15MPa之內(nèi)，靠近核心筒部位局部樓板出現(xiàn)應(yīng)力集中，但樓板應(yīng)力在0.3MPa內(nèi)?？梢?jiàn)，小震時(shí)樓板處于彈性狀態(tài)。取核心筒邊的樓板最大拉應(yīng)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(shí)，需附加的配筋率為每層0.036%。

在小震結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析樓板在中震不屈服時(shí)所需的配筋量。中震應(yīng)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(yīng)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(shí)，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(yīng)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(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》中提供的100年超越概率10% 的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行中震效應(yīng)計(jì)算。地震影響系數(shù)最大值取為0.25，計(jì)算阻尼比采用0.05，不計(jì)算風(fēng)荷載。按中震不屈服進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮地震內(nèi)力調(diào)整，荷載作用分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合內(nèi)力值，Rk為構(gòu)件承載力標(biāo)準(zhǔn)值。在中震作用下，結(jié)構(gòu)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(gòu)件根據(jù)自身性能要求設(shè)計(jì)其配筋，具體描述如下：底部加強(qiáng)部位剪力墻按照中震要求配筋；非底部加強(qiáng)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(jié)果控制?？蚣芰簝H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。總之，可通過(guò)控制構(gòu)件配筋來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的中震性能目標(biāo)。

5 大震彈塑性計(jì)算結(jié)果

采用ABAQUS軟件對(duì)大震下結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)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(jì)算時(shí)間為30s。結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.05，通過(guò)設(shè)置材料的質(zhì)量阻尼ALPHA來(lái)實(shí)現(xiàn)。模型的總質(zhì)量由兩部分貢獻(xiàn)：構(gòu)件自重和附加質(zhì)量。構(gòu)件的配筋信息取自SATWE的計(jì)算結(jié)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(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析。根據(jù)《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》附錄E的推薦，對(duì)Ⅲ類場(chǎng)地長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)采用1940年Elcentro波和1952年Taft波兩條天然波[6]，人工波取自安評(píng)報(bào)告提供的人工波。按《高層建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，將地震波峰值加速度調(diào)整為220cm/s2。計(jì)算考慮雙向地震動(dòng)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(shí)程反應(yīng)譜曲線和規(guī)范反應(yīng)譜的對(duì)比如圖4所示。

圖4 加速度時(shí)程反應(yīng)譜曲線和目標(biāo)反應(yīng)譜曲線比較

5.2 計(jì)算結(jié)果

采用ABAQUS軟件(大震)和ETABS軟件(小震)分別進(jìn)行計(jì)算對(duì)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(jié)果與彈性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表7所示。結(jié)果顯示，ABAQUS彈性模型與ETABS彈性分析模型的動(dòng)力特性是一致的。

表7 結(jié)構(gòu)周期

按兩主方向地震波輸入得到的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)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(jié)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(diǎn)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(jié)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(shí)結(jié)構(gòu)最大層間位移角

5.3 損傷結(jié)果

結(jié)構(gòu)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(gè)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(yù)設(shè)的性能目標(biāo)，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(yīng)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(gè)別框架梁受壓損傷因子達(dá)到1，表明混凝土纖維的受壓應(yīng)變到達(dá)擬定的極限應(yīng)變，大多數(shù)框架梁均處于開(kāi)裂工作狀態(tài)。同時(shí)，梁的縱筋應(yīng)變最大為0.007，主要分布在核心筒的連梁部位?？烧J(rèn)為結(jié)構(gòu)框架梁和連梁端混凝土開(kāi)裂，形成梁絞機(jī)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(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)。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(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施

(1)采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的空間分析程序SATWE、ETABS進(jìn)行彈性內(nèi)力分析。根據(jù)安評(píng)報(bào)告結(jié)果，小震彈性結(jié)果取安評(píng)反應(yīng)譜結(jié)果。采用ETABS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的時(shí)程補(bǔ)充分析，結(jié)果表明安評(píng)反應(yīng)譜結(jié)果大于彈性時(shí)程結(jié)果的平均值，設(shè)計(jì)采用安評(píng)譜結(jié)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(shè)計(jì)工程中，對(duì)墻體采取特一級(jí)的抗震構(gòu)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(jié)果，底部四層樓板配置附加鋼筋，使其滿足擬定的性能目標(biāo)。

(4)連梁采用雙連梁設(shè)計(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)完成小震和中震性能化設(shè)計(jì)，并根據(jù)構(gòu)件性能目標(biāo)確定相應(yīng)的配筋，以保證結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)擬定的性能目標(biāo)。

7 結(jié)論

(1)依據(jù)構(gòu)件的重要性劃分為關(guān)鍵構(gòu)件、一般構(gòu)件和耗能構(gòu)件。針對(duì)不同類別的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)防水準(zhǔn)下的性能分析和設(shè)計(jì)。結(jié)果表明構(gòu)件可以滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)，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(yīng)力，框架柱混凝土出現(xiàn)受拉損傷。

(3)通過(guò)大震彈塑性分析計(jì)算，表明該結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)柱(墻)弱梁、強(qiáng)剪弱彎的屈服特征，結(jié)構(gòu)具備較好的延性，實(shí)現(xiàn)了既定的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，滿足抗震規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[2] GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[3] JGJ3-2010高層建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[4] 傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(第2版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[5] 深圳海信南方大廈工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)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(shè)計(jì)通則(試用)[S].北京：中國(guó)計(jì)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