招商銀行深圳分行大廈主塔樓結構抗震性能化設計(建筑)

                         史  杰，  施  泓，  尹海鵬

                  （中國建筑設計院有限公司，北京100044）

[摘要]  招商銀行深圳分行大廈主塔樓結構高度為160. 2m，外框架存在兩次斜柱轉換，高位轉換以下采用鋼管混凝土柱、鋼梁框架+鋼筋混凝土核心筒，高位轉換以上采用鋼筋混凝土柱+鋼筋混凝土梁+鋼筋混凝土核心筒結構體系。采用SATWE，MIDAS/Building軟件對結構進行了整體計算和彈性時程分析，采用ABAQUS軟件對結構進行了大震彈塑性分析；采用ANSYS軟件對斜柱轉換進行了節點分析，對底部躍層柱進行了屈曲分析。計算結果表明，結構各項指標均滿足規范相關要求，最后通過概念設計對關鍵和重要構件作了適當加強，在構造措施方面亦作了相應處理，整體結構滿足小震不壞，中震下主要構件不屈服、震后可以修復，大震不倒塌的抗震設防目標。

[關鍵詞]  招商銀行深圳分行大廈；斜柱轉換；鋼管混凝土柱；躍層柱

中圖分類號：TU318  文章編號：1002-848X(2016)09-0019-06

1  工程概況

    本工程位于廣東省深圳市福田中心區鵬程一路與深南大道交匯處東北角，總建筑面積約10.7萬m²，由主塔樓和配套裙房組成。主塔樓地上35層，標準層層高4. 4m，結構高度160. 2m，局部170. 0m;裙房地上5層，層高5. 0m，結構高度27m；主塔樓和裙房共用地下室，均為4層，層高5m，其中裙房部分含一夾層（層高3. 85m），埋深大約21m。裙房位于主塔樓北側和西側，共兩部分，主塔樓結構與裙房結構在±0. 000m標高處設縫脫開，主塔樓與裙房之間、裙房與裙房之間連廊以及屋面利用鋼梁連接，并且一端為鉸接、一端為滑動支座，建筑效果圖見圖1，整體平面布置見圖2。

    建筑抗震設防類別為一般設防類，抗震設防烈,度為7度，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0. 35s。高層部分取100年一遇基本風壓0. 90 k N/m²，地面粗糙度為C類。場地內分布的地層主要有人工填土層、第四系沖洪積層、殘積層，下伏基巖為燕山晚期花崗巖?；�礎采用人工挖孔樁及抗浮錨桿，抗浮水位取至室外地坪。

2  設計條件

2.1風荷載

    甲方委托廣東省建筑科學研究院進行了風洞試驗。根據建筑圖紙以1：200精確建模，以反映建筑外形對其表面風壓分布的影響；對周邊的建筑物也制作了同等比例的縮尺模型以反映環境的干擾。風洞試驗給出了不同風向角下的基礎等效靜力風荷載和各樓層的等效靜力風荷載。根據風洞試驗結果，100年一遇風荷載作用下，X向等效基底傾覆力矩最大值為1932071. 5kN .m，發生在70⁰風向角下；Y向等效基底傾覆力矩最大值為1905 910. 8kN．m，

發生在120⁰風向角下。筆者對本工程4種不同來風方向(0⁰，70⁰，120⁰，270⁰)進行了計算分析，并和采用《建筑結構荷載規范》( GB 5009-2001)( 2006年版)計算結果進行了比較，如表1所示。計算結果表明，按風洞試驗計算得出的基底剪力、傾覆力矩和最大層間位移角略小于規范計算結果，設計時風荷載按規范取值。

2.2地震作用

    小震作用下，安評報告中地震影響系數最大值a _max較大，但特征周期較短，衰減指數較大。當結構自振周期較小時，安評譜地震影響系數最大值a _max偏大；當結構自振周期較大時，規范譜地震影響系數最大值a _max偏大。本工程高度超過160m，前幾階結構自振周期均較大，故按照《建筑抗震設計規范》( GB 50011-2001)（2008年版）（簡稱抗規）設計結果偏于安全，小震下按照安評譜與按照規范譜計算所得基底剪力及傾覆力矩見表2。由表2可以看出，阻尼比分別取0. 05和0.04時，規范譜在X向和Y向的基底剪力與傾覆力矩均大于安評譜下的計算結果，故本工程的小震、中震和大震均采用規范的地震動參數進行分析計算。

3  結構方案

    本工程塔樓平面呈正方形，建筑高寬比為3. 64，核心筒高寬比為7.81。結合建筑平面及立面特點可采用框架一核心筒結構體系或筒中筒結構體系（外筒為密柱高梁，下部為密柱稀柱轉換），由于建筑總高度僅稍超過《高層建筑混凝土結構技術規程》( JGJ 3-2002)（簡稱高規）限值且建筑高寬比數值較為合理，考慮經濟適用性，采用框架一核心筒結構體系。

    為了突出招商銀行的標志，建筑在外立面上采用了上下兩次斜柱轉換，見圖3。下部斜柱轉換在1～3層，另在4層設置桁架轉換承托上部懸空柱；上部斜柱轉換在18~20層，另在21層設置桁架轉換承托上部懸空柱。在方案設計階段，考慮過以下幾種結構方案（表3），綜合造價及實施難易程度等因素，最終采用方案4作為實施方案。

鋼筋混凝土核心筒是抗側力體系的主要組成部分，抵抗了大部分水平外力，包括風荷載作用和地震作用。外框架主要承擔豎向荷載作用，為結構抗側力的第二道防線。外框架柱距為7. 08m，與核心筒軸距為11. 0m。外框架存在兩次轉換，其下部東側、南側為6根斜柱轉換，僅角柱貫通，其上設置了桁架轉換；西側、北側為2根斜柱轉換，有6根柱貫通，見圖3(a)。由于結構四面布置不對稱，造成結構具有扭轉趨勢；其上部轉換結構四面布置相同，均為4根斜柱轉換，4根柱貫通，見圖3(b)。

    高位轉換以下結構采用鋼管混凝土柱、鋼梁框架+鋼筋混凝土核心筒，高位轉換以上結構采用鋼筋混凝土柱+鋼筋混凝土梁+鋼筋混凝土核心筒。

    標準層平面布置圖見圖4。鋼梁與鋼筋混凝土核心筒鉸接，與外框架柱剛接。樓板采用現澆鋼筋混凝土結構，地下4層~地上22層核心筒外墻厚500mm，23~35層400mm;地下4層~地下1層采用鋼骨柱(截面尺寸為1 500 x1 500，鋼骨截面為Hl1200×250×16×25)，1~22層采用鋼管混凝土柱（鋼管截面為1200 x1 200～1000 x1 000），23~25層采用鋼骨柱（截面尺寸為900×900，鋼骨截面為H600×200x25×20），26~35層采用鋼筋混凝土柱（截面尺寸為900×900）；混凝土強度等級為C60，C50，C40，由下至上依次減??；型鋼均采用Q345B。

4  結構超限情況、抗震等級以及抗震性能指標

    根據抗規、高規和《超限高層建筑工程抗震設防審查技術要點》（建質[ 2010] 109號）以及廣東省超限高層建筑工程抗震設防審查細則有關規定，本工程結構超限情況見表4。由表4可以看出，本工程為存在5項不規則、體型嚴重不規則且高度超限的復雜高層建筑。

    主塔樓抗震等級為：1）地上部分：核心筒底部加強區（6層及以下）墻體抗震等級為特一級，6層以上核心筒墻體、框架柱、框架梁及斜柱抗震等級為一級；2）地下室：地下1層核心筒墻體抗震等級為特一級，地下1層框架柱為一級，其他核心筒墻體、框架梁、框架柱為三級。結構各部位抗震性能指標見表5。

5  計算分析

5.1小震計算

    采用SATWE軟件對主塔樓進行整體計算及彈性時程分析，并采用MIDAS/Building軟件進行比較計算，主要計算結果見表6。由表6可以看出，SATWE，MIDAS/Building軟件計算結果相近，說明計算結果合理、有效；小震彈性時程分析結果滿足高規要求。

5.2中震計算

    大部分構件按中震不屈服計算得出的組合內力小于小震彈性計算得出的組合內力，主要原因有：1)中震不屈服不考慮0. 2Q₀（Q₀為基底剪力）調整系數的影響，該系數放大了外框架所承擔的地震力；2)中震不屈服不考慮風荷載參與組合，而本工程靠近海邊，風荷載較大；3）中震不屈服不考慮構件地震力調整；4）中震不屈服采用材料強度標準值。因此，本工程按小震下計算結果配筋，除個別連梁在中震情況下可能屈服外，其他所有構件均可實現不

屈服。

    按中震彈性計算得出的部分構件的組合內力略大于小震彈性計算得出的組合內力。配筋驗算結果表明，除了部分連梁剪切超筋和極少數墻肢和框架梁出現抗彎超筋外，其他構件均可滿足中震彈性的要求。

5.3大震計算

    按大震不屈服計算，重要的結構構件如轉換斜柱及斜柱間鋼梁、框支柱等均未屈服。核心筒剪力墻有相當一部分已經抗彎屈服，但是剪切未屈服；部分框架梁梁端發生屈服。彈性計算得出，大震下X向最大層間位移角為1/225，y向最大層間位移角為1/269，均滿足高規限值1/100的要求。根據大震不屈服計算，可初步判斷本結構可實現“大震不倒”的設防目標。

    采用ABAQUS軟件對結構進行大震彈塑性分析，混凝土采用ABAQUS軟件提供的混凝土彈塑性損傷模型，能夠較好地模擬鋼筋混凝土構件在往復循環加載下混凝土從出現開裂直至完全壓碎退出工作過程中的剛度退化和強度恢復特性。

    為了驗證大震彈塑性分析結果的合理性，采用MIDAS/Building和ABAQUS軟件分別對結構進行了大震彈性分析，并與大震彈塑性分析結果進行比較。大震彈性分析采用與大震彈塑性相同的地震波和模型，只是不考慮材料的非線性，主要計算結果見表7。大震彈塑性計算結果表明：

    (1)結構最大層間位移角為1/186，滿足高規要求。

    (2)墻體：天然波1作用下，核心筒墻體中，2～15層外墻與中間墻相交處、3 N17層內墻與樓梯間墻相交處局部存在較大受壓損傷。墻體受拉損傷分布較廣，墻體縱筋除頂部有局部進入塑性外，其余鋼筋均未進入屈服。除天然波1作用下，底部加強區內墻體水平筋在連梁附近局部3處有塑性應變外，其余墻體水平筋均未進入屈服。通過對受壓損傷較大墻肢進行受力分析可知，墻肢抗剪承載力大于其所承擔剪力，說明底部加強區簡體剪力墻抗剪不屈

服，滿足性能目標。

    (3)轉換桁架：1）斜柱中混凝土未出現受壓損傷，上部轉換斜柱存在局部輕微的混凝土受拉損傷，鋼管保持彈性，最大應力為312MPa，大震不屈服，滿足性能目標；2）斜柱轉換桁架上下弦梁及二次轉換桁架上下弦梁均未進入屈服，滿足性能目標；3）二次轉換鋼桁架腹桿保持彈性，最大應力為260MPa，滿足性能目標。

    (4)-般框架柱：1）柱中混凝土無受壓損傷；2）墻體兩角柱及屋面處混凝土框架柱混凝土有較小的受拉損傷，除屋面處框架柱中的鋼筋部分進入受拉壓屈服外，其余均保持彈性。

    (5)樓板：1）上部轉換層下弦所在樓板即17層樓板受壓損傷程度相對較大，但受壓損傷因子大部分不超過0.7，不影響傳遞結構剪力，其余樓層受壓損傷較為輕微；2）樓板受拉損傷程度較大，板內鋼筋基本保持彈性。樓板受拉損傷主要是因為計算時樓板配筋按最小配筋率設置的樓板鋼筋間距較大。

    綜上可知，該結構能夠抵御人工波及天然波1、天然波2的作用，實現既定的抗震性能目標。

5.4舒適度計算

    根據《高層建筑鋼結構技術規程》( JGJ 99-98)計算得出，結構頂點加速度值為：順風向

0. 032m/s²，橫風向0.193m/s²，均小于規范限值。風振計算報告提供了10年重現期各風向下結構頂部的最大加速度，X向頂部加速度峰值大于y向頂部加速度峰值，X向頂部加速度峰值最大值出現在1800風向角，為0.1031m／s²，頂部合成加速度峰值也出現在1800風向角，為0.1070m/s²，小于規范限值。

6  節點分析

    結構外立面上采用了上下兩次斜柱轉換，在斜柱與豎直柱交匯處節點受力較為復雜，主要節點構造圖見圖5。為了保證節點在大震作用下不屈服的性能目標，利用ANSYS軟件分別對1層和18層的4個鋼管混凝土組合節點進行了大震作用下的受力驗算。

    基本思路為：1）采用MIDAS/Building軟件對整體結構進行大震彈性時程分析，提取節點匯交桿件的相應截面內力進行工況組合，選取最不利工況進行有限元計算。2）在采用MIDAS/Building軟件對整體結構進行時程分析時，分別選取X向、Y向地震作用下節點的最不利內力。其中最不利內力的選取方法為：選取單根柱（豎直柱SZ和斜柱XZ）壓力達到最大時刻時所有構件的內力進行組合；選取所有柱壓力之和達到最大時的所有柱的內力進行組合。

    考慮到強震作用下樓板破壞對結構受力的不利影響，樓板選用了只傳遞豎向荷載的虛板。

    邊界條件的施加：首先確定大震作用下最不利內力產生的時間，將匯交于該節點的柱和梁構件在該時間點各荷載工況下的內力值進行組合，然后約束某一構件端部，將桿件內力值施加于其他構件，最后將ANSYS軟件計算得到的支座反力與MIDAS/Building軟件中的構件內力進行平衡校核。典型節點計算應力圖見圖6。由圖6可以看出：1）各個節點均能滿足大震不屈服的性能目標；2）所計算分析節點的薄弱部位為豎直柱與斜柱或斜柱之間匯交的截面面積最小處，鋼材的最大von Mises應力出現在鋼管的棱角部分，混凝土的最大主壓應力則出現在鋼梁的翼緣附近。

7  樓層剪力分配

    外框架立面上兩次斜柱轉換和轉換桁架相當于形成了腰桁架，其的存在對地震作用下結構樓層剪力分配產生了較大的影響，主塔樓樓層剪力分配見圖7，其中v₀為基底剪力。

    從圖中可以看出，由于斜柱轉換及桁架轉換層外框架剛度增大，導致其分配的地震剪力較多。這表明在斜柱轉換及桁架轉換層處，大量地震剪力通過樓板在簡體和外框架之間傳遞，其數值達到4 000kN（大致通過兩層樓板傳遞）。為此，將斜柱轉換上下樓層、桁架轉換樓層，即1，4，5，18，21，22層樓板加厚至200mm，雙層雙向配筋。

8  底部躍層柱屈曲分析

    結構在底部有跨躍3層的躍層直柱和斜柱，直柱高度為17m，斜柱高度約為18. 4m，采用ANSYS軟件對其進行整體穩定性分析。首先對構件進行特征值屈曲分析，根據結構的第1階屈曲模態并按照L/1 000（L為桿件計算長度）對構件施加初始缺陷，然后再對構件進行非線性有限元分析，得到構件的荷載一位移曲線，見圖8。分析結果表明躍層柱滿足承載力要求。

9  抗連續倒塌概念設計

    結構在底部有三層高的躍層直柱和斜柱，考慮到這些結構構件的重要性，采用逐個拆除構件的方法對結構進行抗連續倒塌計算復核，其中原斜柱與鋼梁之間均采用剛接連接。通過抗連續倒塌計算得出，拆除單個構件后，剩余結構的內力和變形能夠滿足抗連續倒塌設計的要求。

10  結論

    (1)本工程屬于B級高層建筑，結構形式較為復雜，存在多項不規則，采用概念設計方法，對整體結構體系及布置進行優化。綜合造價及實施難易程度等因素，高位轉換以下采用鋼管混凝土柱+鋼梁框架+鋼筋混凝土核心筒，高位轉換以上采用鋼筋混凝土柱+鋼筋混凝土梁+鋼筋混凝土核心筒結構體系。

    (2)對轉換斜柱、轉換桁架、核心筒底部加強區等結構關鍵部位提出了抗震性能指標，對關鍵構件和關鍵節點進行了有限元分析計算，節點和構件均能滿足設定的性能目標。

    (3)采取多種軟件對結構進行了小震、中震和大震下的彈性、彈塑性分析，保證了整體結構滿足小震不壞，中震下主要構件不屈服、震后可以修復，大震不倒塌的抗震設防目標。