建行河南分行综合业务大楼主楼结构性能化设计

胡剑昆

（张家口市维佳工程设计咨询有限公司，张家口075000）

图1 建筑鸟瞰图

0 引 言

我国的建筑抗震设计以“三个水准”（即小震不坏、中震可修、大震不倒）为抗震设防目标，即多遇地震下结构保持弹性状态，设防烈度地震和罕遇地震下允许结构进入弹塑性状态，但控制结构变形.大多数时候的工程设计按照多遇地震来对结构进行弹性阶段的计算和分析，仅仅是做到了“小震不坏”，但是对于后两个水准，没有明确判断.通过对结构的不规则程度的限制和不同构件的延性要求，来实现“中震可修”、“大震不倒”的设防目标.

1 工程概况

建行河南分行综合业务大楼工程位于河南省郑州市，总建筑面积85216 m2（地上61504.0 m2，地下23712 m2），建筑物由超高层主楼（34层）、裙房（4层）和地下室（3层）组成.地上部分主要用途为综合业务办理及办公；地下部分主要用途为地下车库、餐厅、机房、金库（库房）及人防区.工程主楼采用钢筋混凝土框架－核心筒结构，裙房为采用钢筋混凝土框架结构，门头采用钢框架－张弦梁结构.

2 主要设计参数

基本风压取0.50 k N／m2（100年一遇，用于主楼结构设计）；基本风压取0.45 k N／m2（50年一遇，用于裙房结构设计）；地面粗糙度为C类；基本雪压0.4 k N／m2，准永久值系数为0.2；抗震设防烈度7度（0.15 g），设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类；抗震设防类别为标准设防类；抗浮设计水位-3.9米；场地标准冻深0.3米；混凝土的环境类别：与土体直接接触的部位、地上处在室外露天环境下的结构为Ⅰb级，室内环境为Ⅰa级.

图2 典型结构平面布置

3 结构抗震性能目标的选择

按照抗震设防烈度、场地类别和抗震设防分类，核心筒抗震等级为一级，框架（包括型钢混凝土柱）抗震等级为一级，大跨梁和悬挑长度超过2米的悬挑梁、超短柱抗震等级为特一级，地下一层以下构件抗震等级为三级.针对不同结构部位的重要程度，按照关键构件、普通构件、耗能构件的区分，设计采用了不同的抗震性能目标，如下表：

地震烈度 多遇烈度 设防烈度 罕遇烈度整体结构抗震性能 完好 可修复 不倒塌允许层间位移 1／800 — 1／100地下一层／一层框架柱 弹性 不屈服 允许进入塑性，控制塑性变形核心筒、地上型钢混凝土柱（包括超短柱） 弹性 弹性 不发生脆性破坏大跨梁、超过2米的悬挑梁弹性（同时考虑竖向地震作用）弹性（同时考虑竖向地震作用）不发生剪切破坏（同时考虑竖向地震作用）其余各层构件性能 抗震性能满足规范要求

4 计算措施

主要计算参数如下：

地上层数34层地下层数 3层0.5抗震设防烈度 7度（0.15 g）设计地震分组 第一组特征周期Tg 0.45 s多遇水平地震影响系数最大值 0.12罕遇水平地震影响系数最大值 0.72场地类别 Ⅲ类周期折减系数 0.8抗震等级 详见3条阻尼比 5%是否考虑偶然偏心 是是否考虑双向地震作用 是中梁刚度放大系数 2连梁刚度折减系数 0.7 0.2Q0调整起始层号 1 0.2Q0调整结束层号 34是否考虑P—△效应 否计算振型数 36剪力墙加强区高度及层数 29.2m，7中震（大震）不屈服 地震影响系数0.34（0.72）竖向地震作用系数

1）多遇地震弹性设计

在多遇地震作用下，全部处于弹性状态，构件承载力和变形满足规范要求.采用两种不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力及位移计算；裙房顶部大跨度框架采用PK进行单跨框架的补充计算，以控制构件的承载力.抗震分析时考虑扭转藕联、偶然偏心及双向地震作用，并自动调整地震作用最大的方向进行计算分析.控制扭转位移比满足规范要求.

抗震计算时除对结构进行反应谱分析外，还根据场地类别选用相应的地震波对结构进行多遇地震下的弹性时程分析，设计时地震作用取三条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值.

2）悬挑梁、大跨梁计算时考虑竖向地震作用，其取值不小于重力荷载代表值的15%.使用PK程序对大跨梁进行包络设计.

3）对各层的构件截面尺寸和混凝土强度等级进行调整，保证其均匀变化，尤其是裙房顶层.

4）控制各楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不小于上一层受剪承载力的80%，也不小于上三层平均值的70%.由于建筑在12层和26层分别设置了避难层，层高有明显降低，层刚度明显提升，调整避难层下一到两层的连梁高度，提高下层刚度，以满足规范要求.

5）进行框架总剪力的调整，保证框架部分地震剪力的分担率不小于分段底部总剪力的20%与任何一层框架部分地震总剪力最大值的1.5倍的较小值，确保框架能够成为抗震设防的第二道防线.

5 多遇地震计算的主要结果及分析

主体结构采用由中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的《特殊多、高层建筑结构分析与设计软件（PMSAP）》及《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）SATWE》进行整体计算，并进行比较分析.抗震计算分析时考虑了地震作用、扭转藕联效应、偶然偏心及双向地震作用，地震影响系数取为多遇地震值0.12.验算结构最大水平位移和层间位移与其相应楼层平均位移的比值时采用刚性楼板假定，计算结构内力和配筋时考虑弹性楼板假定.地震阵型数量取36.

5.1 多遇地震反应谱法计算结果

1）结构周期

PMSAP（SATWE） 振动类型（平动系数） 周期比Tt／T1 PMSAP（SATWE）周期（秒）T1 3.511（3.470） X方向平动1.00（1.00）T2 2.994（2.979） Y方向平动1.00（1.00）Tt 2.244（2.191） 扭转0.00（0.00）63.9%（63.1%）

2）地震作用下的最大位移

地震作用最大方向：

-0.352°（PMSAP），2.647°（SATWE）.均小于15°.且各结构抗震构件与地震方向交角小于15°，故不必补充计算地震作用的最大方向.

层间位移角扭转位移比方 向计算值PMSAP（SATWE） 允许值 最大位移／层平均位移PMSAP（SATWE）最大层间位移／平均层间位移PMSAP（SATWE）允许值X 1／1025（1／1046）Y 1／1405（1／1478） 1／800 1.26（1.20） 1.30（1.20）1.28（1.27） 1.31（1.20）1.5 3）地震力方向允许值X 36929（36494）底部剪力（k N）PMSAP（SATWE）重力荷载代表值（k N）PMSAP（SATWE）楼层最小剪重比PMSAP（SATWE）Y 36583（36807） 1459659（1459778） 2.53%（2.50%）2.51%（2.52%）2.4%4）有效质量参与系数方向 计算值PMSAP（SATWE） 规范允许值X 100%（99.89%） ≥0.9 Y 100%（99.91%） ≥0.9

5）抗倾覆验算结果

零应力区X风荷载 46758768（46742488）项目 抗倾覆弯矩Mr（k N）PMSAP（SATWE）倾覆弯矩Mov（k N）PMSAP（SATWE）比值 Mr／Mov PMSAP（SATWE）665984（721627.5）70.21（64.77）0（0）Y风荷载 29386390（29345314）664850（690265.9）44.20（42.51）0（0）X地震 46758768（46742488）2539857（3110592.8）18.14（15.03）0（0）Y地震 29379737（29345314）2888863（3072652.5）10.17（9.55）0（0）

由上表可见，结构抗倾覆验算满足规范要求.

6）结构整体稳定验算结果

X向刚重比Ejd／GH＊＊2 PMSAP（SATWE）Y向刚重比Ejd／GH＊＊2 PMSAP（SATWE）5.41（4.39） 6.03（5.61）

主楼刚重比Ejd／GH＊＊2大于1.4，能够通过整体稳定验算.

主楼刚重比Ejd／GH＊＊2大于2.7，可以不考虑重力二阶效应.

7）底层框架承担的倾覆弯矩百分比

柱倾覆力矩k N·m PMSAP（SATWE）墙倾覆力矩k N·m PMSAP（SATWE）框架倾覆力矩百分比PMSAP（SATWE）X向地震 529075（533412.3） 2876932（2928597.8） 15.53（15.41）Y向地震 498674（499185.5） 2237583（2235650.3） 18.24（18.25）

8）底层墙柱承担的剪力百分比

柱剪力（k N）PMSAP（SATWE）墙剪力（k N）PMSAP（SATWE）柱剪力百分比PMSAP（SATWE）X向地震 208（199.0） 26586（26466.6） 0.77（0.75）Y向地震 347（305.1） 15398（15663.0） 2.20（1.91）

9）底层墙柱最大轴压比（PMSAP）

柱最大轴压比 墙最大轴压比 规范限值0.68（含型钢） 0.42 墙0.5（柱0.70）

10）结果分析

上述计算结果表明，由于结构相对较规则，PMSAP和SATWE计算结果存在较小的差异，且两者均满足规范要求，分析如下：

①结构第一扭转周期／第一平动周期之比均小于0.9，满足规范要求.

②计算地震作用的有效质量参与系数均大于90%，得到的剪重比最小值为2.50%，满足规范要求.

③结构的抗倾覆验算和刚重比均满足规范要求.

④主体结构层间位移小于1／800，考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层最大位移／平均位移的最大值为1.28（裙房）、1.19（塔楼），楼层最大层间位移／平均层间位移的最大值为1.31（裙房）、1.20（塔楼），小于1.5，满足规范要求.

⑤剪力墙最大轴压比为0.42，控制在规范要求的0.5以内.

5.2 多遇地震弹性时程分析结果

图3 弹性反应谱及时程分析最大层间位移角曲线

采用STAWE程序对结构进行了多遇地震下的弹性时程分析，主要结果如下.

地震波名称时程基底剪力／反时程基底剪力／反应谱基底剪力规范限值TH1TG045 34015.4 0.932 33417.9 0.908 ≥X向 Y向时程基底剪力（k N）时程基底剪力／反应谱基底剪力时程基底剪力（k N） 应谱基底剪力0.65 TH2TG045 26975.5 0.739 26384.3 0.717 ≥0.65 RH2TG045 26879.9 0.737 29838.9 0.811 ≥0.65平均值 29290.3 0.803 29880.4 0.812 ≥0.80反应谱值 36494 — 36807— —

上述计算结果表明，X向与Y向楼层剪力及层间位移角的变化趋势与CQC反应谱法分析得到的结果基本一致，其平均值接近CQC结果.X向与Y向时程分析得到的基底剪力平均值分别为CQC值的0.803和0.812倍，满足规范要求.X（Y）方向三条时程曲线计算所得的结构底部剪力最小值为反应谱法求得的底部剪力的73.7%和71.7%.弹性时程分析结果对本工程不起控制作用.

5.3 小结

PMSAP及ETABS两个程序的计算结果基本一致，均表明主体结构的周期比，剪重比、层间位移角、底部框架倾覆弯矩百分比、有效质量系数等满足规范要求.结构沿高度方向刚度基本均匀变化，楼层受剪承载力无突变.SATWE计算结果也满足规范要求.

时程法计算得到的结构层间位移角均小于反应谱法的计算结果；基底剪力与反应谱法较接近；三条波平均反应的计算结果与反应谱法计算结果的变化规律基本相同，满足设计要求.

6 设防地震（中震）计算主要结果及分析

6.1 设防地震（中震）不屈服计算

依据3.1条所确定的抗震性能目标，采用PMSAP对结构进行设防地震（中震）不屈服计算，主要计算参数同多遇地震，地震影响系数取为设防地震（中震）值0.34（设防烈度地震的影响系数按照正态分布函数，取2.8倍的多遇地震影响系数），并取消内力组合调整，地震作用效应组合的分项系数（组合值系数不变）、承载力抗震调整系数均取为1.0，材料强度取为标准值.

计算结果表明，结构中需考察的框架及剪力墙截面承载力满足要求，符合既定的性能目标：

地下一层、一层框架柱的截面承载力均满足要求，满足既定的性能目标.

配筋结果与小震弹性计算十分接近.

6.2 设防地震（中震）弹性计算

依据3.1条所确定的抗震性能目标，对核心筒、型钢混凝土柱、大跨梁和超过2米的悬挑梁，采用SATWE对其进行设防地震（中震）弹性计算，主要计算参数同多遇地震，地震影响系数取为设防地震（中震）值0.34，内力组合调整，承载力抗震调整系数仍然按规范取值，材料强度取设计值.

由于部分构件超过其承载能力，进入弹塑性阶段，引起内力重分布，关键构件内力增大，配筋相应增大.配筋量较小震弹性计算有明显提高.

7 大震不屈服计算主要结果及分析

依据3.1条所确定的抗震性能目标，采用PMSAP对结构进行大震不屈服计算，主要计算参数同多遇地震，地震影响系数取为罕遇地震值0.72（规范值），并取消内力组合调整，地震作用效应组合的分项系数（组合值系数不变）、承载力抗震调整系数均取为1.0，材料强度取为标准值.大震不屈服计算的主要目的是验明重点部位［核心筒、型钢混凝土柱及与之相连的框架梁、大跨梁（考虑竖向地震作用）］的结构构件在大震作用下满足不屈服、不发生剪切破坏的抗震性能设计要求.计算结果表明，结构中需考察的框架及剪力墙截面承载力满足要求，不超筋，符合既定的性能目标：

1）结构弹塑性层间位移为1／137＜1／100，满足既定的性能目标.

2）核心筒、型钢混凝土柱及其楼层框架梁不发生剪切破坏，满足既定的性能目标.

3）大跨梁在考虑竖向地震作用下截面承载力均满足规范要求，不超筋，未发生剪切破坏，满足既定的性能目标.

8 结 语

针对本工程作为办公建筑，具有体型简单、高度较高等特点，在结构设计过程中，重视概念设计的作用，在保证结构安全合理的前提下，对结构进行了性能化设计，确定抗震性能目标时，综合考虑了结构的不规则性、建筑高度、所在地区设防烈度、经济因素等，对结构的关键构件和薄弱环节进行了加强，满足建筑功能及立面效果的需求，并兼顾到施工技术和工程进度的要求.最终在严格执行当时规范要求的情况下圆满完成了设计任务，取得了建设单位的好评.

致谢：工程设计过程中得到了中国建筑设计研究院结构专业院副总工程师教授级高级工程师朱炳寅和刘巍工程师、周岩工程师的指导和帮助，深表感谢！

［1］混凝土结构设计规范（GB50010-2002）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002

［2］高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ3-2002）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002

［3］建筑抗震设计规范（GB50011-2001）（2008版）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008

［4］朱炳寅编著.建筑结构设计问答及分析［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009

［5］中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部.多层与高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）用户手册［M］.2008.