白云机场综合服务大楼的小震、中震承载力设计

鲁凡

（广东省重工建筑设计院有限公司，广东广州 510000）

1 项目概况

白云机场综合服务大楼项目位于广州市白云区机场南工作区A3地块。综合服务大楼项目建筑面积约60399.2m2，其中地上约43267.0m2，地下约17132.2.m2；地上共8层，2层地下室，建筑地面以上的主要层高为6.0m和4.5m；高度37.50m。地上结构的外包尺寸为117.70m×57.40m，长宽比为2.05，高宽比为0.65。项目效果图见图1。

图1 项目效果

2 结构体系

本工程的建筑结构安全等级为二级；采用现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系。工程典型结构布置如图2~图5所示。

图2 二层结构平面布置

图3 三层结构平面布置

图4 五层结构平面布置

图5 九层结构平面布置

剪力墙主要设置在核心筒电梯间以及楼梯间部位，其抗震等级为二级；通过合理的剪力墙设置，既能减小框架柱的内力和截面尺寸，也能起到二道防线的功能，又能提高结构整体的抗扭抗侧刚度，效果显著。

框架柱为矩形柱和圆柱，托柱转换梁和转换柱的抗震等级为二级，其余框架构件的抗震等级均为三级。经模型试算，地下一层与首层的结构的侧向刚度比大于2，满足规范的相关要求，嵌固部位确定为地下室顶。

本工程底板下的土层为粉质粘土、强风化灰岩及强风化砂岩层，修正后的地基承载力特征值不小于250kPa，可作为基础持力层。

本工程采用筏板+柱墩基础的基础形式，以粉质粘土、强风化砂岩和强风化炭质灰岩作为天然筏板基础的持力层，并在柱下设置厚度不小于800mm高的柱墩抵抗竖向构件对底板的冲切。基础平面布置图见图6。

图6 基础平面布置

根据《高规》5.1.12条的要求，本工程采用北京盈建科有限公司编制的YJK计算分析软件和ETABS有限元分析软件对结构进行分析对比。计算模型见图7、图8。

图7 YJK计算模型

图8 ETABS计算模型

3 不规则类型判别（国家超限判定表）

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（2015年版），本工程高度未超过规定限值，存在“超限审查要点表2”所列不规则项5项，分别为：序号1a：扭转不规则（最大位移比为1.31）；序号1b：偏心布置（1.序号a、b不重复计算不规则项）；序号2a：凹凸不规则；序号3：楼板不连续；序号5：构件间断（存在转换柱）；序号7：局部不规则（局部存在穿层柱）；综上所述，本工程属于超限高层建筑。

4 抗震设防要求及抗震性能目标

本工程总体均按性能目标C要求进行结构抗震性能设计。结构构件以《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3—2010）》3.11条所列各水准的验算公式为依据，复核计算其承载力是否满足设计的要求；其中，本工程关键构件定为底部加强区剪力墙（-2~2层）、转换梁柱。关键构件的承载力设计要求如下：弹性（小震）；抗弯不屈服、抗剪弹性（中震）。

5 多遇地震反应谱法计算结果

（1）根据《高规》5.1.12条的规定，本工程采用YJK、ETABS两个模型进行计算分析和对比，两个模型的各项指标接近，且均能满足高规要求。

（2）YJK和ETABS两个模型的第一扭转周期与第一平动周期的比值分别为0.78和0.77，均远小于0.9的限值要求，满足《高规》3.4.5条要求。

（3）结构各楼层的X、Y方向地震剪力标准值均满足《高规》第4.3.12条的剪重比要求。

（4）计算振型数为15，有效质量系数大于90%，所取振型数满足规范要求。

（5）在风荷载、地震的作用下，该结构模型所有楼层的层间位移角均小于1/800的规范限值要求。其中，地震荷载作用对本工程的影响大于风荷载作用，本工程地震荷载作用起控制作用。

（6）在考虑偶然偏心影响的X、Y方向规定水平地震力作用下，模型分析所得的最大扭转位移比大于1.20，属于扭转不规则结构；其中，在Y方向偶然偏心规定水平力作用下的位移比最大，其值为1.31，满足《高规》第3.4.5条“关于A级高度建筑不应大于1.5倍的要求”。

（7）本工程采用的框架—剪力墙结构，其楼层侧向刚度比均满足《高规》3.5.2-2条的要求。

（8）楼层层间抗侧力结构的受剪承载力均满足《高规》3.5.3的相关要求，所有楼层均大于其上一层受剪承载力的80%。

（9）该结构刚重比EJd/GH2大于1.4，满足《高规》第5.4.4条的关于结构整体稳定的验算，其值大于2.7，满足《高规》5.4.1的相关要求，无须考虑重力二阶效应。

6 多遇地震弹性时程分析

本工程抗震设防烈度为Ⅶ度，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第4.3.4条第2~3款和第5.1.13条的相关规定，本工程应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。通过盈建科软件的地震波筛选功能，选取多遇地震的5组实际地震记录和2组场地合成人工波，对结构模型进行弹性动力时程分析。

进行弹性动力分析时按Ⅶ度地震设防，场地类别为Ⅱ类，50年时限内超越概率为63.2%（小震），阻尼比按0.05考虑，最大加速度峰值取35cm/s2。时程分析计算结果的平均值，与振型分解反应谱的计算结果取较大值。

（1）通过弹性时程分析结果可知，所选的七条时程曲线，每条计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，且不大于后者的135%，时程曲线均满足规范的相关要求。多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，且不大于后者的120%，所得的底部剪力平均值适用于本工程。

（2）通过7组时程地震波与规范反应谱的对比结果可知，多数地震波作用下楼层最大层间位移角超出CQC对应层间位移角，且均满足规范要求。

（3）通过弹性时程分析结果可知，在地震波作用下，部分楼层的楼层剪力大于CQC对应楼层剪力。经比较，剪力放大系数如表1所示，本工程采用时程分析结果与CQC结果进行包络设计。

表1 楼层剪力放大系数

7 结构设防烈度地震验算

以设定的抗震性能目标C为标准，采用盈建科软件对非抗震构件以外的所有结构构件进行计算分析和设防烈度地震（中震）承载力的验算。

本工程采用振型分解反应谱法计算设防烈度地震作用，水平最大地震影响系数αmax＝0.23，结构的阻尼比取值为0.05。

计算结果：底部加强区剪力墙（-2~2层）、框支框架等关键构件满足弹性的要求；结构部分楼层楼面梁出现抗弯屈服，大部分楼层的连梁出现超筋的情况，但其均满足抗剪截面验算的要求。整体属轻度损坏，满足性能水准3的要求。

（1）竖向构件中震弹性抗剪承载力验算：选取第1层进行竖向构件的抗剪承载力验算。抗剪承载力验算与构件配筋有关，剪力墙的底部加强区、底部加强区上部设置的两层过渡层以及其余部位的墙体，竖向分布筋和水平分布筋暂取0.25%。

计算结果调整：对于墙体水平分布筋0.25%配筋率不满足墙体抗剪承载力设计要求的构件，读取该墙体的内力，以《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）式（7.2.10-2）为依据，算出相应的墙体水平配筋率，输入至模型进行墙体抗剪承载力的复核。

（2）剪力墙的中震偏拉验算：本工程首层的剪力墙肢在设防地震作用下剪力墙存在拉力的情况，且拉应力大于2.0ftk，需进行特殊处理。

解决措施：读取该墙肢的竖向拉力，根据竖向分布筋承受该竖向拉力的原则，在剪力墙内配置足量的竖向分布筋，增加剪力墙的抗拉能力。纵筋加强范围从首层延伸至底部加强区顶。

8 计算结果的分析总结

本工程属于A级高度的高层建筑，框架柱和剪力墙是主要的抗侧力构件，设计中通过提高剪力墙的底部加强区及其他关键构件的延性，使结构的抗侧刚度和延性能够更好地匹配，从而达到有效地协同抗震。

（1）对于剪力墙，其底部加强区在中震和大震作用下分别满足第3和第4性能水准的要求，设计时抗震等级按二级，计算结果满足性能C对底部加强区剪力墙“轻度损坏”的要求，并通过包络设防烈度地震计算所得的剪力墙竖向钢筋配筋结果、提高约束边缘构件的配筋率等措施进一步提高第一道防线的承载能力。

（2）提高剪力墙周边的框架柱在首层~二层范围内的抗震等级，以保障框架柱在剪力墙出现局部破坏后仍能处于不屈服状态，从抗震概念设计上布置多重防线。

（3）普通框架柱按“中震和大震分别满足第3和第4性能水准的要求”进行性能设计。在考虑0.2V0调整后，适当提高首层~二层柱配筋率，并严格限制框架柱的轴压比，以保障框架柱在剪力墙出现局部破坏后仍能处于不屈服状态，从抗震概念设计上布置多重防线。

9 结语

随着我国建筑设计水平、建造技术的不断发展，突破常规设计的超限建筑结构开始了突飞猛进的发展。要做到保证超限建筑的安全性，就不仅仅需要常规的设计和构造措施；更需要从建筑结构的概念设计入手，通过合理的结构布置，做到结构受力、传力路径的清晰，构件尺寸的合理；并对超限结构所涉及的风险点和关键节点进行专项分析，以规范为依据，对结构进行针对性的加强，方能做到结构的合理和安全。

对建筑工程安全怀有一颗敬畏之心，是每一位结构工程人的职业根本所在。