盛德大厦改建工程

盛德大厦改建工程抗震性能研究

韩小雷1，2

，陈学伟1，熊爱国1，何伟球1

（1华南理工大学土木与交通学院高层建筑结构研究所，广州5100；2华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广州5100）

［摘要］针对广州盛德大厦改建设计后的结构进行抗震性能研究。要求改建设计后的结构满足现行结构规范，故以确保其有足够的抗震能力。改建后的结构设计采用基于对原已建部分承载力复核并采取相应的加强改造措施，

性能的抗震设计方法，包括小震弹性计算、中震弹性以及中震不屈服构件验算，以及罕遇地震下的弹塑性分析。利3D分析软件进行了整体结构弹性及弹塑性时程分析和推覆分析，用ETABS和PERFORM-并运用多种分析手段验证不同地震作用下结构的抗震性能，最后校核了桩基础在地震作用下的承载力。［关键词］超限高层改建设计；基于性能的抗震设计；弹塑性时程分析中图分类号：

文献标识码：A

848X（2011）04-0088-05文章编号：1002-

SeismicperformanceresearchofthereconstructingdesignprojectofShengdebuilding

2

HanXiaolei1，，ChenXuewei1，XiongAiguo1，HeWeiqiu1

（1TallBuildingStructureResearchInstitute，SchoolofCivilEngineeringandTransportation，Guangzhou5100，China；2KeyLaboratoryofSubtropicArchitectureMinistryofEducation，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou5100，China）Abstract：TheseismicperformanceresearchofthereconstructingdesignstructureofShengdebuildingwaspresented.Asthereconstructingdesignstructureisrequiredtomeetthedemandsofcurrentcode，thebearingcapacityoftheoriginalpartwascheckedandsomeimprovingandstrengtheningmeasures，whichensurethestructurehaveenoughseismiccapacity，havebeentaken.Designandanalysisproceduresofthereconstructingdesignstructure，whicharebasedontheperformance-basedseismicdesignmethod，consistofelasticanalysisunderfrequentearthquake，elasticanalysisandun-yieldanalysisofcomponentsundermoderateearthquake，andelastio-plasticityanalysisunderrareearthquake.Analysisofthewholestructuremodelincludingelastictimehistoryanalysis，elastio-plastictimehistoryanalysisandpushoveranalysiswereappliedbyETABSandPERFORM-3Dsoftware.Differentseismicperformancelevelsofthewholestructurewerecheckedbydifferentanalysismethods.Intheend，thebearingcapacityofpilefoundationunderearthquakewasverifiedinordertomeetthedemandofcurrentcode.

Keywords：reconstructingdesignofsuperhigh-risebuilding；performance-basedseismicdesignmethod；elasto-plastictimehistoryanalysis

1工程概况

广州盛德大厦超限高层建筑为改建工程，原结

超高层建筑2

［3］

，3。转换层与标准层结构布置见图2，

地震作用

工程设计基准期为50年，抗震设防烈度为7

构设计为地下2层，地上32层的框架-剪力墙结构，已建至地上4层，长×宽约36m×30m，结构已建部

［1］

分设计主要依据系列结构规范。现在原已建

度，设计基本地震加速度值为0.1g，地震分组为第一组，场地类别为二类场地，抗震设防类别为丙类，结构安全等级为二级，场地特征周期Tg=0.35s。根

［4］据《抗规》并参考《地震安全性评价报告》，各阶段

结构的基础上进行新鉴定和改建设计，且要满足《（GB50011—2001）［2］（简称建筑抗震设计规范》《）使用要求，抗规》改建后的结构为部分框支剪力墙结构体系，结构设计年限50年，长×宽仍约36m×30m，主体结构地下2层，地上裙房6层，主楼37层（图1），于层7通过梁式转换，主塔楼结构高度为119.0m，属于B类高度

图1

盛德大厦效果图

地震作用下分析参数如表1所示。

地震分析参数

地震烈度

地震发生概率P地震影响系数αmax场地特征周期Tg/s地面加速度峰值/cm/s

2

表1

中震10%0.230.45110

大震2%0.500.45220

小震63%0.080.4535

根据该结构类型，在各阶段地震作用下的阻尼

Email：xlhan@scut.edu.cn。作者简介：韩小雷，教授，博士生导师，

第41卷第4期韩小雷，等.盛德大厦改建工程抗震性能研究

图2

转换层结构布置图

图3标准层结构布置图

比确定为0.05。时程分析选取了2组人工波（GM1，GM2）及5组天然波（GM3～GM7）［5］。建立结构ETABS弹性模型，采用20组双向天然波样本进行试算，

将40个地震工况的基底剪力与反应谱的基底剪力进行对比，挑选出满足《抗规》要求的地震波。具体使在每条被选择的地震波作用下，时程分析计算基底剪力结果应大于反应谱法结果的65%，所有被选择的地震波作用下时程分析的基底剪力结果的平均值应大于反应谱法结果的80%。

小震作用下所有结构构件都按最不利的荷载组合值进行设计配筋，按现行规范考虑结构构件的内力增大和调整系数的大小，其设计荷载分项系数按规范

［6］

取值。中震作用下，结构构件分别按弹性或

不屈服进行性能分析复核。

对大震作用下对主体结构安全起重要作用的构件如框支层落地剪力墙、底部加强区落地剪力墙、转换梁等不应屈服的构件承载力进行复核。考虑到强

剪弱弯的抗震设防概念，对上述重要构件抗剪承载力复核时，

调整系数取1.2；抗弯承载力复核时，调整系数取1.0。对非加强区墙柱的抗剪承载力按不屈服性能分析复核。对与非顶部加强区、墙柱抗弯性能、框架梁抗剪和抗弯性能等是可屈服的构件，需要根据ASCE-41［7］对结构构件的变形验算，并对构件变形进行控制。3

改造与结构措施

为了使改建后的结构方案能满足现行规范的要求，

对原已建结构部分需要进行合理的改造，并对整个结构抗侧力体系采取相应的加强构造措施。3.1改建后的主体结构

（1）抗震等级。地下层2～地上层9为特一级，层10～顶层为一级。

（2）材料强度。梁板为C25～C50，柱墙为C25～C60。

（3）构件尺寸。梁截面：框架梁为200×600和350×700，要求剪压比约0.05～0.16；转换梁：700×2000，750×2500，1000×2500，1400×2000，1400×2500，2500×2500，要求剪压比约0.08～0.15；柱截面：1400×1400和1400×2500，要求轴压比约0.45；墙厚：200～500，要求轴压比约0.45。3.2结构抗侧力体系

（1）核心筒剪力墙布置：长×宽约为15.6m×7.0m，墙厚为200mm（次要内墙）～500mm（主要外墙）。核心筒剪力墙布置加强措施：1）在与转换梁

交接处，增设端柱，并设置比现行系列规范中框支柱更为严格的构造措施，

要求端柱轴压比小于0.50，配筋率约2.0%，配箍率约1.8%；2）核心筒角部尽量增设角柱，并设置比现行系列规范中框支柱更为严格的构造措施，要求端柱轴压比小于0.50，配筋率2.0%，

配箍率1.8%；3）在转换层平面处，核心筒周边设置1000（500）mm×2500mm的环形加强梁，以进一步协调主要转换梁与核心筒的内力传递。

（2）框支柱布置：要求原结构方案设计中的框架柱均按现行规范要求进行加固和改造，并设置比现行规范中框支柱更为严格的构造措施。改造后的柱截面主要为1400×1400，

1400×2500。混凝土强度等级C60，要求轴压比小于0.50，配筋率约2.0%，配箍率约1.8%。3.3结构竖向构件加固与改造

1）典型框支柱的加固、改造示意图见图4；2）核心筒剪力墙加固、改造示意图见图5；3）对塔楼平面凹进位置，设置200厚现浇混凝土楼板，双层双向配筋，

有效保证结构平面的规则性。90

建筑图4

典型框支柱加固、改造示意图

图5

典型核心筒剪力墙加固、改造示意图

4结构分析与抗震性能

改建设计后的结构方案中主要超限与特殊情况

如下：1）高位转换-竖向构件不连续，

层7为结构转换层，部分竖向抗侧力构件不连续，并超出规范5层转换的要求；2）扭转不规则。结构最大扭转位移比X方向为1.23（26层），Y方向为1.34（首层），大于规范的允许值1.20，属于Ⅰ类扭转不规则；3）结构楼高37层，高度超过原设计32层，且按系列规范设计并已建成至地上4层，原结构设计满足系列国家结构规范，

并比系列规范略有提高，但不满足现行规范的构造要求。

针对以上超限以及特殊情况，对结构整体及构件抗震性能提出了更为严格的控制指标

［8］

，具体如

下：1）除转换层外的结构层间位移角在小震和大震作用下分别控制在1/1400和1/200以内，小于现行规范的1/1000和1/100；2）转换层结构层间位移角在小震和大震作用下分别控制在1/3500和1/600以内；3）框支柱轴压比0.50，小于现行规范的0.60；4）严格控制已建结构重要抗侧构件的承载力，并对其进行有效的加固、改造，保证其在大震作用下仍处于不屈服状态，以降低墙柱对延性的需求。

改建后的结构设计与分析中采用了基于性能的抗震设计方法。参考ASCE-41中的相关规定，根据延性（非延性）构件的性能水平的阶段，可把结构的性能水平分为以下四个阶段：充分运行阶段（简称OP）、基本运行（简称IO）、生命安全（简称LS）、接

结构2011年

近倒塌（简称CP）。

根据工程结构各部分体系受力与变形特征，参考美国规范FEMA356，

ASCE-41及我国《建筑工程抗震性态设计通则》

（CECS160：2004），并结合我国的工程实践经验，设定如下的性能目标和变形限值：1）结构构件性能目标的设定如表2所示；2）结构构件大震作用相应性能目标下的变形限值的设定如表

3所示。

结构构件性能目标

表2

构件

小震中震大震首层及框支层框支柱OPOPIO首层及框支层落地剪力墙OPOPIO底部加强区落地剪力墙OPOPIO转换梁

OPOPIO底部加强区剪力墙OPIOLS底部加强区连梁OPIOLS非底部加强区连梁

OP

LS

CP

大震作用下主要结构构件相应性能

目标下的变形限值

表3

构件类型

LS限值转角CP限值转角

底部加强区剪力墙（抗弯）0.007－底部加强区连梁（抗弯）0.0250.05非底部加强区连梁（抗弯）

0.025

0.05

4.1小震与中震作用下的结构响应

小震下的分析采用2007年版SATWE和ETABS9.1.2进行弹性计算。中震作用下的结构重要构件采用美国ImbsemSoftwareSystems公司开发的截面分析程序XTRACTV3.0.1进行构件承载力计算。

在整体结构分析中采用相同的分析参数，两种程序的计算结果基本一致，主要的计算指标如表4所示。弹性分析阶段同时选取7条地震波作用进行弹性时程分析，部分分析结果（X向层间位移角曲线、

X向楼层剪力曲线）如图6，7所示。小震作用下结构整体性能分析

表4

分析方法振型分解反应谱分析分析软件

SATWEETABS结构总质量/t81556.183235.7自振周期T1，T2，T3/s2.79，2.69，2.37

2.76，2.61，2.20

扭转周期/平动周期0.850.80最大扭转位移比

1.23（层26）1.34（首层）方向

X向

Y向

X向

Y向

最大层间位移角1/15131/16221/14861/1701基底剪力/kN9856

9319

9829

9849

基底弯矩/kN·m

520310555216542449574975

地震剪力与层间位移比值0.930.92层间位移角比值法（下/上）

1.10

0.98

第41卷第4期韩小雷，等.盛德大厦改建工程抗震性能研究

图8GM4地震波工况下构件变形性能图

时部图析在程

建筑一致及对应数值相近，即大震作用下的结构整体弹塑性时程分析结果是可信的。

编号响应

响应最大值需求比最大值需求比GM121800.028178000.0GM223460.030抗弯224000.806GM317350.023承载力138700.500GM422400.029复核210000.755GM517900.023/kN·m

141000.507GM622000.029162000.583GM720700.026170000.612均值

2080

0.027

17481

0.629

注：抗剪屈服承载力77031kN；抗弯屈服承载力27800kN·m。

波报合考力的满

结构2011年