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中国尊抗巨震的探讨及工程实践

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东南西北人 发表于 2021-7-16 20:07:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
前言:2017-8-18日,中国尊(中信大厦)封顶,这是世界上首个8度抗震设防区主体结构超过500m的超高层建筑物。该项目取得了多项世界第一,是综合创新的集成成果。从防震减灾角度出发,中国尊在结构体系、多腔钢管钢筋混凝土结构、次结构抗震、地震逃生等领域进行了研究和实践,探讨了工程抗巨震的实用方法,可供超高层项目和有较高要求的多高层项目参考。本文已经正式发表,文末给出了一些相关链接。——姚攀峰2017-08-30

1.引言

北京朝阳区CBD 核心区Z15 地块发展项目位于北京CBD核心区,东至金和东路,南至规划绿地,西至金和路,北至光华路。拟建的Z15地块项目主塔楼建筑高度528.00m,地下七层,地上108层,塔楼外形类似中国古代宗教礼仪中的“尊”,所以通常称之为中国尊项目(下简称中国尊),参见图 1和图2。本项目底部尺寸约为78mx78m,在大楼的中上部平面尺寸收进,尺寸为54mx54m,向上到顶部又放大,约为69mx69m,是世界上第一个8度抗震设防区超过500m的建筑物。本工程所在的北京地区处在华北平原地震带、汾渭地震带及东北地震区的交界范围,地震活动较为频繁,历史上曾经发生过8级地震、7.8级地震,震中烈度最高曾经达到11度,有可能高于现在规范要求的8度大震。近期发生了多次小地震,震源深度主要分布在5~14km 范围,占总数的74.8%,为浅源地震。如何有效地防震减灾是本大楼安全的关键,也是世界性难题。

1 三维建筑图
2 典型建筑平面图

在中国的建筑工程实践中,主要采用结构抗震技术和措施,很少有地震逃生预案等措施。这种抗震技术理念与防震减灾的现实需要有一定距离,日本阪神地震(1995)、中国汶川地震(2008)、日本311地震(2011)均表明单纯的结构抗震是无法应对复杂的地震灾害。姚攀峰(2012)提出了整合式抗震技术理念(ITSE),认为由于地震具有高度不确定性,有可能发生大震或巨震,为了实现地震中人员安全和财产安全的目标,需要采用地震预测、工程抗震、运营抗震、地震逃生等多领域的技术措施,这些技术措施相互影响、相互制约,必须整合在一起,方能实现人员安全和财产安全的抗震设防目标,该技术得到国内部分专家的支持和认可。

本工程尝试在超高层建筑中全面实施整合式抗震技术理念和相应的具体技术措施,本文首先介绍中国尊项目地震安全性评估及地震动参数成果,然后确定设防巨震的参数及抗震性能目标,确定避难单元和避难单元子结构的范围,然后介绍主结构抗震、次结构和非结构构件抗震的具体技术措施,最后介绍了地震逃生预案。

2.地震安全性评估及地震动参数

根据中国尊项目的地勘报告[[4]]及地震烈度区划图,本工程所在区域为8度抗震设防,小震、中震、大震的地震加速度值参见表 1。场地为II类第一组,建筑物抗震分类为乙类。

表 1抗震设防参数
640.png

本工程做了地震安全性专项评估,相应的地震反应谱参数及规范反应谱参数详见表 2、图 3、图 4、图 5。

表 2 地震安评地震动参数机规范地震动参数

注:1.αmax最大地震影响系数,Tg场地特征周期,γ反应谱衰减指数,阻尼比η;2.参数相应于地表;3.地震影响系数对应的阻尼比5%。


图 3规范与安评报告反应谱对比(小震)

图 4规范与安评报告反应谱对比(中震)

图 5规范与安评报告反应谱对比(大震)

从上述图表可以知道,规范反应谱和地震安评谱是有较大差异。在小震作用下, 2s之后,地震规范反应谱中的影响系数αmaxc1值高于安评反应谱中的影响系数αmaxs1;在中震作用下, 7s之后,地震规范反应谱中的影响系数αmaxc2高于安评反应谱中的影响系数αmaxs2;在大震作用下, 8s之后,地震规范反应谱中的影响系数αmaxc3低于安评反应谱中的影响系数αmaxs3。对于场地特征周期的评估,两者在中震之后差异较大,规范谱中中震的Tg为0.4s,安评的为0.7s,安评值较规范值大75%;对于大震,规范的Tg为0.45s,地震安评的Tg为0.95s,安评值较规范值大111%。由于地震的高度不确定性,如何利用地震安评的参数在工程界还有不同的观点,由于本工程小震下的规范反应谱对应的地震作用起到控制作用,设计中根据超限审查委员会专家审查意见小震、中震、大震采用了规范反应谱,但是针对工程具体场地进行地震安评仍然是有一定意义的,如何针对具体工程对地震作用进行较为准确的预估还有待进一步研究和完善。

本区域历史上发生过多次6级以上地震,参见图 14‑6,最大一次地震为1679年9月2日地震,震级8级,震中烈度为11度,震中在平谷三河。由于地震的高度不确定性,本工程可能遇到超过设防大震的地震,称之为极罕遇地震或者设防巨震,简称为巨震。尽管规范和超限审查委员会没有要求,也应该适当考虑,本工程结合地震安评及经济、技术等综合考虑,巨震参数取8.5度大震参数,地面峰值加速度为510gal,αmaxc4取1.2,Tg取0.45s。

图6 区域历史地震震中分布图
(M≥4.7,294~2012 年6 月)

3.避难单元、抗震性能目标

本工程从地震逃生角度出发,设置避难单元和非避难单元,结合地震逃生、结构、建筑等多方面因素,避难单元取核心筒内的前厅和楼梯间,典型楼层核心筒的尺寸约为32.2×32.2,面积为1040m2/层,参见图 7,地震避难单元层面积比β约为0.25。


图7典型平面的避难单元设置

本工程主结构的高宽比为7.07,内核心筒的高宽比为16.2,偏于安全,令地震避难单元子结构层面积比βrus=1,直接取避难单元子结构范围同主结构。

本工程主结构的性能目标为“小震不坏,中震可修,大震不倒,巨震(避难单元子结构)不倒”;次结构及非结构构件的性能目标为“小震不坏,中震可修,大震不倒,巨震(避难单元)不倒”;地震逃生的性能目标为“小震不惊,中震不伤,大震不残,巨震可生”。

地震避难单元子结构应进行巨震时的承载力验算,需要满足式和式,对于本工程[θps]取1/80。

                  

式中:[θps]是地震避难单元子结构的弹塑性层间位移角限值;hs是地震避难单元子结构的薄弱层楼层高度;△ups4是在巨震时,考虑其他子结构对地震避难单元子结构作用下的弹塑性层间位移;Rs4是巨震时地震避难单元子结构构件的承载力特征值(标准值或者极限值);Ss4是巨震时考虑其他子结构对地震避难单元子结构作用下的地震避难单元子结构构件的地震作用荷载及其他荷载效应的特征值(标准值、极限值)。

4.主结构抗震

在设计阶段,在小震、中震、大震分析的基础上,采用概念和构造措施实现巨震性能目标,并在振动台试验时进行验证,采用以下主要措施满足抗震要求。

4.1结构体系

中国尊主结构最初的结构体系为竖向不连续的超高层的巨型组合结构体系,上部为为密柱框架,通过腰桁架进行转换,下部为巨型支撑外框筒,存在刚度突变、竖向传力不连续等概念性缺陷。参见图 8。

通过业态、建筑功能、结构技术可行性分析等措施,把原结构调整为巨型支撑框架+高延性双连梁核心筒的组合结构体系,三维结构参见图 9,地上分为8个区,7道腰桁架,1道帽桁架,1~8区均有斜撑。除了腰桁架和支撑采用钢结构等常规技术之外,还采用了一些新技术,有效提高了抗震性能。

图 8第一次超限咨询会结构方案三维图
图9 三维结构图
4.2多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱

本工程角部巨柱是整个大楼安全的关键,角柱破坏将可能导致整个大楼破坏或者倒塌。角柱B7~7层为4个巨柱,单个巨柱的最大截面面积为63.8平方米,7层以上为8颗巨柱,最大截面约19.2平方米。姚攀峰首次提出了多边多腔钢管混凝土巨柱(2009,姚氏巨柱),是一项有效解决超大截面巨柱的新型技术方案,具有承载力大、延性好的优点,姚攀峰等已经在天津117项目中完成了初步研究、具体设计并施工(2009)。本项目最终采用了多腔钢管混凝土巨柱这种新技术,典型的截面如图 10所示。

图10典型的多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱
4.3钢混凝土混合式双连梁核心筒

本核心筒采用了钢-混凝土混合式双连梁核心筒技术。底部采用钢板与钢筋混凝土组合的剪力墙,中部采用钢骨柱与钢筋混凝土组合的剪力墙,顶部采用带内支撑钢桁架的钢骨柱与钢筋混凝土组合的剪力墙,参见图 11,连梁采用双连梁技术,参见图 12。

图 11核心筒局部示意图(L9)
图 12双连梁示意图
4.4适当增加结构刚度

采用增大巨柱截面、桁架截面等方式,适当增加了整个结构的刚度。主结构的自振周期T1为7.30s,T2为7.27s,T3为2.99s ,与国内其他低烈度设防区的500m以上超高层建筑物比较,本工程刚度较大。

图13振形图
4.5地震反应

采用上述多项措施之后,进行了位移和承载力等分析。本工程基本对称,下面只描述x向的分析结果。小震下的x向基底剪力为130MN,剪重比调整之后为154MN。 X向小震层间位移角为1/548,剪重比调整后的最大层间位移角为1/513,x向50年风荷载下的最大层间位移角为1/999,参见图 14,满足安全要求。

图14层间位移角

根据地震弹塑性时程分析,x向大震平均位移角为1/128,参见图 15,满足安全要求。

图 15大震弹塑性时程分析

经过估算,x向巨震平均位移角约为1/96,可满足安全要求。

4.6试验验证

为了进一步检验工程的安全性,进行了振动台试验,振动台试验缩尺比为1:40,试验模型参见图 16; 8度大震和巨震时程波选用了大震天然波2,参见图 17。

表 3大震及巨震试验地震波
图 16振动台试验模型
图 17大震时程波

大震时为三向地震输入,试验过程中,模型振动较强,整体以平动为主,部分构件发生破坏响声。角柱在七层分叉处出现开裂,部分核心筒连梁轻微损伤,巨型斜撑、转换桁架等基本完好。从图 18可知结构X向最大层间位移角达到约1/103,96层以下层间位移角均小于1/150。满足了大震要求。

图18大震与巨震时的层间位移角

巨震时为三向地震输入。试验过程中,模型整体振动更加剧烈,伴随较大焊缝开裂声。位移主要以整体平动为主。结构损伤加大,参见图 19,自振频率继续下降,其中X向一阶降低9.60% 、Y向一阶降低7.14%。从图 14‑18可知结构X向最大层间位移角达到约1/81,96层以下层间位移角均小于1/100。这可能是由于在大震中模型已经有较大损伤,刚度下降,其中X向一阶降低4.80%、Y向一阶降低5.56%,另外一个原因本实验用的地震时程波较均值大,所以层间位移角达到1/81,但是结构整体性倒塌,关键构件基本完好。这说明结构能够满足巨震时的抗震性能要求,而且还有一定的抗震储备能力。

图 19结构裂缝图

5.次结构及非结构构件抗震

次结构及非结构构件往往是抗震中的一个薄弱点,在日本311地震中,尽管主结构没有倒塌,但是较大面积的次结构和非结构构件遭到破坏甚至倒塌。中国尊项目一般部位的次结构和非结构构件满足规范要求,但是对楼梯间及特殊房间采用了特殊的措施。

次结构的柱采用钢柱,并按照中震弹性的内力进行承载力计算。

图 20次结构示意图

地下疏散楼梯隔墙采用钢筋混凝土隔墙,在主结构模型中建模进行计算,按照小震弹性的内力进行承载力计算,参见图 21。地上疏散楼梯隔墙拟采用砌体填充墙,圈梁构造柱进行加密处理。

图 21疏散楼梯隔墙
6.地震逃生预案

地震逃生是应对地震灾害的有效组成部分,在汶川地震中,有2个班级,各种客观条件相差不大,但是由于一个班级地震逃生方法正确,另外一个班级逃生方法错误,死亡人数差异30人,死亡率相差高达66%。地震逃生是地震灾害自救的最后一道防线,尤其是地震可能引发地震火灾,阪神地震(1995)、东京大地震(1923)等地震中发生过重大火灾,参见图 22,在地震火灾中,地震逃生是唯一可行的有效措施。

图22阪神地震火灾

姚攀峰提出了综合逃生法,针对具体的环境、地震和逃生人员状况,综合考虑各方面因素,结合具体的逃生安全目标,选择合适的逃生路径和逃生行为,采用正确的逃生流程,得到成功概率比较高的地震逃生方法,称之为综合逃生法,目前已经在雅安等地震灾区得到了较为广泛的应用。

对于目前的中国,地震逃生是防震减灾中不可缺失的一环,有着重要的作用。在2009年之前我国对此关注度不足,至今尚没有完整的科学地震逃生预案。本工程尝试基于综合逃生法的原理给出地震逃生预案。

6.1地震灾害

本工程位于平原,周边无化工厂、核设施,主要面临以下地震灾害:

1.    主结构局部倒塌

主结构在巨震时,96层以上局部层间位移角小于1/100,位于严重破坏至倒塌的范围,有可能局部倒塌。

2.    次结构和非结构构件局部倒塌:

由于对非避难区域的要求较低,规范允许其先于主结构破坏,有可能局部破坏或者倒塌。

3.    地震火灾

本工程在低区、中区、高区均设置有厨房,燃气送到高区,且有大量的电线,有可能在地震中发生地震火灾。

4.    践踏伤亡

本大楼使用人数可能超过一万人,人群在地震逃生中可能发生践踏伤亡。

6.2基于综合逃生法的地震逃生预案

针对本工程,地震逃生有着特殊的重要性,逃生流程可参见图 14‑23。


图 23逃生流程图

在阶段1,主要地震灾害是次结构及非结构构件破坏造成的伤害。目标安全区可设置为原地,躲避在逃生人员的桌子底下,抓牢。逃生人员无桌子等掩蔽物的可采用低蹲护头的行为。

在阶段2,主要地震灾害是主结构的局部倒塌和破坏,次结构和非结构构件可能倒塌,目标安全区可设置在96层以下的核心筒(避难单元),逃生人员可采用护头式速走转移到避难单元,96层以上的人群要快速有序撤离到96层以下的核心筒。

在阶段3,主要地震灾害是地震火灾、人员践踏伤亡,目标安全区设置在室外安全岛,本工程南侧有大片的中央绿地,可作为本工程安全区,可采用护头式速走转移到目标安全区。

在阶段4,主要地震灾害是化学污染等,目标安全区设置在无污染区域,在核实确定污染信息之后,可采用汽车等交通方式有效撤离。

7.结论

本工程尝试采用整合式抗震的理念,通过主结构抗震、次结构和非结构构件抗震、地震逃生等具体技术措施,初步实现了主结构8度大震不倒的规范预定安全目标,而且实现了“巨震,(避难单元子结构)不倒”的性能目标,完成了国内第一个系统地震逃生应对方案和措施,能够有效实现预定逃生目标,防震减灾。为8度抗震设防区500m以上超高层建筑防震减灾的世界性难题提供了一种解决思路和方案。

本工程开发单位为北京中信和业投资有限公司,地勘单位为北京市勘察设计研究院有限公司,地震安评单位是中国地震局地球物理研究所,结构设计单位为奥雅纳工程顾问和北京市建筑设计研究院有限公司。奥雅纳工程顾问完成结构方案和初步设计及结构超限审查,中信建筑设计研究总院是本项目设计复核单位,华东建筑设计院是该项目结构顾问单位;建研科技股份有限公司进行了独立第三方弹塑性分析和振动台试验;北京中信和业投资有限公司对本工程结构设计的技术、质量、进度等工作进行了全方位参与并管控。本工程已于2013 年2 月通过了全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会的审查。

致谢:徐培福、王亚勇、戴国莹、容柏生、陈富生、钱稼茹、娄宇、顾宝和,刘鹏、殷超、柯长华、齐五辉、汪大绥、姜文伟、王建,李治、陈松,肖从真、徐自国、魏庆鼎、顾明、顾志福、杨庆山、李小军、周宏磊等专家和设计师在本工程地勘、地震安评、结构设计、振动台试验等做了大量工作,提供了许多宝贵意见,张义元先生参与了本文讨论并作了部分翻译工作,在此表示忠心感谢


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kalashinikv 发表于 2021-7-16 22:56:12 | 显示全部楼层
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djun 发表于 2021-7-19 05:30:10 | 显示全部楼层
资料很好,很不错。
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zspkd 发表于 2021-7-19 11:17:28 | 显示全部楼层
我来上传个word集成版文档。

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kalashinikv 发表于 2021-7-20 21:43:02 | 显示全部楼层
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www2002 发表于 2021-7-21 00:16:07 | 显示全部楼层
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sjzdh 发表于 2021-7-22 06:40:50 | 显示全部楼层
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zyw12345671 发表于 2021-7-23 08:15:30 | 显示全部楼层
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