中國尊抗巨震的探討及工程實踐

前言：2017-8-18日，中國尊（中信大廈）封頂，這是世界上首個8度抗震設防區主體結構超過500m的超高層建築物。該項目取得了多項世界第一，是綜合創新的集成成果。從防震減災角度出發，中國尊在結構體系、多腔鋼管鋼筋混凝土結構、次結構抗震、地震逃生等領域進行了研究和實踐，探討了工程抗巨震的實用方法，可供超高層項目和有較高要求的多高層項目參考。本文已經正式發表，文末給出了一些相關鏈接。——姚攀峰2017-08-30

1.引言

北京朝陽區CBD 核心區Z15 地塊發展項目位於北京CBD核心區，東至金和東路，南至規劃綠地，西至金和路，北至光華路。擬建的Z15地塊項目主塔樓建築高度528.00m，地下七層，地上108層，塔樓外形類似中國古代宗教禮儀中的「尊」，所以通常稱之為中國尊項目（下簡稱中國尊），參見圖 1和圖2。本項目底部尺寸約為78mx78m，在大樓的中上部平面尺寸收進，尺寸為54mx54m，向上到頂部又放大，約為69mx69m，是世界上第一個8度抗震設防區超過500m的建築物。本工程所在的北京地區處在華北平原地震帶、汾渭地震帶及東北地震區的交界範圍，地震活動較為頻繁，歷史上曾經發生過8級地震、7.8級地震，震中烈度最高曾經達到11度，有可能高於現在規範要求的8度大震。近期發生了多次小地震，震源深度主要分布在5～14km 範圍，佔總數的74.8％，為淺源地震。如何有效地防震減災是本大樓安全的關鍵，也是世界性難題。

圖1三維建築圖

圖2典型建築平面圖

在中國的建築工程實踐中，主要採用結構抗震技術和措施，很少有地震逃生預案等措施。這種抗震技術理念與防震減災的現實需要有一定距離，日本阪神地震（1995）、中國汶川地震（2008）、日本311地震（2011）均表明單純的結構抗震是無法應對複雜的地震災害。姚攀峰(2012)提出了整合式抗震技術理念（ITSE），認為由於地震具有高度不確定性，有可能發生大震或巨震，為了實現地震中人員安全和財產安全的目標，需要採用地震預測、工程抗震、運營抗震、地震逃生等多領域的技術措施，這些技術措施相互影響、相互制約，必須整合在一起，方能實現人員安全和財產安全的抗震設防目標,該技術得到國內部分專家的支持和認可。

本工程嘗試在超高層建築中全面實施整合式抗震技術理念和相應的具體技術措施，本文首先介紹中國尊項目地震安全性評估及地震動參數成果，然後確定設防巨震的參數及抗震性能目標，確定避難單元和避難單元子結構的範圍，然後介紹主結構抗震、次結構和非結構構件抗震的具體技術措施，最後介紹了地震逃生預案。

2.地震安全性評估及地震動參數

根據中國尊項目的地勘報告[[4]]及地震烈度區劃圖，本工程所在區域為8度抗震設防，小震、中震、大震的地震加速度值參見表 1。場地為II類第一組,建築物抗震分類為乙類。

表 1抗震設防參數

本工程做了地震安全性專項評估，相應的地震反應譜參數及規範反應譜參數詳見表 2、圖 3、圖 4、圖 5。

表 2 地震安評地震動參數機規範地震動參數

註：1.αmax最大地震影響係數，Tg場地特徵周期，γ反應譜衰減指數，阻尼比η；2.參數相應於地表；3.地震影響係數對應的阻尼比5%。

圖 3規範與安評報告反應譜對比（小震）

圖 4規範與安評報告反應譜對比（中震）

圖 5規範與安評報告反應譜對比（大震）

從上述圖表可以知道，規範反應譜和地震安評譜是有較大差異。在小震作用下， 2s之後，地震規範反應譜中的影響係數αmaxc1值高於安評反應譜中的影響係數αmaxs1；在中震作用下， 7s之後，地震規範反應譜中的影響係數αmaxc2高於安評反應譜中的影響係數αmaxs2；在大震作用下， 8s之後，地震規範反應譜中的影響係數αmaxc3低於安評反應譜中的影響係數αmaxs3。對於場地特徵周期的評估，兩者在中震之後差異較大，規範譜中中震的Tg為0.4s，安評的為0.7s，安評值較規範值大75%；對於大震，規範的Tg為0.45s，地震安評的Tg為0.95s，安評值較規範值大111%。由於地震的高度不確定性，如何利用地震安評的參數在工程界還有不同的觀點，由於本工程小震下的規範反應譜對應的地震作用起到控制作用，設計中根據超限審查委員會專家審查意見小震、中震、大震採用了規範反應譜，但是針對工程具體場地進行地震安評仍然是有一定意義的，如何針對具體工程對地震作用進行較為準確的預估還有待進一步研究和完善。

本區域歷史上發生過多次6級以上地震，參見圖 14?6，最大一次地震為1679年9月2日地震，震級8級，震中烈度為11度，震中在平谷三河。由於地震的高度不確定性，本工程可能遇到超過設防大震的地震，稱之為極罕遇地震或者設防巨震，簡稱為巨震。儘管規範和超限審查委員會沒有要求，也應該適當考慮，本工程結合地震安評及經濟、技術等綜合考慮，巨震參數取8.5度大震參數，地面峰值加速度為510gal，αmaxc4取1.2，Tg取0.45s。

圖6 區域歷史地震震中分布圖

（M≥4.7，294～2012 年6 月）

3.避難單元、抗震性能目標

本工程從地震逃生角度出發，設置避難單元和非避難單元，結合地震逃生、結構、建築等多方面因素，避難單元取核心筒內的前廳和樓梯間，典型樓層核心筒的尺寸約為32.2×32.2，面積為1040m2/層，參見圖 7，地震避難單元層面積比β約為0.25。

圖7典型平面的避難單元設置

本工程主結構的高寬比為7.07，內核心筒的高寬比為16.2，偏於安全，令地震避難單元子結構層面積比βrus=1，直接取避難單元子結構範圍同主結構。

本工程主結構的性能目標為「小震不壞，中震可修，大震不倒，巨震（避難單元子結構）不倒」；次結構及非結構構件的性能目標為「小震不壞，中震可修，大震不倒，巨震（避難單元）不倒」；地震逃生的性能目標為「小震不驚，中震不傷，大震不殘，巨震可生」。

地震避難單元子結構應進行巨震時的承載力驗算，需要滿足式和式，對於本工程[θps]取1/80。

式中：[θps]是地震避難單元子結構的彈塑性層間位移角限值；hs是地震避難單元子結構的薄弱層樓層高度；ups4是在巨震時，考慮其他子結構對地震避難單元子結構作用下的彈塑性層間位移；Rs4是巨震時地震避難單元子結構構件的承載力特徵值（標準值或者極限值）；Ss4是巨震時考慮其他子結構對地震避難單元子結構作用下的地震避難單元子結構構件的地震作用荷載及其他荷載效應的特徵值（標準值、極限值）。

4.主結構抗震

在設計階段，在小震、中震、大震分析的基礎上，採用概念和構造措施實現巨震性能目標，並在振動台試驗時進行驗證，採用以下主要措施滿足抗震要求。

4.1結構體系

中國尊主結構最初的結構體系為豎向不連續的超高層的巨型組合結構體系，上部為為密柱框架，通過腰桁架進行轉換，下部為巨型支撐外框筒，存在剛度突變、豎向傳力不連續等概念性缺陷。參見圖 8。

通過業態、建築功能、結構技術可行性分析等措施，把原結構調整為巨型支撐框架+高延性雙連梁核心筒的組合結構體系，三維結構參見圖 9，地上分為8個區，7道腰桁架，1道帽桁架，1～8區均有斜撐。除了腰桁架和支撐採用鋼結構等常規技術之外，還採用了一些新技術，有效提高了抗震性能。

圖 8第一次超限諮詢會結構方案三維圖

圖9三維結構圖

4.2多邊多腔鋼管鋼筋混凝土巨柱

本工程角部巨柱是整個大樓安全的關鍵，角柱破壞將可能導致整個大樓破壞或者倒塌。角柱B7～7層為4個巨柱，單個巨柱的最大截面面積為63.8平方米，7層以上為8顆巨柱，最大截面約19.2平方米。姚攀峰首次提出了多邊多腔鋼管混凝土巨柱（2009，姚氏巨柱），是一項有效解決超大截面巨柱的新型技術方案，具有承載力大、延性好的優點，姚攀峰等已經在天津117項目中完成了初步研究、具體設計並施工（2009）。本項目最終採用了多腔鋼管混凝土巨柱這種新技術，典型的截面如圖 10所示。

圖10典型的多邊多腔鋼管鋼筋混凝土巨柱

4.3鋼混凝土混合式雙連梁核心筒

本核心筒採用了鋼-混凝土混合式雙連梁核心筒技術。底部採用鋼板與鋼筋混凝土組合的剪力牆，中部採用鋼骨柱與鋼筋混凝土組合的剪力牆，頂部採用帶內支撐鋼桁架的鋼骨柱與鋼筋混凝土組合的剪力牆，參見圖 11，連梁採用雙連梁技術，參見圖 12。

圖 11核心筒局部示意圖（L9）

圖 12雙連梁示意圖

4.4適當增加結構剛度

採用增大巨柱截面、桁架截面等方式，適當增加了整個結構的剛度。主結構的自振周期T1為7.30s，T2為7.27s，T3為2.99s ，與國內其他低烈度設防區的500m以上超高層建築物比較，本工程剛度較大。

圖13振形圖

4.5地震反應

採用上述多項措施之後，進行了位移和承載力等分析。本工程基本對稱，下面只描述x向的分析結果。小震下的x向基底剪力為130MN，剪重比調整之後為154MN。 X向小震層間位移角為1/548，剪重比調整後的最大層間位移角為1/513，x向50年風荷載下的最大層間位移角為1/999，參見圖 14，滿足安全要求。

圖14層間位移角

根據地震彈塑性時程分析，x向大震平均位移角為1/128，參見圖 15，滿足安全要求。

圖 15大震彈塑性時程分析

經過估算，x向巨震平均位移角約為1/96，可滿足安全要求。

4.6試驗驗證

為了進一步檢驗工程的安全性，進行了振動台試驗，振動台試驗縮尺比為1：40，試驗模型參見圖 16； 8度大震和巨震時程波選用了大震天然波2，參見圖 17。

表 3大震及巨震試驗地震波

圖 16振動台試驗模型

圖 17大震時程波

大震時為三向地震輸入，試驗過程中，模型振動較強，整體以平動為主，部分構件發生破壞響聲。角柱在七層分叉處出現開裂，部分核心筒連梁輕微損傷，巨型斜撐、轉換桁架等基本完好。從圖 18可知結構X向最大層間位移角達到約1/103，96層以下層間位移角均小於1/150。滿足了大震要求。

圖18大震與巨震時的層間位移角

巨震時為三向地震輸入。試驗過程中，模型整體振動更加劇烈，伴隨較大焊縫開裂聲。位移主要以整體平動為主。結構損傷加大，參見圖 19，自振頻率繼續下降，其中X向一階降低9.60% 、Y向一階降低7.14%。從圖 14?18可知結構X向最大層間位移角達到約1/81，96層以下層間位移角均小於1/100。這可能是由於在大震中模型已經有較大損傷，剛度下降，其中X向一階降低4.80%、Y向一階降低5.56%，另外一個原因本實驗用的地震時程波較均值大，所以層間位移角達到1/81，但是結構整體性倒塌，關鍵構件基本完好。這說明結構能夠滿足巨震時的抗震性能要求，而且還有一定的抗震儲備能力。

圖 19結構裂縫圖

5.次結構及非結構構件抗震

次結構及非結構構件往往是抗震中的一個薄弱點，在日本311地震中，儘管主結構沒有倒塌，但是較大面積的次結構和非結構構件遭到破壞甚至倒塌。中國尊項目一般部位的次結構和非結構構件滿足規範要求，但是對樓梯間及特殊房間採用了特殊的措施。

次結構的柱採用鋼柱，並按照中震彈性的內力進行承載力計算。

圖 20次結構示意圖

地下疏散樓梯隔牆採用鋼筋混凝土隔牆，在主結構模型中建模進行計算，按照小震彈性的內力進行承載力計算，參見圖 21。地上疏散樓梯隔牆擬採用砌體填充牆，圈樑構造柱進行加密處理。

圖 21疏散樓梯隔牆

6.地震逃生預案

地震逃生是應對地震災害的有效組成部分，在汶川地震中，有2個班級，各種客觀條件相差不大，但是由於一個班級地震逃生方法正確，另外一個班級逃生方法錯誤，死亡人數差異30人，死亡率相差高達66%。地震逃生是地震災害自救的最後一道防線，尤其是地震可能引發地震火災，阪神地震（1995）、東京大地震（1923）等地震中發生過重大火災，參見圖 22，在地震火災中，地震逃生是唯一可行的有效措施。

圖22阪神地震火災

姚攀峰提出了綜合逃生法，針對具體的環境、地震和逃生人員狀況，綜合考慮各方面因素，結合具體的逃生安全目標，選擇合適的逃生路徑和逃生行為，採用正確的逃生流程，得到成功概率比較高的地震逃生方法，稱之為綜合逃生法，目前已經在雅安等地震災區得到了較為廣泛的應用。

對於目前的中國，地震逃生是防震減災中不可缺失的一環，有著重要的作用。在2009年之前我國對此關注度不足，至今尚沒有完整的科學地震逃生預案。本工程嘗試基於綜合逃生法的原理給出地震逃生預案。

6.1地震災害

本工程位於平原，周邊無化工廠、核設施，主要面臨以下地震災害：

1. 主結構局部倒塌

主結構在巨震時，96層以上局部層間位移角小於1/100，位於嚴重破壞至倒塌的範圍，有可能局部倒塌。

2. 次結構和非結構構件局部倒塌：

由於對非避難區域的要求較低，規範允許其先於主結構破壞，有可能局部破壞或者倒塌。

3. 地震火災

本工程在低區、中區、高區均設置有廚房，燃氣送到高區，且有大量的電線，有可能在地震中發生地震火災。

4. 踐踏傷亡

本大樓使用人數可能超過一萬人，人群在地震逃生中可能發生踐踏傷亡。

6.2基於綜合逃生法的地震逃生預案

針對本工程，地震逃生有著特殊的重要性，逃生流程可參見圖 14?23。

圖 23逃生流程圖

在階段1，主要地震災害是次結構及非結構構件破壞造成的傷害。目標安全區可設置為原地，躲避在逃生人員的桌子底下，抓牢。逃生人員無桌子等掩蔽物的可採用低蹲護頭的行為。

在階段2，主要地震災害是主結構的局部倒塌和破壞，次結構和非結構構件可能倒塌，目標安全區可設置在96層以下的核心筒（避難單元），逃生人員可採用護頭式速走轉移到避難單元，96層以上的人群要快速有序撤離到96層以下的核心筒。

在階段3，主要地震災害是地震火災、人員踐踏傷亡，目標安全區設置在室外安全島，本工程南側有大片的中央綠地，可作為本工程安全區，可採用護頭式速走轉移到目標安全區。

在階段4，主要地震災害是化學污染等，目標安全區設置在無污染區域，在核實確定污染信息之後，可採用汽車等交通方式有效撤離。

7.結論

本工程嘗試採用整合式抗震的理念，通過主結構抗震、次結構和非結構構件抗震、地震逃生等具體技術措施，初步實現了主結構8度大震不倒的規範預定安全目標，而且實現了「巨震，（避難單元子結構）不倒」的性能目標，完成了國內第一個系統地震逃生應對方案和措施，能夠有效實現預定逃生目標，防震減災。為8度抗震設防區500m以上超高層建築防震減災的世界性難題提供了一種解決思路和方案。

本工程開發單位為北京中信和業投資有限公司，地勘單位為北京市勘察設計研究院有限公司，地震安評單位是中國地震局地球物理研究所，結構設計單位為奧雅納工程顧問和北京市建築設計研究院有限公司。奧雅納工程顧問完成結構方案和初步設計及結構超限審查，中信建築設計研究總院是本項目設計複核單位，華東建築設計院是該項目結構顧問單位；建研科技股份有限公司進行了獨立第三方彈塑性分析和振動台試驗；北京中信和業投資有限公司對本工程結構設計的技術、質量、進度等工作進行了全方位參與並管控。本工程已於2013 年2 月通過了全國超限高層建築工程抗震設防審查專家委員會的審查。

致謝：徐培福、王亞勇、戴國瑩、容柏生、陳富生、錢稼茹、婁宇、顧寶和，劉鵬、殷超、柯長華、齊五輝、汪大綏、姜文偉、王建，李治、陳松，肖從真、徐自國、魏慶鼎、顧明、顧志福、楊慶山、李小軍、周宏磊等專家和設計師在本工程地勘、地震安評、結構設計、振動台試驗等做了大量工作，提供了許多寶貴意見，張義元先生參與了本文討論並作了部分翻譯工作，在此表示忠心感謝

參考文獻：略

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！