深圳坂田文体中心--复杂公共体育馆结构超限设计

深圳坂田文体中心--复杂公共体育馆结
构超限设计
内容摘要：本项目位于深圳市龙岗区坂田街道下雪科技工业园，A座为体育设施和图书馆共9层，B
座为配套设施和健身中心共7层，主要为配套设施和健身中心，均采用框架剪力墙结构，存在扭转不规则、组合平面、楼板不连续、有斜柱的局部不规则以及复杂大跨度和长悬臂结构为平面及竖向均不规则的超限高
层结构。

为保证结构的抗震性能，采用抗震性能设计方法，对不同构件提出可行的抗震性能目标，采用多个
软件对结构各抗震设防阶段进行分析。

对大跨度预应力梁支座处剪力墙的面外承载力和外围悬挑步行道节点
及舒适度进行专项分析，分析结果表明，结构设计安全可行。

本工程可为类似工程设计提供参考。

关键词：文体中心; 复杂大跨度和长悬臂结构; 性能设计; 超限设计；
中图分类号：TU318文献标志码：A 文章编号：1
1工程概况
本项目为综合性文体中心，项目位于深圳市龙岗区坂田街道下雪科技工业园。

总用地面积12540.57平方米，总建筑面积为73592平方米，包括：体育设施(体
育综合馆及全民健身综合馆)17824平方米，文化设施(图书馆及文化馆)12426平
方米，配套设施及辅助用房12862平方米，架空休闲4940平方米，地下室共用
停车库及公用设备用房25540平方米。

地上建筑为两栋一类高层公共建筑，分为A、B两座（A、B座各层通过连廊进行连接），其中A座共9层，为体育设施和
图书馆，主屋面结构高度55.00米，B座共7层，为配套设施和健身中心，主屋
面结构高度为49.5米，结构体系均为框架剪力墙结构，地下室共3层，其中半
地下一层功能为文化馆（黑匣子剧场），负一负二层主要功能为车库、设备用房
和人防工程。

由于场地高差较大，其中两层全埋，建筑总平面图如图1所示, 建
筑效果见图2。

2基础设计
本工程塔楼拟采用旋挖钻孔灌注桩d1000~1800，以中风化混合岩/微风化混合岩作为桩端持力层，纯地下室采用天然基础(2500x2500~4700x4700)及抗拔锚杆1d40(PSB930)；
3 结构布置
3.1结构体系
地上A座为框架-剪力墙结构，外圈悬挑螺旋跑道的支撑柱采用D1200型钢混凝土圆柱(内嵌圆钢管，管内充填混凝土的叠合柱)；其中大跨度智慧体育综合馆、篮球馆、羽毛球馆楼盖跨度约为33X42米（四、六、八层楼盖）均采用
700x2000(C40)预应力混凝土梁及混凝土柱(1200X1500)，楼盖厚120mm,600厚剪力墙布置在场馆的四个角部，围合成一个较大的筒体效应，形成较大的抗侧力体系；
地上B座为框架-剪力墙结构，外圈悬挑跑道的支撑柱采用D1000混凝土圆柱；用300~400x800的框架梁和120厚楼盖与400厚的核心筒体相连，形成较大的抗侧力体系；典型结构平面布置图见图3。

图1 建筑总平面图
图2 建筑效果
3.2结构超限
本项目A座建筑高度55米，B座建筑高度49.5米属于A级高度结构,根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015] 67号)及《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》(粤建市函[2016]20号)的相关规定,本工程存在扭转不规则、组合平面、楼板不连续、有斜柱的局部不规则以及复杂大跨度和长悬臂结构等多项不规则项，为平面及竖向均不规则的超限高层结构。

图3 结构平面图
4 结构设计参数及性能设计指标
4.1结构设计参数
风荷载：根据《建筑结构荷载规范》，本工程基本设计风压50 年一遇
0.75kN/m2。

因本工程建筑高度不超过60m，因此结构整体计算及构件承载力验算时的风压均按50年一遇取值。

地震荷载：本工程抗震设防类别为重点设防类，抗震设防烈度7度0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期 Tg 取0.35s，αmax 取0.80。

4.2性能设计指标
本项目为超限复杂高层,针对多项一般不规则项和及大跨度和长悬臂结构等特殊结构,需选用可行的抗震性能目标，对于结构整体,应满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准性能目标。

对于关键构件,根据重要程度,结合《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)及超限技术审查意见, 设置了合理的抗震性能目标；关键竖向构件：底部加强部位剪力墙、框架柱( 含斜柱斜撑)、核心筒剪力墙按中震抗剪弹性、抗弯不屈服设计且大震不屈服设计；关键横向连接构件：细腰连接位置框架梁按中震抗剪弹性、抗弯不屈服设计且大震不屈服设计；细腰连接位置楼板按中震抗剪抗弯均弹性且大震抗剪不屈服设计：悬挑旋转跑道节点区按中震弹性,大震不屈服设计。

普通构件及耗能构件：竖向构件如非底部加强区剪力墙和核心筒剪力墙及框架柱应满足按中震抗剪弹性和大震作用下的截面控制条件;耗能构件如框架梁和连梁应及楼板满足按中震抗剪不屈服设计；
5 结构分析
5.1多遇地震弹性分析
层间位移角：在多遇地震作用下, 主体结构的单塔、多塔的最大层间位移角见图 4、5 所示,结果表明,在多遇地震作用下, X、Y 向的最大弹性层间位移角均能满足小于规范 1 / 800 的要求。

两软件计算结果最大层间位移角值和位移比基本接近,其变化趋势相近，位移比个别楼层大于1.4，一层最大位移比为1.52，但该层最大位移角为1/4577，对结构的使用不产生影响。

图4 Y向层间位移角图5 X向层间位移角
图6 Y向层间位移比图7 X向层间位移比
图8.1 Y向剪重比图8.2 X向向剪重比
图8.3 框架剪力比图8.4 框架倾覆力矩比
分析结果表明：结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力、楼层最小地震剪
力系数（在经程序自动调整后）均满足《高规》第4.3.12条的规定。

从框架与
剪力墙剪力分配情况来看，1层框架承担的地震剪力X方向为16.16%，Y方向为14.08%。

上部楼层的大部分框架承担的地震剪力占据相应楼层剪力的20%~50%左右，且X向、Y向曲线较一致，表明框架和剪力墙各自在对应方向刚度一致，结
构布置均匀，8层曲线突变是由于副馆屋面高度比主馆底两层。

底部框架倾覆力
矩占比16%左右满足框架-剪力墙结构体系要求；局部楼层框架应进行0.2Vo调整（按结构底部总地震剪力标准值的20% 和框架部分楼层地震剪力标准值的1.5倍
二者的较小值进行调整）。

此外，塔楼的位移角、抗倾覆、舒适度验算、刚重比、剪重比、侧向刚度比、抗剪承载力比均满足规范要求。

5.3设防地震等效弹性分析
设防地震与多余地震作用下的结构整体反应指标对比如下：
图8.5 X向位移角对比图8.6 Y向位移角对比
图8.7 X向剪力对比图8.8 Y向剪力对比
从整体指标来看，设防地震下的楼层层间位移角约等于2.49倍的小震弹性
层间位移角，分布具有规律性，没有出现异常突变情况；楼层剪力同楼层受剪承
载力两者比较，结构整体有着较富余的受剪承载能力，满足设防地震下的抗震性
能目标的要求。

为保证关键竖向构件的抗震延性，分析首层框架柱KZ2、KZ23、KZ25、KZ29、KZ31、KZ44的P-M曲线图（标准值），框架柱和剪力墙编号详图8.3.9-1，PM曲
线详图8.3.9-2~图8.3.9-6。

从图中可看出墙柱在各工况下内力均在P-M曲线包
络范围并有较大富余，可满足中震的性能目标。

图8.9 1200x1500（配筋率0.73%）KZ31 P-M计算曲线
图8.10 D=1500（配筋率1.55%）KZ25 P-M计算曲线
图8.11 D=1200（配筋率3.67%）KZ29 P-M计算曲线
经计算复核，底部加强区部位剪力墙受弯不屈服、受剪弹性，框架柱受弯不
屈服、受剪均处于弹性状态。

对拉应力较大的墙肢通过提高纵筋配筋率来控制钢
筋应力，从而保证剪力墙受拉时混凝土不开裂，在中震作用下发挥抗剪作用。

框
架柱P-M曲线分析承载力均有较大富余，满足关键构件的中震性能，非底部加强
区剪力墙及框架柱分析结果均为受弯不屈服、受剪弹性，满足普通竖向构件的中
震性能目标。

5.4罕遇地震动力弹塑性分析
本项目采用广州数力研发的SAUSAGE软件进行结构的动力弹塑性分析，
采用两组天然波（TR01-01和TR02-）和一组人工波（01RG01-01）进行动力激励；主次方向地震波峰值比为1：0.85：0.65，因本工程存在大跨度和长悬臂，需考
虑竖向地震效应，竖向地震波按0.65倍进行输入，地震波反应谱与规范谱比较
如下图：
图9.4.2-2地震波反应谱与规范谱比较
图9.4.2-2大震下层间位移角图
图9.4.2-2大震下顶点位移和层位移角
由上图表可见，地震波TR1_X 作用下5层得到最大层间位移角
1/243<[1/120]，满足《高规》关于层间弹塑性位移角限值的要求，可以判断结构最终能保持基本直立，满足规范“大震不倒”抗倒塌；
图9.6.2.2-1连梁、剪力墙受压损伤和钢筋塑性应变云图
图9.6.2.2-2框架柱混凝土受压损伤和钢筋塑性应变云图
图9.6.2.2-3框架梁混凝土受压损伤和钢筋塑性应变云图
罕遇地震作用下，除顶层外，框架柱混凝土未出现严重的受压损伤，最大损伤因子0.33<0.6，属于中度损坏；仅顶层屋架出现部分受压损伤严重，其最大损伤因子0.76，属于比较严重损伤；顶层柱钢筋屈服，而其他层柱的钢筋不屈服。

罕遇地震作用下，除顶层外，框架梁混凝土未出现严重的受压损伤，最大损伤因子0.30<0.6，属于中度损坏；仅顶层屋架出现部分受压损伤严重，其最大损伤因子0.77，属于比较严重损伤，部分框架梁钢筋屈服。

罕遇地震作用下，连廊的钢材塑性应变<0.002,均为未屈服。

综上，罕遇地震作用下，框支架柱满足整体受弯受剪不屈服的性能；框架梁满足部分屈服的性能，连廊满足不屈服性能。

6 专项分析
6.1大跨预应力梁支座处剪力墙面外承载力分析
本工程核心筒600厚剪力墙平面外存在预应力大梁连接，在墙内设置墙内暗柱600x1800（宽度取3倍墙厚，暗柱高同墙厚度）的暗柱，分析其面外局部受弯
的情况，挑取结构顶部几层进行验算，墙体按压弯构件进行验算。

墙体压力为墙
上层传来的轴力和本层梁端剪力，墙体承担的弯矩由本层及上层墙体按刚度共同
分担，同时为了保证在地震作用下剪力墙对面外水平荷载的有效传递并协调所连
接结构构件的变形，对结构顶部几层承受面外弯矩的剪力墙进行计算手工计算，
并针对性的对薄弱部位的剪力墙进行构造加强。

从而保证了剪力墙不会因为面外
弯矩过大而导致提前退出工作，得以实现剪力墙的抗震性能目标。

对暗柱在多遇地震、设防烈度地震下进行分析，其P-M包络曲线如下：
图8：AZ1多遇地震、设防烈度地震P-M包络曲线
经复核在梁下设置剪力墙暗柱(3倍墙厚度)各层纵向钢筋配筋率需按中震工
况下分别按1.3~3.0%包络配筋，可满足受力要求。

6.2外围悬挑步行道节点分析
本项目八至九层A7交AE轴处叠合柱（砼Φ1200钢管Φ600x20）悬挑了5
米跨的箱型钢（400x1200x36x36），悬挑钢梁作为28.3米跨旋转步行道的支座，钢梁与叠合柱的连接节点处受力复杂，有必要对该节点范围进行应力分析。

混凝
土等级为C40，钢材为Q355，钢筋为HRB400。

节点平面及三维示意图如下图所示。

图9：节点三维示意图图10：ABAQUS节点模型
由应力云图可知，在罕遇地震作用下，节点区混凝土最大主压应力
S33=20.35MPa，小于混凝土抗压强度标准值26.8MPa（C40）；最大剪应力
S13=4.75 Mpa，小于截面抗剪强度标准值 0.2fck=5.36 MPa（C40）；型钢最大Mises应力为285.2 Mpa，小于型钢的屈服强345MPa；钢筋最大Mises应力为66.16 Mpa，小于钢筋的屈服强度400MPa。

经节点分析：多遇地震、设防烈度地震下节点保持弹性，罕遇地震下节点不
屈服。

6.3外围大跨悬挑步行道舒适度分析
本项目旋转步行道存在28.3米跨箱型(400x1400/800)梁需进行舒适度验算，其最不利自振频率为3.24Hz；因室外旋转步行道宽1.5米，按1.5x3米间距一个
人行走，且按《舒适度标准》规定进行行走激励荷载计算，体重按0.70KN考虑，楼面有效均布活荷载取0.2KN/m2，人行走时程曲线详图10.2.4-3。

图10.2.4-3 28.3米跨步行道
人行走时程曲线
图10.2.6-5 28.3米跨步行道多人行走时最大加速度
（0.131/2=0.0655m/s2<[0.15]）
经计算分析：加速度0.0655小于规范的0.15要求；
6.4楼板弱连接区应力分析
弱连接区每层的拉力按照下式计算：F=0.85αmaxGi（Gi为副馆的重力荷载代表值）；经验算，第八层弱连接区域板厚需180mm，附加配筋率0.5%双层双向拉通。

图11.1八层正应力(EX，Sxx) 图11.2八层正应力(EX，Syy)
图11.3八层正应力(EY，Sxx)图11.4八层正应力(EX，Syy)
除应力集中除外，其它区域楼板拉应力较小，一般在0.5~1.5MPa，小于C30混凝土抗拉强度标准值[2.20MPa]
对于应力集中部位，适当加强配筋构造（按0.25%或0.3%双层双向设计）
6.5斜撑及相关联的楼板应力分析
图12.1 九层斜撑800x1000配筋率2.08% P-M计算曲线
由上图可知，罕遇地震下斜撑需加强。

加强措施为：采用内置型钢混凝土斜撑；
图12.2斜撑下端楼板正应力(EX，Sxx)及(EX，Syy)
图12.2斜撑上端楼板正应力(EX，Sxx)及(EX，Syy)
经分析，最大拉应力为应力集中，斜撑下端楼板的最大拉应力2.39Mpa，斜撑上端楼板的最大拉应力2.22Mpa斜撑下端板厚需加大至200mm，附加d14@150双层双向；斜撑上端板板厚需150mm，附加d12@150双层双向。

7结构加强措施
（1）底部加强区设置约束边缘构件，纵筋配筋率不小于1.30%，配箍特征值
λv不小于0.20，墙身水平和竖向分布筋的最小配筋率提高到0.30%以提高其抗剪、抗拉能力。

（2）主副馆细腰连接部分楼板板厚不小于150mm，配筋率不小于0.4%双层
双向拉通，第八层处细腰连接部分的楼板厚度不小于180mm，配筋率不小于0.5%
双层双向拉通；此细腰处两框架梁箍筋采用d10@100全长加密，腰筋按单侧不小
于0.25%配筋率配置。

（3）主馆大跨度楼板板厚取150mm，以提高楼盖的刚度满足舒适度要求。

（4）8层~10层的斜撑下端楼板板厚加大至200mm，配筋附加d14@150双层
双向；斜撑中部和上端板板厚取150mm，配筋附加d12@150双层双向。

（5）8层~10层斜撑上下端框架梁增加型钢，型钢规格分别为
H800x250x20x30(Q355)H1400x250x20x30(Q355)；斜撑增加型钢，型钢规格为：
H500x300x36x36(Q355)。

（6）主馆大跨度位置剪力墙面外搭梁需设置暗柱，AZ1半地下一层～二层纵
向钢筋配筋率需按1.3%，三层及以上纵向钢筋配筋率需按3%；
（7）斜柱的纵向钢筋最小配筋率不小于 1.1%，斜柱框架周边板厚取150mm，采用不小于0.25%配筋率双层双向配筋，周边框架梁纵筋通长配置，与斜柱方向
相连的框架梁纵筋配筋率提高20%，腰筋按单侧不小于0.25%配筋率配置。

（8）根据设防烈度地震分析结果，对竖向构件和斜撑进行复核，配筋时与
多遇地震结果包络设计（底部加强区剪力墙边缘构件和墙身纵筋不小于8.3.8条
的配筋率要求）。

8结语
（1）在多遇地震作用及风荷载作用下，YJK和Midas Building两种软件分
析的各项指标基本一致；结构构件处于弹性阶段，承载能力和变形能力均能满足
现行规范要求。

时程分析与反应谱之间具有一致性和规律性，符合工程经验及力
学概念所做判断；能够满足“性能水准1”的抗震性能目标。

时程分析与反应谱之间具有一致性和规律性，符合工程经验及力学概念所做判断；能够满足“性能水准1”的抗震性能目标。

（2）在设防烈度地震作用下，底部加强区剪力墙、柱受弯不屈服，受剪弹性；其他部位剪力墙和柱均满足受弯不屈服、受剪弹性要求；框架梁及连梁有个别出现受弯屈服，但受剪不屈服；可满足“性能水准3”的抗震性能目标。

（3）在罕遇地震作用下，结构层间弹塑性位移及层间位移角均满足规范限值要求，底部加强部位剪力墙和柱均受弯受剪不屈服；非底部加强部位墙柱出现部分受弯屈服，但满足受剪截面要求；可满足“性能水准4”的抗震性能目标。

（4）该结构满足抗震性能目标设定的在指定地面运动下的各项抗震性能水准要求，是安全、可靠、合理且满足规范要求的。

参考文献
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[4] 组合超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点:建质〔2015〕67 号[ A]. 北京:中华人民共和国住房和城乡建设部,2015
[5] 坂田街道文体中心项目超限高层建筑抗震设计可行性论证报告
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