泰安道四號(hào)院酒店超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

□文/曹學(xué)軍 韓 寧 何率真 李 雪

1 工程概況

泰安道四號(hào)院工程由超五星級(jí)酒店和高檔公寓組成，總建筑面積地上68 300 m2，其中酒店部分43 500 m2，公寓部分 24 800 m2；地下 30 000 m2，見圖 1。

圖1 泰安道四號(hào)院

酒店地下2層，地上主體10層，結(jié)構(gòu)主體高41.7 m，長(zhǎng)93 m，寬83.2 m，平面形狀為凹字型，主要柱網(wǎng)尺寸為9.6 m×9.6 m及9.6 m×7.6 m。首層共享大廳局部抽柱空間柱距為15.0 m×19.2 m，裙房頂層為21.6 m×55.7 m的無柱大空間，由于存在多項(xiàng)不規(guī)則，為抗震超限高層。

設(shè)計(jì)使用年限為50 a，基本風(fēng)壓0.50 kN/m2，地面粗糙度C類，基本雪壓S0=0.40 kN/m2。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，樁基及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，相關(guān)抗震設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 抗震設(shè)計(jì)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)方案

2.1 結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)方案

酒店主體采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在凹字形凹角部位以及伸出的雙翼端部和中間部位設(shè)置了剪力墻。中間共享大廳抽柱大柱網(wǎng)部位在2層利用設(shè)備管道層作為局部轉(zhuǎn)換，盔頂層邊角柱采用折柱，頂部4個(gè)角樓以及中部的主塔樓下部大部分采用梁托柱轉(zhuǎn)換。上述特殊部位的結(jié)構(gòu)布置既保證了結(jié)構(gòu)受力合理安全，又最大限度營(yíng)造了豐富的建筑內(nèi)部空間。

基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，兩端酒店及公寓的樁基布置方式為柱下獨(dú)立承臺(tái)及剪力墻下條形或局部樁筏，中間內(nèi)庭院下純地下室柱下布置抗拔樁，承臺(tái)間布置基礎(chǔ)連系梁連接，通過樁長(zhǎng)、樁數(shù)以及后澆帶減少不均勻沉降。

2.2 結(jié)構(gòu)布置及主要構(gòu)件尺寸

1）結(jié)構(gòu)布置見圖2和圖3。

圖2 首層結(jié)構(gòu)平面

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

2）主要構(gòu)件尺寸見表2。

表2 主要構(gòu)件尺寸及材料

續(xù)表2

3 抗震超限及其他技術(shù)問題

3.1 抗震超限情況

1）主體平面為凹字型，兩翼外伸長(zhǎng)度與相應(yīng)寬度比值為4.2＞2，突出部分長(zhǎng)度與相應(yīng)總長(zhǎng)度之比為0.7＞0.35，超過GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.4.3-1及JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表4.3.3的限值，屬凹凸不規(guī)則。

2）X+5%偶然偏心多層位移比接近1.3，X-5%偶然偏心多層位移比接近1.4，最大為第12層1.45，大于該樓層兩端彈性水平位移平均值1.2倍，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

3）3層為局部錯(cuò)層，錯(cuò)層高差約為1.0 m，錯(cuò)層面積大于該層總面積的30%，樓板局部不連續(xù)。

4）地上2層、7～9層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層70%及其上相鄰3個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值80%的較小值，為軟弱層；屬側(cè)向剛度不規(guī)則。

3.2 其他技術(shù)問題

1）主入口2層有局部梁托柱的轉(zhuǎn)換。有2根框架柱不能落地，局部豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。

2）盔頂層層高大，邊緣的框架柱隨其坡度向內(nèi)收進(jìn)，主體外輪廓需要布置大量斜梁和折柱。

3）頂部四角塔樓及中部主塔樓的大部分豎向承重構(gòu)件從相對(duì)應(yīng)的屋面開始，不能從下向上貫通。

4 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

梁柱采用空間桿單元，剪力墻和樓板采用殼單元，剛性樓板模型采用樓板平面內(nèi)剛度無限大假定。計(jì)算中考慮偶然偏心的影響并考慮雙向地震作用。

4.2 計(jì)算軟件及結(jié)構(gòu)分析主要內(nèi)容

采用SATWE、PMSAP空間有限元分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算。各程序計(jì)算內(nèi)容見表3。

表3 有限元分析計(jì)算內(nèi)容

5 主要計(jì)算結(jié)果

采用SATWE程序計(jì)算分析，地下1層與首層剪切剛度比值，X方向?yàn)?.55，Y方向?yàn)?.34。整體計(jì)算取地下1層頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。

采用不同的計(jì)算程序進(jìn)行了整體計(jì)算，經(jīng)比較分析主要計(jì)算結(jié)果差別不大，可以作為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能的依據(jù)。計(jì)算結(jié)果見表4和表5。

表4 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果1

表5 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果2

6 彈性時(shí)程分析

鑒于本工程的不規(guī)則性，采用彈性時(shí)程分析進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

選取兩組實(shí)際地震記錄 (TDTA-X1W、TDTA-X2W)和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線（RTA-63%）進(jìn)行彈性時(shí)程分析，兩組實(shí)際地震記錄的峰值加速度修正值取55 cm/s2，人工模擬時(shí)程曲線的加速度為55 cm/s2，場(chǎng)地特征周期采用0.6 s，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.02 s。地震波采用雙向輸入（1.00∶0.85），彈性時(shí)程分析選用地震波及計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 彈性時(shí)程分析結(jié)果

由表6可知，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值均不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%。滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于單條波的選用要求。

比較振型分解反應(yīng)譜法與彈性時(shí)程分析的結(jié)果，當(dāng)?shù)卣鹆ρ豖方向作用時(shí)，用彈性時(shí)程分析方法計(jì)算的各樓層剪力和基底剪力的包絡(luò)值均小于振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)?shù)卣鹆ρ豗方向作用時(shí)，用彈性時(shí)程分析方法計(jì)算所得的5層以上剪力包絡(luò)值大于振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果，見表7，5層及以下各樓層剪力包絡(luò)值均小于振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果。經(jīng)分析計(jì)算結(jié)果，各樓層位移及剪力沿豎向分布較均勻，無明顯突變。對(duì)于6層及以上樓層剪力作相應(yīng)放大調(diào)整。

表7 彈性時(shí)程法包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法局部對(duì)應(yīng)樓層剪力的比較

7 結(jié)構(gòu)分析及結(jié)論

采用SATWE、PMSAP空間有限元兩個(gè)軟件進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)分析，經(jīng)比較主要計(jì)算結(jié)果數(shù)值相近。結(jié)構(gòu)在多遇地震下的震動(dòng)形態(tài)無異常，承載力及剛度無突變，扭轉(zhuǎn)周期比、剪重比、層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，目前的結(jié)構(gòu)方案是可行的。

8 設(shè)計(jì)采取的措施

采用兩個(gè)程序進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析比較，補(bǔ)充了彈性時(shí)程分析。對(duì)于超限及其他技術(shù)問題采取了對(duì)應(yīng)的措施。

1）對(duì)于凹凸不規(guī)則，在伸出的兩翼端部及中間部位均設(shè)置了落地的剪力墻，增加此部位的抗扭剛度并提高其抗震等級(jí)。為解決地震時(shí)外伸段凹角處應(yīng)力集中易使樓板開裂、破壞的問題，設(shè)計(jì)時(shí)采用加大樓板厚度，增加板內(nèi)配筋，配置45°斜向鋼筋等方法進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)；結(jié)構(gòu)分析時(shí)將該部位定義為彈性樓板進(jìn)行計(jì)算。

2）對(duì)于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，整體計(jì)算中考慮偶然偏心及雙向地震作用，加大周邊關(guān)鍵部位墻、柱配筋率，提高承載力。

3）2層、7～9層為軟弱層，在整體分析時(shí)對(duì)軟弱層的地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)，對(duì)薄弱部位抗側(cè)力構(gòu)件的抗震等級(jí)均由原抗震等級(jí)再提高一級(jí)，提高抗側(cè)力構(gòu)件的縱向配筋率和箍筋的體積配箍率，加強(qiáng)豎向抗側(cè)力構(gòu)件承載能力和變形能力。

4）對(duì)于錯(cuò)層問題，結(jié)構(gòu)分析時(shí)將該部位定義為彈性樓板進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于局部錯(cuò)層處框架柱采取井字復(fù)合箍筋全高加密、設(shè)置芯柱等構(gòu)造措施提高混凝土柱的延性，將軸壓比控制在0.75。

5）對(duì)于局部轉(zhuǎn)換問題，計(jì)算時(shí)將托柱的梁和框支柱抗震等級(jí)提高到二級(jí)并在程序計(jì)算中將其定義為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，按照規(guī)范要求進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整，構(gòu)造上按框支梁、框支柱構(gòu)造，四周樓板加厚到180mm，樓板雙層雙向配筋并適當(dāng)提高配筋。

6）盔頂按照實(shí)際情況輸入計(jì)算模型，為避免剛度突變，保留了邊角部位剪力墻，其頂標(biāo)高隨盔頂變化。在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，提高了邊柱的配筋并重點(diǎn)加強(qiáng)了轉(zhuǎn)折部位的構(gòu)造。

7）頂部四角塔樓及中部主塔樓周邊柱既有下部貫通柱又有樓面梁托柱，設(shè)計(jì)時(shí)其截面尺寸相差較大，以下部貫通柱作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，加強(qiáng)配筋與構(gòu)造，其余的柱作為主要的豎向承重構(gòu)件，考慮承擔(dān)部分水平力，主要加強(qiáng)其下部的框架梁柱。在塔樓的周邊設(shè)置了鋼筋混凝土斜撐，以減小其層間位移，達(dá)到了較好效果。