某高層酒店超限結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

朱偉平

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092）

1 工程概況

本工程為某高層酒店建筑，地上7～12層，地下1層。總建筑面積56000m2，其中地上建筑面積45000m2，地下建筑面積11000m2。地上功能為酒店客房及餐飲娛樂，地下層為輔助用房、設(shè)備用房。酒店建筑效果圖見圖1。

圖1 酒店建筑效果圖

本工程設(shè)計(jì)基本信息如下：

民用建筑工程設(shè)計(jì)等級(jí)：一級(jí)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：二級(jí)。設(shè)計(jì)使用年限：50年。基本風(fēng)壓：W0=0.45kN/m2。基本雪壓：W0=0.25kN/m2。建筑物地面粗糙度類別：C類。場地土類別：II類。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)：甲級(jí)。地震設(shè)防烈度：設(shè)防烈度為Ⅵ度。設(shè)計(jì)基本地震加速度：0.05g。設(shè)計(jì)地震分組：第一組。地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期：0.35s。建筑抗震設(shè)防類別：丙類。

本工程由于平面不規(guī)則且超長，考慮設(shè)置變形縫將建筑分成平面相對(duì)規(guī)則的幾個(gè)單體。分區(qū)示意詳見圖2。上部結(jié)構(gòu)嵌固層設(shè)在基礎(chǔ)頂。其中塔樓C相對(duì)復(fù)雜，超限情況也多，文章主要介紹塔樓C的分析及設(shè)計(jì)。

圖2 塔樓分區(qū)示意圖

2 計(jì)算軟件與建模

本工程主要采用中國建筑科學(xué)研究院編制的系列軟件SATWE、PMSAP和EPDA&PUSH進(jìn)行計(jì)算分析。其中SATWE主要進(jìn)行靜力和多遇地震作用下分析；EPDA&PUSH進(jìn)行彈塑性靜力分析。圖3為塔樓C分塔計(jì)算模型。

圖3 塔樓C模型

計(jì)算中為了反應(yīng)結(jié)構(gòu)剛度突變部位和連接薄弱部位樓板應(yīng)力大小，把開洞較多層的樓板全部定義成彈性樓板。

3 結(jié)構(gòu)體系

本工程塔樓C采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。抗震設(shè)防類別為丙類，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。典型不規(guī)則結(jié)構(gòu)布置圖見圖4。

圖4 典型結(jié)構(gòu)布置圖

塔樓C結(jié)構(gòu)總高46.300m，共12層，其中首層層高4.5m，以上酒店標(biāo)準(zhǔn)層層高3.8m。根據(jù)建筑平面柱網(wǎng)布置，并滿足底下兩層大堂、宴會(huì)廳等的功能要求，另在建筑的端部適當(dāng)加大柱截面，加大邊梁截面以增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。框架柱截面從底層最大1000mm×1000mm逐漸變化到上部800mm×800mm。框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用從C50逐漸遞減到C30，梁，板等混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度等級(jí)均采用C30[1]。

屋蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。在局部樓層挑空處，加厚洞口附近樓板，提高樓板的配筋率，在洞口邊緣設(shè)置邊梁。為滿足建筑大開間凈高要求，酒店客房大板不設(shè)置梁，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋，并加強(qiáng)樓板周邊框架梁的剛度。

4 結(jié)構(gòu)超限判定

（1）平面規(guī)則性超限判定

塔樓C裙房大堂及全日制餐廳上空2層～4層樓板開洞較大。2層樓板從北側(cè)平面凹進(jìn)尺寸＞投影方向總尺寸的30%，為凹凸不規(guī)則超限；3、4層樓板y向開洞長度約為24m，x向有效樓板寬度38.5%，＜典型寬度的50%，屬于樓板局部不連續(xù)超限；y向開洞長度約為57m，有效樓板寬度約為36%，＜典型寬度的50%，屬于樓板局部不連續(xù)超限。結(jié)構(gòu)二層規(guī)定水平力下扭轉(zhuǎn)位移比＞1.2，為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則超限[2]。

（2）豎向規(guī)則性超限判定

塔樓C在九層存在大跨度轉(zhuǎn)換以上各層的情況，屬于高位豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)超限。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

5.1 塔樓C模型的SATWE和PMSAP主要計(jì)算分析結(jié)果

如表1所示為塔樓C主要計(jì)算分析結(jié)果。

表1 塔樓C主要計(jì)算分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)前兩個(gè)振型均以平動(dòng)為主，以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比＜《高規(guī)》中0.90的限值。在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平力地震作用力下，樓層的最大水平位移和層間位移與該層平均值的比值均＜1.4。以上說明結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度，結(jié)構(gòu)布置較為合理。

塔樓C結(jié)構(gòu)X向和Y向多遇地震作用下SATWE和PMSAP所得各樓層地震剪力均非常接近。結(jié)構(gòu)的層間位移角SATWE和PMSAP的計(jì)算分析結(jié)果基本吻合，且都＜《高規(guī)》對(duì)框剪結(jié)構(gòu)多遇地震層間位移1/800的限值，滿足規(guī)范要求[3]。

5.2 動(dòng)力彈性時(shí)程分析

塔樓C在SATWE模型分析中采用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。彈性時(shí)程分析中經(jīng)計(jì)算分析與比較后，各選取了3條時(shí)程曲線：TH2TG035天然波、TH4TG035天然波、RH1TG035人工波。多遇地震彈性時(shí)程分析時(shí)，地震加速度時(shí)程曲線的最大值均≥規(guī)范70cm/m2的要求。

每條時(shí)程曲線計(jì)算所得底部剪力均＞振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，同時(shí)多條時(shí)程曲線計(jì)算所得底部剪力平均值＞振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的80%，滿足規(guī)范對(duì)彈性動(dòng)力時(shí)程分析的要求。

從剪力分布圖（見圖5a）中可以看出，塔樓C的x向振型分解反應(yīng)譜所得樓層剪力可以包絡(luò)各條時(shí)程曲線計(jì)算所得樓層剪力值；塔樓C在8層以上有時(shí)程曲線計(jì)算所得樓層剪力＞振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的現(xiàn)象，最大相差11%，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)需要對(duì)塔樓8層以上振型分解反應(yīng)譜法所得y向樓層剪力進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤糯骩4]。

從位移分布圖中（見圖5b）可以看出，塔樓C二層以上至少一條時(shí)程曲線計(jì)算所得位移最大值＞振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得值，X方向?qū)娱g位移角最大1/2580，Y方向?qū)娱g位移角最大1/1520，仍＜規(guī)范限值1/800。綜上，滿足框剪1/800的位移角限值。

5.3 靜力彈塑性分析

對(duì)塔樓C進(jìn)行PUSHOVER分析，結(jié)果表明在大震下的性能特性滿足規(guī)范要求，且結(jié)構(gòu)構(gòu)件未出現(xiàn)明顯破壞（見圖6）。

6 超限設(shè)計(jì)措施

圖5 塔樓C反應(yīng)譜與彈性時(shí)程分析第1方向樓層剪力與樓層位移對(duì)比圖

圖6 塔樓CPUSHOVER結(jié)構(gòu)的能力曲線、需求曲線及抗倒塌驗(yàn)算

針對(duì)本結(jié)構(gòu)的超限情況，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)有較大開洞，凹進(jìn)處周邊的樓板進(jìn)行適當(dāng)?shù)募雍瘛６纯谥苓叢贾镁至汉徒徊媪阂蕴岣邩前鍎偠取＿m當(dāng)加大樓板配筋，板筋采用雙向雙層拉通布置。計(jì)算時(shí)將樓板定義為彈性樓板，以模擬樓板平面內(nèi)外剛度，考慮在洞口周邊的真實(shí)應(yīng)力情況。對(duì)于位移比＞1.2的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的情況，由于最大位移比出現(xiàn)的部位為裙房二層和屋面的角部節(jié)點(diǎn)，且絕對(duì)位移數(shù)值很小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)提高裙房角部框架柱剛度，以及周邊梁的拉結(jié)，增強(qiáng)抗扭剛度。結(jié)構(gòu)布置中，體型收進(jìn)部位上下各2層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)提高為二級(jí)，轉(zhuǎn)換構(gòu)件抗震等級(jí)提高為二級(jí)。

7 結(jié)束語

綜上所述，得出以下結(jié)論：

（1）本項(xiàng)目塔樓C在多遇地震下結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及超限分析表明，結(jié)構(gòu)平、立面存在4項(xiàng)不規(guī)則，判定為超限高層。

（2）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)采取有效的抗震措施。結(jié)果表明在地震作用下，本工程的抗震結(jié)構(gòu)體系基本能滿足有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（3）根據(jù)結(jié)構(gòu)超限情況及特點(diǎn)，提出超限設(shè)計(jì)的措施，可供類似項(xiàng)目參考。

[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[3]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[4]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.