廈門融信酒店超限結構工程設計與分析

高宇斌

(廈門上城建筑設計有限公司 福建廈門 361012)

1 工程概況

該項目位于廈門市海滄區海滄大橋南側，該建筑物由1棟高層酒店、1棟高層辦公樓、1棟多層配套用房、裙樓、一層地下室及一座連廊組成。本次超限審查為高層酒店(即1#樓)(圖1)，建筑體型簡潔，一側山墻逐層收進。地上28層，地下一層，標準層平面尺寸為60.75m×24m，建筑高寬比為5。底部4層層高分別為6.6m、5.6m、6.6m及5m，第五層為機電轉換層，層高僅2.15m，6～26層層高均為3.8m，27～28層高均為4.5m，樓梯間及屋頂機房部分層高5m，且樓梯間及屋頂機房部分所占面積超標準層面積的30%，故結構計算高度為樓梯間及屋頂機房屋面標高，則建筑高度為119.75m(樓梯間及屋頂機房屋面標高)+0.15(室內外高差)=119.9m。根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查要點》，該工程存在3項不規則，屬于超限高層結構。

圖1 建筑效果圖

工程設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度(0.15g)，場地類別為II類，設計地震分組為第二組，地基基礎設計等級為甲級，地面粗糙度類別為A類，荷載取值及其他相關設計參數按照國家現行規范執行。

2 結構設計

2.1 結構體系

該工程一至四層為大開間使用空間，二層建筑功能需要局部挑空，根據建筑功能需求，結構體系選擇框架剪力墻結構形式，剪力墻布置在樓梯電梯部位及不影響建筑使用功能的位置，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為二級。典型結構平面圖如圖2所示。

圖2 典型結構平面圖

2.2 基礎設計

酒店主樓下設置一層地下室，主樓范圍內采用沖孔灌注樁基礎，樁基承臺面標高為1.900(黃)(典型地質剖面詳圖3)，沖孔灌注樁以中風化花崗巖及碎塊狀強風化花崗巖作為樁基持力層。樁徑1200mm,樁長約20m～30m，樁端進入中風化花崗巖層不小于1m，進入碎塊狀強風化花崗巖層不小于3m，沖孔灌注樁做后注漿處理。單樁豎向抗壓承載力特征值為10 000kN。為消除主樓和純地下室之間沉降差，在主樓和純地下室之間設置沉降后澆帶，后澆帶需在主樓結構封頂且沉降穩定后方可封閉。

圖3 典型地質剖面

2.3 超限情況

該工程設計中存在的超限情況：

(1)扭轉不規則，在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移大于該樓層平均值的1.2倍。

(2)局部穿層柱、墻，由于建筑2層開大洞導致局部柱、墻為穿層柱、墻(圖4)。

圖4 建筑二層局部平面布置圖

(3)個別豎向構件的轉換，由于建筑立面收進，1-11軸交1-C軸框架柱在六層樓面轉換。7層～19層此梁上柱為建筑立面收進后角柱。設計時，利用四層及五層二層做斜撐轉換，既解決了角柱無法落至基礎的問題，又對建筑功能無影響，如圖5所示。

圖5 轉換部位詳圖

綜合考慮建筑高度、規則性、抗震設防類別、設防烈度、場地條件等按《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)[2]第3.11條，設定結構抗震性能目標為C級，對結構關鍵構件的性能化要求如表1所示。

表1 關鍵構件性能目標

2.4 超限審查專家組意見及設計中采取的措施

2.4.1專家組意見

(1)酒店主樓三層樓板以下，1-7軸右側(含1-7軸)豎向構件抗震等級提高一級，穿層柱及穿層墻按中震彈性進行復核，對穿層墻進行穩定性驗算。

(2)二層樓板大開洞，本層樓板及上一層樓板均應加強，整體分析計算時采用彈性樓板。

(3)電梯井邊筒剪力墻沒有樓板相連，應采取措施增加平面外剛度，并應做穩定性驗算。

(4)扭轉位移比偏大，應采取加大結構扭轉剛度措施。

(5)斜撐按中震抗剪彈性、抗彎彈性進行復核。

(6)斜撐底部的框架梁，應能承受斜撐產生的全部拉力。

2.4.2設計中采取的措施

(1)按專家意見進行設計。

(2)二層及三層樓板板厚加厚至150mm，并采用雙層雙向拉通配筋，拉通鋼筋的配筋率不小于0.3%，整體分析計算時采用彈性樓板,同時對樓板進行有限元應力補充分析。

(3)電梯井邊筒，采用剪力墻圍合形成剛度較大的筒體，并進行穩定性驗算。

(4)加大邊框梁截面，增加邊框梁剛度，減少扭轉效應。

(5)斜撐按中震抗剪彈性、抗彎彈性復核，斜撐內設置型鋼，設計中對斜撐及與斜撐相連的轉換柱、與斜撐相連的四層樓面框架梁均設置型鋼，并進行性能化設計。與斜撐相連的轉換柱型鋼設置至六層樓面。與轉換構件相連的樓板按彈性板進行設計，樓板板厚加厚至150mm并采用雙層雙向拉通配筋，拉通鋼筋的配筋率不小于0.3%。

(6)斜撐底部的框架梁按小震進行設計，梁內型鋼承擔中震彈性下斜桿產生的全部拉力。

(7)斜撐轉換部位涉及三層樓面，從設計機理上來說三層樓面共同作用，每層與斜撐相連的框架梁均會產生水平力，設計中對此3層與斜撐相連的樓板進行彈性樓板定義。查其內力結果表明，斜撐底部(4層)框架梁內力最大。為此超限審查中提出應按計算結果與中震下斜撐軸力在底部產生的水平分量進行包絡設計，拉力全部由型鋼混凝土梁內型鋼承擔。比較結果表明，斜撐在中震下產生的拉力(全部由型鋼承擔)較大，其內力結果及設置型鋼截面如表2所示，與斜撐相連的框架梁均按轉換梁進行設計。

表2 斜撐內力結果及型鋼截面

斜撐底部框梁截面尺寸為1000×1000，斜撐中震下產生的水平分量(拉力)=max{16 019cos48.32,21 371cos58.15}=11 277kN，設置BH600×450×34×34(Q345)。

(8)關鍵部位節點處理。該工程中關鍵節點部位根據節點內力和構造要求分別進行了加強處理，如圖6～圖7所示，對于型鋼混凝土柱、型鋼混凝土梁及型鋼混凝土斜撐連接節點處設置加勁肋，型鋼翼緣設置栓釘，對于節點區域要求在工廠連接，焊縫等級不低于二級，斜撐及斜撐與框架柱節點設計如圖6所示。

圖6 斜撐根部連接詳圖

斜撐頂部處節點設計如圖7所示。

圖7 斜撐頂部連接詳圖

3 結構計算分析

該工程選用SATWE軟件、PMSAP軟件進行彈性分析對比，并考慮偶然偏心、雙向地震作用、扭轉耦聯以及施工模擬加載的影響。

3.1 主要截面和材料

從結構整體分析出發，對結構主要構件進行設計分析，構件尺寸如表3所示。

表3 主要構件尺寸

混凝土等級如表4所示。

表4 混凝土等級

3.2 多遇地震作用下彈性分析

多遇地震下選用SATWE軟件、PMSAP軟件進行彈性分析對比，分析結果如表5所示。

表5 多遇地震下選用SATWE軟件、PMSAP軟件進行彈性分析對比

由計算結果可得，結構自振周期、剪重比、地震及風荷載作用下的最大層間位移角和位移比等參數，均滿足高規及抗規的要求，同時分析結果較接近，整體結構自振特性良好，結構設計合理。

3.3 中震設計

中震作用計算，采用基于彈性反應譜CQC法的SATWE軟件按中震彈性計算。中震彈性計算，不計入內力調整系數，計入抗震承載力調整系數，計入荷載和地震作用分項系數，構件材料強度采用設計值。

3.4 框架-剪力墻結構設計

該工程采用框架剪力墻結構體系，根據SATWE軟件計算結果，框架在規定水平力作用下結構底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值，X向為23%，Y向為11.33%應按框架剪力墻結構進行設計。其框架剪力按《高層建筑混凝土結構技術規程》(以下簡稱《高規》)第8.1.4條進行調整。

3.5 整體穩定性和抗傾覆驗算

該工程建筑高寬比5，根據計算結果基底無零應力區，滿足要求。X向結構剛重比EJd/GH2=5.84，Y向結構剛重比EJd/GH2=5.52，滿足《高規》第5.4.4條整體穩定性驗算，且可以不考慮重力二階效應。

3.6 彈性時程分析

該工程選取2條天然波和1條人工波，根據計算規范譜與地震波譜對比圖及最大樓層剪力曲線，如圖8～圖9所示，0度和90度基底剪力及與CQC比值如表6所示。

圖8 規范譜與地震波譜對比圖

圖9 最大樓層剪力曲線圖注：該工程彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法計算結果的65%,且計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%。

表6 0度和90度基底剪力及與CQC比值

根據圖8～圖9及表6可以得出，時程分析滿足多條時程分析曲線計算所得的結構基底剪力的平均值不小于振型分解反應譜法結果的80%，每條時程曲線計算所得的結構基底剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%。所選時程曲線滿足高規及抗規要求。

該工程選取三組時程曲線進行計算，結構地震作用效應取時程分析法計算結果的包絡值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。在結構設計時，根據時程分析結果，對21層～31層結構地震力進行放大，放大系數根據結果取1.1。

4 結語

在該超限結構設計中，根據抗震設計原則及建筑特點，首先選用合適的結構體系及合理布置豎向構件并做優化，使之具有良好的結構性能。抗震設計中采用性能化設計方法，除保證結構在多遇地震作用下完全處于彈性階段外，還補充了主要構件在設防烈度地震作用下的性能要求。計算結果表明，基本滿足《建筑抗震設計規范》及《高規》的有關要求，結構不規則程度得到了基本有效的控制。同時，通過各階段的計算程序分析結果，對關鍵和重要構件采用型鋼混凝土柱、型鋼混凝土斜撐及型鋼混凝土梁，在構造方面采取了可靠的措施。該工程已通過超限審查，現已竣工。