韓城市興隆大廈超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張帆

（上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司西安分公司，西安710006）

1 工程概況

興隆大廈（黃河明珠開元大酒店）項(xiàng)目位于陜西省韓城市森林公園正北側(cè)，由1 棟超高層酒店主樓及左右2 棟裙樓組成（見圖1），建筑面積約80 000m2，為當(dāng)?shù)氐貥?biāo)性建筑。主裙樓之間均為2 層地下室連成整體，地面以上左右兩側(cè)A、B 單元裙房設(shè)抗震縫與主樓脫開，而北側(cè)裙房C 單元與塔樓連接為一體。酒店主樓地面以上35 層，屋面上設(shè)環(huán)形旋轉(zhuǎn)餐廳，建筑高度166.65m，結(jié)構(gòu)高度為165.55m，結(jié)構(gòu)形式為框架-核心筒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。裙房地面以上4 層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度26m。結(jié)構(gòu)抗震標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

圖1 建筑外景照片及剖面圖

表1 結(jié)構(gòu)抗震標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)表

2 地基基礎(chǔ)

項(xiàng)目場地為中硬場地土，主要地質(zhì)土層為黃土、古土壤、中細(xì)砂及粉質(zhì)黏土，地下穩(wěn)定水位埋深14.80～15.70m，主樓采用296 根800mm 樁徑鉆孔灌注樁，樁長45m，以⑩層粉質(zhì)黏土為持力層，單樁承載力不小于4100kN，主樓基礎(chǔ)設(shè)置3m 厚筏板，灌注樁間按2.4m 等間距滿堂布樁。

3 超限高層的判定及措施

塔樓結(jié)構(gòu)高度為165.55m，超過JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]中7 度區(qū)框架核心筒結(jié)構(gòu)A 級最大適用高度130m 的限值，按B 級高度結(jié)構(gòu)進(jìn)行高度超限評審論證，設(shè)計(jì)采取以下措施：（1）框架柱及剪力墻的抗震等級均按特一級考慮；（2）嚴(yán)格控制框架柱及剪力墻的軸壓比，軸壓比大于0.4 的剪力墻在底部加強(qiáng)區(qū)范圍設(shè)置型鋼并向上延伸1 層；（3）底部加強(qiáng)區(qū)框架柱采用復(fù)合井字箍，針對加強(qiáng)區(qū)以上超短柱（剪跨比λc＜1.5）軸壓比按規(guī)范規(guī)定值減0.10 限值，短柱內(nèi)均設(shè)置芯柱；（4）框架柱端加密區(qū)及剪力墻約束邊緣構(gòu)件的配箍特征值均按規(guī)范提高2%。

由于4 層北側(cè)裙房C 單元地面以上與塔樓連為一體，在裙房屋面的第5 層，平面凹進(jìn)深度44%，塔樓偏心（上下3 層綜合質(zhì)心比為18%）較接近限值，采取加大裙房的梁柱截面，增加其抗側(cè)剛度，使裙房變形與塔樓協(xié)調(diào)，抗震等級采用特一級，另外，裙房屋頂層及上、下1 層加強(qiáng)樓面剛度，板厚取150mm，樓板采用雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%。同時(shí)，第5 層設(shè)置為薄弱層，地震力計(jì)算時(shí)程序考慮1.25 倍的放大系數(shù)。

由于2～5 層C 單元裙房中部設(shè)置采光通井，對穿層柱復(fù)核框架柱的計(jì)算長度系數(shù)符合實(shí)際情況，箍筋全高加密，另外，采用2 種情況分別計(jì)算后，取對應(yīng)框架柱的內(nèi)力包絡(luò)值進(jìn)行配筋：（1）第4 層夾層按實(shí)際情況計(jì)算，整個樓層設(shè)彈性板；（2）把第4 層夾層作為次結(jié)構(gòu)處理，荷載加到4 層上，5 層層高取7.2m 進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。裙房、標(biāo)準(zhǔn)層及頂部旋轉(zhuǎn)餐廳典型平面如圖2 所示。

圖2 裙房、標(biāo)準(zhǔn)層及頂部旋轉(zhuǎn)餐廳典型平面

4 抗震性能水準(zhǔn)的選擇

除高度超限，塔樓核心筒偏置在標(biāo)準(zhǔn)平面的北側(cè)，在地震作用下扭轉(zhuǎn)明顯，計(jì)算時(shí)，不但應(yīng)考慮偶然偏心的影響，結(jié)構(gòu)的周期比和位移比等反應(yīng)扭轉(zhuǎn)作用的控制指標(biāo)須從嚴(yán)限值，綜合審查會意見，塔樓抗震性能目標(biāo)評定為D 級，即進(jìn)行小震下的彈性計(jì)算和中震及大震不屈服計(jì)算。性能目標(biāo)評定為D級時(shí)，設(shè)計(jì)措施如圖3 所示。

圖3 性能目標(biāo)評定為D級時(shí)設(shè)計(jì)措施

根據(jù)巖土勘察報(bào)告及場地地震安全性評價(jià)報(bào)告，地震加速度為0.186g，按設(shè)計(jì)規(guī)范中地震影響系數(shù)公式：

式中，k為地震系數(shù)，即地震最大加速度與重力加速度g的比值；β 為動力系數(shù)，即質(zhì)點(diǎn)最大加速度與地面最大加速度的比值；Amax為地震地面運(yùn)動最大加速度；Sa為質(zhì)點(diǎn)最大加速度；F為水平地震作用的最大絕對值；G為結(jié)構(gòu)重量。

基本地震加速度為0.186g，k=0.15，當(dāng)阻尼比為0.05 時(shí)，βmax=2.25，基本設(shè)防地震對應(yīng)的地震影響系數(shù)最大值αmax=kβmax=0.186×2.25=0.418，基本設(shè)防地震影響系數(shù)對應(yīng)多遇地震系數(shù)約為2.8 倍，即αmax=0.418/2.8=0.15。

主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算采用SATWE 程序進(jìn)行整體內(nèi)力位移計(jì)算，同時(shí)，采用PMSAP 程序作為補(bǔ)充分析及參數(shù)比較，彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，并與反應(yīng)譜法的結(jié)果進(jìn)行對比（見表2），7 條地震波剪力值時(shí)程曲線如圖4 所示。

表2 SATWE和PMSAP 計(jì)算結(jié)果對比

圖4 動力時(shí)程彈塑性計(jì)算結(jié)果

由動力時(shí)程彈塑性計(jì)算結(jié)果可知：

1）每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%；

2）多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%；

3）滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）[2]的要求。

5 頂部環(huán)形旋轉(zhuǎn)餐廳設(shè)計(jì)

主樓酒店35 層（標(biāo)高142.5m）以上設(shè)置環(huán)形旋轉(zhuǎn)餐廳，結(jié)構(gòu)樓層平面大幅收進(jìn)，且廚房、旋轉(zhuǎn)軌道機(jī)械設(shè)備及建筑覆土墊層的自重較大，導(dǎo)致豎向體型和剛度突變，塔樓整體收進(jìn)的部位越高平面尺寸變化越大，結(jié)構(gòu)的高震型反應(yīng)越明顯，周期減短加速度變大，地震力也隨之越大。在下部樓層中，剪力墻承擔(dān)大部分剪力，墻位移小可限制框架變形，上部樓層剪力墻則位移增大，框架變形相對較小，框架除負(fù)擔(dān)自身剪力外，還要承擔(dān)拉回墻變形的附加剪力，因此，在頂部餐廳樓層框柱中設(shè)置構(gòu)造性“工”字型鋼，增加框架柱的抗震效力和延性。

6 結(jié)論

通過以上分析，得出如下結(jié)論：

1）本項(xiàng)目塔樓高度超過7 度區(qū)框架核心筒結(jié)構(gòu)A 級最大適用高度，對結(jié)構(gòu)整體抗震能力及重要構(gòu)件的抗震等級、軸壓比、墻柱配筋率及型鋼設(shè)置等提出合理的控制目標(biāo)，對平面和體型的突變，在薄弱的特殊樓層處增大地震作用計(jì)算并增強(qiáng)構(gòu)造措施，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

2）對于核心筒偏置的超高層，按小震不壞、中震可修、大震不倒的原則，對抗震性能分析提出水準(zhǔn)要求，確保豎向構(gòu)件及耗能構(gòu)件的延性強(qiáng)度。根據(jù)本場地的地震加速度值，確定地震影響系數(shù)后采用SATWE 和PMSAP 2 種力學(xué)模型進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，并運(yùn)用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充，與反應(yīng)譜法的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果均滿足各項(xiàng)控制要求。

3）塔樓頂部的旋轉(zhuǎn)餐廳存在平面及剛度的突變，考慮到框剪結(jié)構(gòu)的特性及可能高震型下的鞭梢效應(yīng)，在框架柱內(nèi)構(gòu)造性設(shè)置型鋼確保結(jié)構(gòu)延性。