某復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

王紅兵 （安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230091）

1 工程簡(jiǎn)介

萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)酒店位于合肥市包河之畔的馬鞍山路與蕪湖路交口，為一座超五星級(jí)酒店。酒店地下兩層，地上裙樓4層，長(zhǎng)72.7m，寬60.4m，高25.2m；主樓21層，長(zhǎng)60.4 m，寬22.25m，高93.4m，總建筑面積5萬(wàn)㎡。裙樓與主樓之間不設(shè)縫。建筑內(nèi)設(shè)地下停車庫(kù)、餐飲、酒店辦公、會(huì)議中心、室內(nèi)游泳池、SPA、酒吧街、標(biāo)準(zhǔn)客房、套房、行政酒廊及總統(tǒng)套房等。

圖1 剖面圖

本工程地下室層高5.1 m；裙樓層高分別為8.0m、5.2m、6.0m、6.0m，局部設(shè)夾層；主樓設(shè)備層的層高為2.2m，標(biāo)準(zhǔn)層為3.8m，頂上兩層為4.5m。

裙樓大宴會(huì)廳頂柱跨29.70m，采用了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；主樓底層大堂范圍抽掉兩根中柱，在4～5層設(shè)轉(zhuǎn)換桁架托上部18層，轉(zhuǎn)換桁架下部的柱距為9.0m×20.4 m。

該工程竣工至今使用情況良好，現(xiàn)已成為合肥市最高端酒店之一。

2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

2.1 判斷結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)

根據(jù)建筑方案判斷，結(jié)構(gòu)存在多項(xiàng)不規(guī)則，具體有①扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層構(gòu)件扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；②樓板不連續(xù)：二層酒店大堂上空樓板大開洞、四層大宴會(huì)廳上空樓板大開洞，樓板有效寬度小于50%，錯(cuò)層；③豎向尺寸突變：主樓縮進(jìn)大于25%；④豎向構(gòu)件間斷：底層酒店大堂抽去兩排柱，需結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，造成上下柱不連續(xù)；⑤局部穿層柱、夾層。

在建筑確定方案過程中，結(jié)構(gòu)專業(yè)積極參與方案優(yōu)化，但為滿足建筑功能要求，第②～⑤不規(guī)則項(xiàng)仍然避免不了，只能采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式來解決；第①項(xiàng)也難以改變，因?yàn)榧袅χ辉试S設(shè)置在主樓交通井及外側(cè)墻位置，造成遠(yuǎn)離剪力墻的柱存在相對(duì)較大的水平位移，只能通過柱網(wǎng)優(yōu)化及調(diào)整構(gòu)件的截面方法來盡量控制位移比不大于1.4。

綜合判斷：本工程不規(guī)則項(xiàng)超過3項(xiàng)，為超限結(jié)構(gòu)。

2.2 確定抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

根據(jù)結(jié)構(gòu)具體情況，擬定如下三階段、三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)，如表1。

三階段、三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo) 表1

2.3 確定轉(zhuǎn)換構(gòu)件形式

主樓底層大堂抽中柱，在4～5層需設(shè)轉(zhuǎn)換構(gòu)件托上部18層。為滿足建筑使用要求，轉(zhuǎn)換構(gòu)件形式經(jīng)論證，采用桁架轉(zhuǎn)換比較適合本項(xiàng)目，鏤空的位置可以開門洞方便SPA功能房間的使用。同時(shí)轉(zhuǎn)換層以上一根中柱變成兩根柱，使轉(zhuǎn)換桁架受力盡量分散均勻。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)換桁架及支撐柱需重點(diǎn)加強(qiáng)，同時(shí)也要加強(qiáng)轉(zhuǎn)換桁架相關(guān)范圍內(nèi)的樓板，有效傳遞水平力至剪力墻。

2.4 確定大宴會(huì)廳結(jié)構(gòu)

為滿足大空間要求，裙樓三層大宴會(huì)廳抽掉內(nèi)部?jī)膳胖纬身攲拥闹W(wǎng)跨度為29.70m。建設(shè)單位要求，為方便后期運(yùn)營(yíng)及維護(hù)，不希望采用鋼結(jié)構(gòu)，故大梁只能采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為減少大跨度梁的荷載，結(jié)構(gòu)專業(yè)與建筑及設(shè)備專業(yè)協(xié)商后，大宴會(huì)廳屋面采用結(jié)構(gòu)找坡且不放置較重的設(shè)備。結(jié)合結(jié)構(gòu)找坡，大跨度梁中設(shè)為最高點(diǎn)，梁底平，加高大跨度梁中間截面高度，梁支座處截面高度為1800mm，跨中處截面高度為2240mm。

2.5 確定主樓底部樁

主樓柱網(wǎng)大，單柱承受的豎向荷載較大，設(shè)計(jì)時(shí)底部柱采用C60高強(qiáng)度混凝土，盡量減小柱截面，避免超短柱出現(xiàn)，盡量減少短柱。從不出現(xiàn)短柱的樓層開始，逐層降低混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

2.6 改造主樓設(shè)備層

主樓設(shè)備層層高2.2m，上層主樓層高3.8m，下層裙樓層高6.0m。經(jīng)試算按正常樓層設(shè)置，會(huì)造成相鄰層剛度突變。設(shè)計(jì)時(shí)將主樓設(shè)備層改為懸吊層，懸吊層樓面梁板與主樓豎向構(gòu)件設(shè)縫脫開，避免相鄰層剛度突變，同時(shí)加高轉(zhuǎn)換桁架高度，使受力更合理。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 小震計(jì)算

采用中國(guó)建筑科學(xué)院編制的PKPM系列軟件作為主算程序，MIDAS作為輔算程序。計(jì)算時(shí)指定轉(zhuǎn)換層樓板為彈性板、樓層為薄弱層，轉(zhuǎn)換桁架水平梁計(jì)入軸力，主要結(jié)果如表2。

小震計(jì)算結(jié)果 表2

3.2 動(dòng)力彈性時(shí)程分析

時(shí)程曲線選自安徽省地震工程研究院《場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，選兩條實(shí)際場(chǎng)地波以及一條人工波（天然地震波 1：波長(zhǎng) 20s，峰值加速度 35.9cm/s2，天然地震波2：波長(zhǎng)20s，峰值加速度35.6cm/s2，人工地震波：波長(zhǎng) 20s，峰值加速度37.3cm/s2），進(jìn)行計(jì)算分析。

通過反復(fù)試算及系數(shù)調(diào)整，三條波滿足平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法（CQC法）計(jì)算結(jié)果的80%，每條地震波的計(jì)算結(jié)果不小于CQC法結(jié)果65%的要求。

計(jì)算結(jié)果顯示：X方向最大層間位移角在26層有突變，這主要是26層為局部突出屋面及構(gòu)架層，剪力墻減少；支撐構(gòu)架的柱截面較小，故造成層間位移角突變。

剪力及彎矩曲線結(jié)果顯示：20～26層剪力及18～26層彎矩，CQC法計(jì)算值小于動(dòng)力彈性時(shí)程分析計(jì)算值。

圖2 地震波X方向最大層間位移角、最大樓層剪力曲線

圖3 地震波Y方向最大樓層彎矩曲線

其他最大樓層剪力、最大樓層彎矩指標(biāo)，CQC法的數(shù)值均大于或等于動(dòng)力彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果。最大樓層頂點(diǎn)位移，CQC法的數(shù)值與動(dòng)力彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果相差不大。CQC法及彈性時(shí)程的最大層間位移角為1/749，滿足規(guī)范要求。

設(shè)計(jì)時(shí)采用包絡(luò)法，取CQ法C及三條波結(jié)果最大值；并對(duì)26層支撐構(gòu)架的柱配筋做了重點(diǎn)加強(qiáng)。

3.3 中震分析

計(jì)算程序SATWE，水平地震影響系數(shù)最大值為0.23。

中震設(shè)防目標(biāo)：框架梁允許部分屈服，樓板及非加強(qiáng)部位剪力墻不屈服；框架柱及底板加強(qiáng)部位剪力墻抗彎不屈服、抗剪彈性；關(guān)鍵部位—轉(zhuǎn)換桁架及框支柱彈性，滿足“強(qiáng)剪弱彎”的要求，滿足抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)要求。計(jì)算結(jié)果用于施工圖設(shè)計(jì)中。

3.4 大震分析

《高規(guī)》規(guī)定：復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，宜采用彈塑性靜力或動(dòng)力分析方法驗(yàn)算薄弱層彈塑性變形，因此本工程采用彈塑性靜力推覆分析法（PushOver），對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平荷載作用下的全過程彈塑性計(jì)算。

屈服順序與狀況：小震作用下，所有構(gòu)件均保持彈性；中震作用下：轉(zhuǎn)換桁架及框支柱保持彈性，少部分連梁、框架梁進(jìn)入塑性，所有構(gòu)件均未屈服；大震作用下：剪力墻底層出現(xiàn)少量抗彎屈服，部分連梁、框架梁抗彎屈服，轉(zhuǎn)換桁架及框支柱未屈服。

大震作用下，罕遇地震需求譜與能力譜曲線及其交點(diǎn)（即性能點(diǎn)）位置樓層的最大層間位移角：X向最大為1/197，Y向最大為1/283，均小于規(guī)范的限值1/100，說明本工程結(jié)果可以滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

3.5 其他計(jì)算分析

對(duì)轉(zhuǎn)換桁架另采用了平面框架（PK）及midas/gen有限元程序進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算分析，設(shè)計(jì)時(shí)取包絡(luò)值，以確保關(guān)鍵構(gòu)件的安全。

圖4 罕遇地震需求譜與能力譜曲線

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①本工程采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期0.35s。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

②基礎(chǔ)采用人工挖孔(擴(kuò)底)灌注樁基，一柱一樁，核心筒下為群樁。樁端持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。地下室底板下水壓力較大，在每?jī)筛g增設(shè)一根抗浮樁，以抵抗水浮力。

③地下室底板采用平板結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)按板帶理論計(jì)算配筋，設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加大樁承臺(tái)平面尺寸以減小板帶計(jì)算跨度，減小底板計(jì)算配筋。樁承臺(tái)之間設(shè)暗梁拉結(jié)，同時(shí)考慮底板自重、上部荷載及板底水壓力作用。

④似由于建筑功能要求不允許設(shè)縫造成結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)，采取如下措施：a.地下室梁板混凝土采用補(bǔ)償收縮混凝土；b.在各單元的端跨梁板中配縱向溫度鋼筋；c.在適當(dāng)位置設(shè)溫度后澆帶，主樓與裙樓之間沉降后澆帶兼做溫度后澆帶。

⑤控制梁板的撓度和裂縫，大宴會(huì)廳頂29.7m大跨度梁控制梁間距不大于3.0m減小單根梁荷載，施加預(yù)應(yīng)力控制裂縫和撓度，為方便施工采用在屋面張拉。其他跨度超過7.0m的梁施工中均要求預(yù)起拱3‰。

⑥對(duì)剪跨比≤2.0的短柱，采用沿柱高全長(zhǎng)箍筋加密的方式處理，對(duì)個(gè)別剪跨比≤1.5的超短柱采用沿柱高全長(zhǎng)箍筋加密+芯柱的方式處理。

⑦轉(zhuǎn)換桁架層樓板（上下層）進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)，樓板厚度為200mm，鋼筋≥Φ10@150雙層雙向，有效傳遞水平力至剪力墻。

⑧其余部分按規(guī)范及計(jì)算要求設(shè)計(jì)，重點(diǎn)部位加強(qiáng)配筋保證結(jié)構(gòu)安全，普通部位嚴(yán)控配筋量降低造價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

①本工程經(jīng)過多種軟件、多種模型、多階段對(duì)比計(jì)算、包絡(luò)設(shè)計(jì)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，最終各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范及抗震專項(xiàng)審查要求。結(jié)構(gòu)雖屬超限結(jié)構(gòu)，但經(jīng)過采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，完全達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)。

②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，尤其是復(fù)雜體系高層結(jié)構(gòu)。在建筑方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就要深度參與，在滿足建筑功能的前提下盡量減少結(jié)構(gòu)體系的不規(guī)則項(xiàng)，確實(shí)不能避免的，要判斷結(jié)構(gòu)的可行性并拿出相應(yīng)的解決措施。關(guān)鍵部位要進(jìn)行多方案對(duì)比試算，最后制定完善的結(jié)構(gòu)方案。

③結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)部位需加強(qiáng)，確保結(jié)構(gòu)安全，普通部位不留太多的安全儲(chǔ)備，盡最大可能降低工程造價(jià)。