高層酒店塔樓超限結(jié)構(gòu)設(shè)計研究
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摘要：泰安萬達(dá)高層酒店塔樓地上35層，大屋面結(jié)構(gòu)高度149.95m，為特別不規(guī)則超限高層建筑。主體結(jié)構(gòu)采用框架-核心筒體系進(jìn)行設(shè)計，通過提高底部加強(qiáng)部位框架抗震等級，控制框架柱軸壓比和結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、加強(qiáng)裙樓與塔樓連接部位設(shè)計，采用2種不同力學(xué)的設(shè)計軟件進(jìn)行計算對比分析，及多遇地震下彈性時程分析與地震反應(yīng)譜法結(jié)果比較，驗證了彈性分析結(jié)果的正確性。對普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件按照小震彈性和中震不屈服結(jié)果包絡(luò)設(shè)計，關(guān)鍵構(gòu)件按照中震彈性和大震不屈服結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能和使用性能。
關(guān)鍵詞：框架-核心筒結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)設(shè)計；抗震性能設(shè)計；抗震措施
1工程概況
泰安萬達(dá)1#酒店位于泰安市的時代中軸線上，為金融商業(yè)區(qū)的核心區(qū)，酒店塔樓及其裙樓地下2層，塔樓地上35層，大屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高149.95m；裙樓地上4層，屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高25.9m。酒店塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計基準(zhǔn)期50年，設(shè)計使用年限為50年。設(shè)防烈度為6度(2010年版抗規(guī))，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，設(shè)計地震分組為第三組，多遇地震的水平地震影響系數(shù)αmax=0.04，場地類別為Ⅰ1類，場地特征周期值為0.35s。50年一遇的基本風(fēng)壓荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.40kN/㎡（塔樓承載力設(shè)計時風(fēng)荷載計算按基本風(fēng)壓的1.1倍），地面粗糙度類別為B類;風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.3。工程于2014年初完成設(shè)計，至2016年塔樓大屋面結(jié)構(gòu)已施工完成。酒店建筑實體效果（圖1）。根據(jù)安評報告，多遇地震的水平地震影響系數(shù)αmax=0.082，特征周期值為0.40s，阻尼比取0.05;多遇地震下，按高層規(guī)范和安評報告的地震動參數(shù)分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，規(guī)范地震動參數(shù)計算的基底剪力（X向/Y向）均小于安評報告地震動參數(shù)計算的基底剪力，因此本工程多遇地震作用下地震動參數(shù)按安評報告進(jìn)行取值設(shè)計；設(shè)防地震和罕遇地震作用，結(jié)構(gòu)的地震動參數(shù)仍采用抗震規(guī)范中的地震動參數(shù)。
2基礎(chǔ)設(shè)計
地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。塔樓采用整體筏板基礎(chǔ)，筏板厚度根據(jù)計算為2100mm，基礎(chǔ)持力層為7層中風(fēng)化頁巖，地基承載力特征值為800kPa，抗?jié)B等級P8。裙房部分采用獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板+抗浮錨桿基礎(chǔ)，獨(dú)立基礎(chǔ)持力層為7層中風(fēng)化頁巖。防水板根據(jù)計算為500mm；因地下水位較高，裙房基礎(chǔ)按抗浮設(shè)防水位進(jìn)行抗浮設(shè)計。根據(jù)計算僅靠結(jié)構(gòu)自重不能滿足抗浮設(shè)計要求，采用抗浮錨桿平衡水浮力，錨桿直徑為150mm，錨桿抗拔承載力特征值計算值取為300kN，錨入⑦層中風(fēng)化頁巖6.5m；高層塔樓、裙樓、單層地下室的基礎(chǔ)連為一體，高差懸殊，荷載差異很大，除采用有限元分析程序進(jìn)行整體地下室的筏板基礎(chǔ)分析計算外，在裙房和地下室間設(shè)置沉降后澆帶，并在塔樓施工完成且實測沉降穩(wěn)定后封閉后澆帶。
酒店塔樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），框架抗震等級三級，考慮結(jié)構(gòu)不規(guī)則超限的影響，底部加強(qiáng)區(qū)框架柱抗震等級由三級提高到二級，核心筒抗震等級二級。樓面采用整體混凝土梁、板體系，標(biāo)準(zhǔn)層主梁截面高度為700~800mm，地下室頂板厚取180mm，避難層、屋面及局部加層板厚取150mm，其余層為110~130mm，計算撓度及裂縫均滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件均勻布置（如圖2），使結(jié)構(gòu)體系有適當(dāng)?shù)膭偠群蛷?qiáng)度，在水平力、豎向力的作用下有良好的抗震性能。采用剪切剛度計算，結(jié)構(gòu)在X、Y兩方向地下一層的側(cè)向剛度與首層的側(cè)向剛度之比均不小于2，符合高規(guī)嵌固要求，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。采用SATWE作為主要計算分析軟件，詳細(xì)構(gòu)建空間三維有限元整體分析模型，根據(jù)具體構(gòu)件尺寸輸入模型；分別使用SATWE與Midas/Gen進(jìn)行多遇地震下的彈性分析進(jìn)行對比。模型計算兩個主方向剛重比均大于2.7，滿足整體穩(wěn)定驗算最低限值的要求，可不需考慮重力二階效應(yīng)影響。兩個軟件計算結(jié)果對比如表所示。SATWE和Midas/Gen的分析結(jié)果表明，兩種軟件計算的模態(tài)基本一致，地震作用是結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)的控制因素，結(jié)構(gòu)的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比小于0.9，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)滿足規(guī)范要求。計算結(jié)果表明在規(guī)定的水平力作用下，框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10%但不大于50%，為典型的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，核心筒是抵抗傾覆彎矩的主要構(gòu)件。核心筒承擔(dān)了結(jié)構(gòu)兩個方向主要的地震剪力，框架承擔(dān)的比例較小，結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件為剪力墻。在地震和風(fēng)荷載作用下，全樓的層間位移角均能滿足規(guī)范要求，在地震荷載作用下層間位移角比規(guī)范限值要小，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度有一定的富余。結(jié)構(gòu)24層標(biāo)高處為上部收進(jìn)區(qū)段的底層，其X向位移角為1/1376，收進(jìn)區(qū)段以下的塔樓中區(qū)最大層間位移角為1/1448，收進(jìn)區(qū)段底層位移角為塔樓中區(qū)最大層間位移角的1.052倍，滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)體系收進(jìn)通過豎向構(gòu)件截面變化，保證結(jié)構(gòu)的剛度較平穩(wěn)的過渡，整體層剛度比滿足規(guī)范的要求。各樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的樓層抗剪承載力均超過相鄰上一樓層的80%，結(jié)構(gòu)的樓層抗剪承載力無突變。表明結(jié)構(gòu)具有合適的剛度，滿足規(guī)范各種指標(biāo)的控制要求，兩種程序的反應(yīng)譜分析結(jié)果之間具有一致性。根據(jù)高層規(guī)范要求，選取5組天然波和2組人工波進(jìn)行小震彈性時程分析，并與反應(yīng)譜分析進(jìn)行了對比，采用不帶地下室的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行彈性時程分析，采用雙向單點(diǎn)輸入地震作用，沿結(jié)構(gòu)首層底部，X、Y兩方向同時輸入地震作用，時程分析結(jié)果與反應(yīng)譜分析結(jié)果（底部剪力）在同一基礎(chǔ)上進(jìn)行對比。比較結(jié)果如圖3。圖表結(jié)果表明，7組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20％，即地震波與設(shè)計譜在統(tǒng)計意義上相符，主方向每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力位于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65％~135%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80％。地震波作用下的結(jié)構(gòu)全樓位移角均基本上小于CQC設(shè)計譜所得的位移角，兩個主方向的地震波計算的位移角平均值均多處于CQC設(shè)計譜所得的位移角范圍以內(nèi)，驗證了彈性分析結(jié)果的正確性。
4超限情況
在規(guī)定的水平力作用下，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，位移比最大值為1.39，為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；結(jié)構(gòu)2層樓板有效板寬為該層典型樓板寬度的18.2%，小于50%，開洞面積為該層樓板面積的35.2%，大于30%，為樓板不連續(xù)；塔樓在25層以上結(jié)構(gòu)X向從2-6軸收進(jìn)到2-7軸，豎向構(gòu)件縮進(jìn)尺寸為26%，收進(jìn)的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%，為側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)；1~2層、3~4層均有數(shù)根穿層柱、四層至五層有4根柱子轉(zhuǎn)換，為豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。塔樓核心筒在25層結(jié)構(gòu)收進(jìn)，造成塔樓偏置，X向偏置值為25%，大于20%，根據(jù)超限高層抗震專項審查技術(shù)要點(diǎn)，單塔質(zhì)心與大底盤的質(zhì)心偏心距大于底盤相應(yīng)邊長20%，為特別不規(guī)則高層建筑。
5抗震加強(qiáng)措施
針對以上超限情況，并根據(jù)抗震超限審查專家意見采取以下加強(qiáng)設(shè)計的措施，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。①對普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件，將按照小震彈性和中震不屈服的配筋結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，關(guān)鍵構(gòu)件按照等效彈性分析中震彈性和大震不屈服的配筋結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，以達(dá)到性能目標(biāo)要求。②在塔樓高區(qū)，由于剪力墻承擔(dān)的重力荷載較小，剪力墻的拉應(yīng)力也比較大。針對拉應(yīng)力較大的區(qū)域，采用配筋加強(qiáng)、設(shè)置型鋼等措施，保證墻體有足夠的承載力。③對平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則問題，增強(qiáng)建筑物周圍剛度，提高結(jié)構(gòu)的抗扭能力。同時均勻布置抗側(cè)力構(gòu)件，減少結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心之間的偏心，以減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；加強(qiáng)裙樓與主樓的連接，并驗算裙樓框架結(jié)構(gòu)的自身承載力和彈塑性層間位移角，保證一旦連接部位破壞后裙樓結(jié)構(gòu)仍能承受豎向荷載和水平作用。④加強(qiáng)樓板的整體剛度：對平面樓板開大洞不規(guī)則不連續(xù)問題，連接薄弱部位加強(qiáng)樓板厚度或提高結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級，并提高其配筋率，設(shè)置雙層雙向鋼筋網(wǎng)，提高整體剛度，保證樓層水平地震力的有效傳遞，如5層、24層及大屋面層。且在整體電算時將薄弱部位定義為彈性板進(jìn)行補(bǔ)充計算，并考慮藕連，扭轉(zhuǎn)影響。⑤加強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性設(shè)計：通過對連梁等耗能構(gòu)件加強(qiáng)其合理性配筋的設(shè)計，提高剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)配筋率及暗柱配箍率，限制剪力墻在重力荷載代表值下的軸壓比。
6結(jié)語
綜上所述，塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，通過對普通豎向構(gòu)件進(jìn)行小震彈性、中震不屈服性能化設(shè)計，加強(qiáng)主樓與裙樓連接部位的設(shè)計和裙樓自身承載力的校核，保證了結(jié)構(gòu)的抗震性能和延性；通過中震彈性和大震不屈服的配筋結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，確保關(guān)鍵構(gòu)件達(dá)到性能目標(biāo)的要求。選用兩種不同力學(xué)模型計算程序進(jìn)行校核分析，兩種程序的計算結(jié)果基本吻合，計算結(jié)果差異較小，計算得出的結(jié)構(gòu)各項性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)的彈塑性時程分析反映了結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在設(shè)計中采取了加強(qiáng)措施，同時彈塑性時程分析的結(jié)果證明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行的。目前，酒店已全面投入使用，說明了本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計是可靠的。
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作者：周華軍 單位：悉地國際設(shè)計顧問有限公司上海楊浦分公司
