泰安道四號院酒店超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計

□文/曹學(xué)軍 韓 寧 何率真 李 雪

1 工程概況

泰安道四號院工程由超五星級酒店和高檔公寓組成，總建筑面積地上68 300 m2，其中酒店部分43 500 m2，公寓部分 24 800 m2；地下 30 000 m2，見圖 1。

圖1 泰安道四號院

酒店地下2層，地上主體10層，結(jié)構(gòu)主體高41.7 m，長93 m，寬83.2 m，平面形狀為凹字型，主要柱網(wǎng)尺寸為9.6 m×9.6 m及9.6 m×7.6 m。首層共享大廳局部抽柱空間柱距為15.0 m×19.2 m，裙房頂層為21.6 m×55.7 m的無柱大空間，由于存在多項不規(guī)則，為抗震超限高層。

設(shè)計使用年限為50 a，基本風(fēng)壓0.50 kN/m2，地面粗糙度C類，基本雪壓S0=0.40 kN/m2。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，樁基及地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，相關(guān)抗震設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 抗震設(shè)計參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)方案

2.1 結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)方案

酒店主體采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在凹字形凹角部位以及伸出的雙翼端部和中間部位設(shè)置了剪力墻。中間共享大廳抽柱大柱網(wǎng)部位在2層利用設(shè)備管道層作為局部轉(zhuǎn)換，盔頂層邊角柱采用折柱，頂部4個角樓以及中部的主塔樓下部大部分采用梁托柱轉(zhuǎn)換。上述特殊部位的結(jié)構(gòu)布置既保證了結(jié)構(gòu)受力合理安全，又最大限度營造了豐富的建筑內(nèi)部空間。

基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，兩端酒店及公寓的樁基布置方式為柱下獨立承臺及剪力墻下條形或局部樁筏，中間內(nèi)庭院下純地下室柱下布置抗拔樁，承臺間布置基礎(chǔ)連系梁連接，通過樁長、樁數(shù)以及后澆帶減少不均勻沉降。

2.2 結(jié)構(gòu)布置及主要構(gòu)件尺寸

1）結(jié)構(gòu)布置見圖2和圖3。

圖2 首層結(jié)構(gòu)平面

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

2）主要構(gòu)件尺寸見表2。

表2 主要構(gòu)件尺寸及材料

續(xù)表2

3 抗震超限及其他技術(shù)問題

3.1 抗震超限情況

1）主體平面為凹字型，兩翼外伸長度與相應(yīng)寬度比值為4.2＞2，突出部分長度與相應(yīng)總長度之比為0.7＞0.35，超過GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》表4.4.3-1及JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表4.3.3的限值，屬凹凸不規(guī)則。

2）X+5%偶然偏心多層位移比接近1.3，X-5%偶然偏心多層位移比接近1.4，最大為第12層1.45，大于該樓層兩端彈性水平位移平均值1.2倍，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

3）3層為局部錯層，錯層高差約為1.0 m，錯層面積大于該層總面積的30%，樓板局部不連續(xù)。

4）地上2層、7～9層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層70%及其上相鄰3個樓層側(cè)向剛度平均值80%的較小值，為軟弱層；屬側(cè)向剛度不規(guī)則。

3.2 其他技術(shù)問題

1）主入口2層有局部梁托柱的轉(zhuǎn)換。有2根框架柱不能落地，局部豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。

2）盔頂層層高大，邊緣的框架柱隨其坡度向內(nèi)收進，主體外輪廓需要布置大量斜梁和折柱。

3）頂部四角塔樓及中部主塔樓的大部分豎向承重構(gòu)件從相對應(yīng)的屋面開始，不能從下向上貫通。

4 結(jié)構(gòu)分析計算

4.1 計算模型

梁柱采用空間桿單元，剪力墻和樓板采用殼單元，剛性樓板模型采用樓板平面內(nèi)剛度無限大假定。計算中考慮偶然偏心的影響并考慮雙向地震作用。

4.2 計算軟件及結(jié)構(gòu)分析主要內(nèi)容

采用SATWE、PMSAP空間有限元分析軟件進行整體計算。各程序計算內(nèi)容見表3。

表3 有限元分析計算內(nèi)容

5 主要計算結(jié)果

采用SATWE程序計算分析，地下1層與首層剪切剛度比值，X方向為3.55，Y方向為2.34。整體計算取地下1層頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。

采用不同的計算程序進行了整體計算，經(jīng)比較分析主要計算結(jié)果差別不大，可以作為評價結(jié)構(gòu)性能的依據(jù)。計算結(jié)果見表4和表5。

表4 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果1

表5 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果2

6 彈性時程分析

鑒于本工程的不規(guī)則性，采用彈性時程分析進行補充計算。

選取兩組實際地震記錄 (TDTA-X1W、TDTA-X2W)和一組人工模擬的加速度時程曲線（RTA-63%）進行彈性時程分析，兩組實際地震記錄的峰值加速度修正值取55 cm/s2，人工模擬時程曲線的加速度為55 cm/s2，場地特征周期采用0.6 s，計算時間步長取0.02 s。地震波采用雙向輸入（1.00∶0.85），彈性時程分析選用地震波及計算結(jié)果見表6。

表6 彈性時程分析結(jié)果

由表6可知，每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，多條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值均不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%。滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對于單條波的選用要求。

比較振型分解反應(yīng)譜法與彈性時程分析的結(jié)果，當(dāng)?shù)卣鹆ρ豖方向作用時，用彈性時程分析方法計算的各樓層剪力和基底剪力的包絡(luò)值均小于振型分解反應(yīng)譜法的計算結(jié)果。當(dāng)?shù)卣鹆ρ豗方向作用時，用彈性時程分析方法計算所得的5層以上剪力包絡(luò)值大于振型分解反應(yīng)譜法的計算結(jié)果，見表7，5層及以下各樓層剪力包絡(luò)值均小于振型分解反應(yīng)譜法的計算結(jié)果。經(jīng)分析計算結(jié)果，各樓層位移及剪力沿豎向分布較均勻，無明顯突變。對于6層及以上樓層剪力作相應(yīng)放大調(diào)整。

表7 彈性時程法包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法局部對應(yīng)樓層剪力的比較

7 結(jié)構(gòu)分析及結(jié)論

采用SATWE、PMSAP空間有限元兩個軟件進行了整體結(jié)構(gòu)分析，經(jīng)比較主要計算結(jié)果數(shù)值相近。結(jié)構(gòu)在多遇地震下的震動形態(tài)無異常，承載力及剛度無突變，扭轉(zhuǎn)周期比、剪重比、層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比等各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，目前的結(jié)構(gòu)方案是可行的。

8 設(shè)計采取的措施

采用兩個程序進行整體結(jié)構(gòu)的計算分析比較，補充了彈性時程分析。對于超限及其他技術(shù)問題采取了對應(yīng)的措施。

1）對于凹凸不規(guī)則，在伸出的兩翼端部及中間部位均設(shè)置了落地的剪力墻，增加此部位的抗扭剛度并提高其抗震等級。為解決地震時外伸段凹角處應(yīng)力集中易使樓板開裂、破壞的問題，設(shè)計時采用加大樓板厚度，增加板內(nèi)配筋，配置45°斜向鋼筋等方法進行構(gòu)造加強；結(jié)構(gòu)分析時將該部位定義為彈性樓板進行計算。

2）對于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，整體計算中考慮偶然偏心及雙向地震作用，加大周邊關(guān)鍵部位墻、柱配筋率，提高承載力。

3）2層、7～9層為軟弱層，在整體分析時對軟弱層的地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)，對薄弱部位抗側(cè)力構(gòu)件的抗震等級均由原抗震等級再提高一級，提高抗側(cè)力構(gòu)件的縱向配筋率和箍筋的體積配箍率，加強豎向抗側(cè)力構(gòu)件承載能力和變形能力。

4）對于錯層問題，結(jié)構(gòu)分析時將該部位定義為彈性樓板進行計算，對于局部錯層處框架柱采取井字復(fù)合箍筋全高加密、設(shè)置芯柱等構(gòu)造措施提高混凝土柱的延性，將軸壓比控制在0.75。

5）對于局部轉(zhuǎn)換問題，計算時將托柱的梁和框支柱抗震等級提高到二級并在程序計算中將其定義為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，按照規(guī)范要求進行內(nèi)力調(diào)整，構(gòu)造上按框支梁、框支柱構(gòu)造，四周樓板加厚到180mm，樓板雙層雙向配筋并適當(dāng)提高配筋。

6）盔頂按照實際情況輸入計算模型，為避免剛度突變，保留了邊角部位剪力墻，其頂標(biāo)高隨盔頂變化。在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，提高了邊柱的配筋并重點加強了轉(zhuǎn)折部位的構(gòu)造。

7）頂部四角塔樓及中部主塔樓周邊柱既有下部貫通柱又有樓面梁托柱，設(shè)計時其截面尺寸相差較大，以下部貫通柱作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，加強配筋與構(gòu)造，其余的柱作為主要的豎向承重構(gòu)件，考慮承擔(dān)部分水平力，主要加強其下部的框架梁柱。在塔樓的周邊設(shè)置了鋼筋混凝土斜撐，以減小其層間位移，達到了較好效果。