高層酒店塔樓超限結構設計研究

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摘要：泰安萬達高層酒店塔樓地上35層，大屋面結構高度149.95m，為特別不規則超限高層建筑。主體結構采用框架-核心筒體系進行設計，通過提高底部加強部位框架抗震等級，控制框架柱軸壓比和結構扭轉效應、加強裙樓與塔樓連接部位設計，采用2種不同力學的設計軟件進行計算對比分析，及多遇地震下彈性時程分析與地震反應譜法結果比較，驗證了彈性分析結果的正確性。對普通豎向構件和耗能構件按照小震彈性和中震不屈服結果包絡設計，關鍵構件按照中震彈性和大震不屈服結果進行包絡設計，保證結構具有良好的抗震性能和使用性能。

關鍵詞：框架-核心筒結構；基礎設計；抗震性能設計；抗震措施

1工程概況

泰安萬達1#酒店位于泰安市的時代中軸線上，為金融商業區的核心區，酒店塔樓及其裙樓地下2層，塔樓地上35層，大屋面結構標高149.95m；裙樓地上4層，屋面結構標高25.9m。酒店塔樓采用框架-核心筒結構，建筑結構安全等級為二級，設計基準期50年，設計使用年限為50年。設防烈度為6度(2010年版抗規)，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第三組，多遇地震的水平地震影響系數αmax=0.04，場地類別為Ⅰ1類，場地特征周期值為0.35s。50年一遇的基本風壓荷載標準值0.40kN/㎡（塔樓承載力設計時風荷載計算按基本風壓的1.1倍），地面粗糙度類別為B類;風荷載體型系數取1.3。工程于2014年初完成設計，至2016年塔樓大屋面結構已施工完成。酒店建筑實體效果（圖1）。根據安評報告，多遇地震的水平地震影響系數αmax=0.082，特征周期值為0.40s，阻尼比取0.05;多遇地震下，按高層規范和安評報告的地震動參數分別進行結構計算，規范地震動參數計算的基底剪力（X向/Y向）均小于安評報告地震動參數計算的基底剪力，因此本工程多遇地震作用下地震動參數按安評報告進行取值設計；設防地震和罕遇地震作用，結構的地震動參數仍采用抗震規范中的地震動參數。

2基礎設計

地基基礎設計等級為甲級。塔樓采用整體筏板基礎，筏板厚度根據計算為2100mm，基礎持力層為7層中風化頁巖，地基承載力特征值為800kPa，抗滲等級P8。裙房部分采用獨立基礎+防水板+抗浮錨桿基礎，獨立基礎持力層為7層中風化頁巖。防水板根據計算為500mm；因地下水位較高，裙房基礎按抗浮設防水位進行抗浮設計。根據計算僅靠結構自重不能滿足抗浮設計要求，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層中風化頁巖6.5m；高層塔樓、裙樓、單層地下室的基礎連為一體，高差懸殊，荷載差異很大，除采用有限元分析程序進行整體地下室的筏板基礎分析計算外，在裙房和地下室間設置沉降后澆帶，并在塔樓施工完成且實測沉降穩定后封閉后澆帶。

3結構設計

酒店塔樓為框架-核心筒結構，抗震設防標準設防類（丙類），框架抗震等級三級，考慮結構不規則超限的影響，底部加強區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，標準層主梁截面高度為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范要求。結構豎向抗側力構件均勻布置（如圖2），使結構體系有適當的剛度和強度，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，結構在X、Y兩方向地下一層的側向剛度與首層的側向剛度之比均不小于2，符合高規嵌固要求，地下室頂板作為上部結構的嵌固部位。采用SATWE作為主要計算分析軟件，詳細構建空間三維有限元整體分析模型，根據具體構件尺寸輸入模型；分別使用SATWE與Midas/Gen進行多遇地震下的彈性分析進行對比。模型計算兩個主方向剛重比均大于2.7，滿足整體穩定驗算最低限值的要求，可不需考慮重力二階效應影響。兩個軟件計算結果對比如表所示。SATWE和Midas/Gen的分析結果表明，兩種軟件計算的模態基本一致，地震作用是結構整體指標的控制因素，結構的第一扭轉周期與第一平動周期之比小于0.9，結構扭轉效應滿足規范要求。計算結果表明在規定的水平力作用下，框架部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的10%但不大于50%，為典型的框架-剪力墻結構，核心筒是抵抗傾覆彎矩的主要構件。核心筒承擔了結構兩個方向主要的地震剪力，框架承擔的比例較小，結構的主要抗側力構件為剪力墻。在地震和風荷載作用下，全樓的層間位移角均能滿足規范要求，在地震荷載作用下層間位移角比規范限值要小，結構抗側剛度有一定的富余。結構24層標高處為上部收進區段的底層，其X向位移角為1/1376，收進區段以下的塔樓中區最大層間位移角為1/1448，收進區段底層位移角為塔樓中區最大層間位移角的1.052倍，滿足規范要求。結構體系收進通過豎向構件截面變化，保證結構的剛度較平穩的過渡，整體層剛度比滿足規范的要求。各樓層抗側力結構的樓層抗剪承載力均超過相鄰上一樓層的80%，結構的樓層抗剪承載力無突變。表明結構具有合適的剛度，滿足規范各種指標的控制要求，兩種程序的反應譜分析結果之間具有一致性。根據高層規范要求，選取5組天然波和2組人工波進行小震彈性時程分析，并與反應譜分析進行了對比，采用不帶地下室的結構模型進行彈性時程分析，采用雙向單點輸入地震作用，沿結構首層底部，X、Y兩方向同時輸入地震作用，時程分析結果與反應譜分析結果（底部剪力）在同一基礎上進行對比。比較結果如圖3。圖表結果表明，7組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20％，即地震波與設計譜在統計意義上相符，主方向每條時程曲線計算所得結構底部剪力位于振型分解反應譜法計算結果的65％~135%，多條時程曲線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％。地震波作用下的結構全樓位移角均基本上小于CQC設計譜所得的位移角，兩個主方向的地震波計算的位移角平均值均多處于CQC設計譜所得的位移角范圍以內，驗證了彈性分析結果的正確性。

4超限情況

在規定的水平力作用下，考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2，位移比最大值為1.39，為扭轉不規則；結構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；塔樓在25層以上結構X向從2-6軸收進到2-7軸，豎向構件縮進尺寸為26%，收進的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%，為側向剛度不規則結構；1~2層、3~4層均有數根穿層柱、四層至五層有4根柱子轉換，為豎向抗側力構件不連續。塔樓核心筒在25層結構收進，造成塔樓偏置，X向偏置值為25%，大于20%，根據超限高層抗震專項審查技術要點，單塔質心與大底盤的質心偏心距大于底盤相應邊長20%，為特別不規則高層建筑。

5抗震加強措施

針對以上超限情況，并根據抗震超限審查專家意見采取以下加強設計的措施，提高結構的抗震性能。①對普通豎向構件和耗能構件，將按照小震彈性和中震不屈服的配筋結果進行包絡設計，關鍵構件按照等效彈性分析中震彈性和大震不屈服的配筋結果進行包絡設計，以達到性能目標要求。②在塔樓高區，由于剪力墻承擔的重力荷載較小，剪力墻的拉應力也比較大。針對拉應力較大的區域，采用配筋加強、設置型鋼等措施，保證墻體有足夠的承載力。③對平面扭轉不規則問題，增強建筑物周圍剛度，提高結構的抗扭能力。同時均勻布置抗側力構件，減少結構質心與剛心之間的偏心，以減少結構的扭轉效應；加強裙樓與主樓的連接，并驗算裙樓框架結構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構仍能承受豎向荷載和水平作用。④加強樓板的整體剛度：對平面樓板開大洞不規則不連續問題，連接薄弱部位加強樓板厚度或提高結構混凝土強度等級，并提高其配筋率，設置雙層雙向鋼筋網，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行補充計算，并考慮藕連，扭轉影響。⑤加強結構延性設計：通過對連梁等耗能構件加強其合理性配筋的設計，提高剪力墻底部加強區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結語

綜上所述，塔樓采用框架-核心筒結構體系，通過對普通豎向構件進行小震彈性、中震不屈服性能化設計，加強主樓與裙樓連接部位的設計和裙樓自身承載力的校核，保證了結構的抗震性能和延性；通過中震彈性和大震不屈服的配筋結果進行包絡設計，確保關鍵構件達到性能目標的要求。選用兩種不同力學模型計算程序進行校核分析，兩種程序的計算結果基本吻合，計算結果差異較小，計算得出的結構各項性能指標均符合規范要求。結構的彈塑性時程分析反映了結構的薄弱部位，在設計中采取了加強措施，同時彈塑性時程分析的結果證明了該結構設計是可行的。目前，酒店已全面投入使用，說明了本工程的結構設計是可靠的。

參考文獻

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作者：周華軍 單位：悉地國際設計顧問有限公司上海楊浦分公司