遼寧某酒店超限高層抗震設計

石異　束偉農　楊潔　王春華　張然

(北京市建筑設計研究院有限公司　北京　100045)

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遼寧某酒店超限高層抗震設計

石異束偉農楊潔王春華張然

(北京市建筑設計研究院有限公司北京100045)

酒店位于遼寧某市鐵東區，為170.1m高的超限框架-核心筒結構，部分豎向構件不連續，屬高度超限特別不規則結構。文章主要介紹了該酒店的結構設計要點，并通過彈塑性分析研究了結構在罕遇地震下的受力特點和抗震性能。

超高層建筑;核心筒;彈塑性;轉換桁架

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1　工程概況與設計標準

本項目為五星級酒店，建筑層數：地下3層，地上部分35層，其中地上公共區6層。建筑高度： 163.35m(首層地面至屋頂頂板), 170.1m(建筑最高點高度)，建筑效果圖見圖1。本工程裙房南北向長66.6m，東西向長約60.1m，地上5層；6層為結構轉換層，6層以上為酒店標準層，35層以上為會所。主樓標準層結構單元長39.8m，寬39.8m(見圖2)。

圖1　建筑效果圖

圖2　建筑標準層面

結構設計使用年限為50年，建筑結構的安全等級為二級，結構重要性系數取1.0。抗震設防烈度為7度，抗震設防類別為丙類，設計基本地震加速度值為0.10g。場地類別為Ⅱ類，特征周期0.35s，設計地震分組為第一組。

2　結構體系及超限情況

2.1結構體系

本工程主樓和裙房連為一體，1～6層采用現澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結構體系。6層以上為框架-核心筒結構體系，外框與核心筒之間的距離X向、Y向均為10.05m。鋼筋混凝土交通核為主體結構的主要抗側力構件并貫通建筑物全高，核心筒外墻厚度為800～400mm逐層依次減小；6層以下主樓外圍設12根型鋼混凝土柱，截面1 600mm×1 600mm；六層以上主樓外圍設28根鋼筋型鋼混凝土柱，截面800mm×1 600mm，通過桁架轉換，轉換桁架高度7.1m，在6層地面與七層地面之間，轉換桁架采用型鋼混凝土，下上弦桿截面為1 600mm×1 000mm，斜桿截面800mm×800mm,豎桿截面1 600mm×800mm,轉換桁架的上下弦所在樓面板厚度為180mm。

轉換桁架立面如圖3所示，轉換桁架三維圖如圖4所示。三十五層以上為酒店會所，結構形式為鋼結構框架。

圖3　轉換桁架立面圖

圖4　轉換桁架三維圖

3　超限應對措施及分析結論

本工程抗震設防類別為丙類，抗震措施按7度要求。彈性分析阻尼比取值0.05，彈塑性分析阻尼比取值0.06。風荷載按重現期100年進行取值，為0.60kN/m2，地面粗糙度為B類；風荷載體型系數和風振系數依據荷載規范取值；雪荷載按重現期50年進行取值，為0.40kN/m2。

3.1主樓超限應對措施

3.1.1分析模型及分析軟件

(1)主樓主要采用兩個分析程序，即SATWE(高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件，版本號為2008年4月)和MIDAS GEN(版本號為v7.1.2)分別對主樓進行計算分析，采用考慮扭轉藕聯的振型分解反應譜法，并考慮雙向地震和偶然偏心及考慮二階效應的影響，考慮施工模擬。

(2)采用PKPM彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。彈性時程分析所取地面運動最大加速度為35gal，按建筑場地類別和設計地震分組選用2條實際強震記錄和1條人工模擬地震地面加速度時程曲線進行分析。控制每條波計算所得的結構基底剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，3條波計算所得的結構基底剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%。

(3)采用MIDAS進行小震彈性對比分析和大震靜力彈塑性分析。

(4)采用大型通用有限元分析軟件ANSYS進行轉換層局部進行結構計算。對轉換層及所連構件的連接可靠性、內力分配規律和重分布規律、構件內部的應力應變狀態等進行詳細的分析。需要檢查其在荷載作用下的非線性工作性能，以校核設計可靠性、發現薄弱部位，并對結構予以加強。

3.1.2抗震設計性能目標及加強措施

(1)主樓加強區核心筒墻受剪承載力中震滿足彈性，大震滿足受剪截面控制的條件，控制變形。

(2)主樓加強區核心筒墻受彎承載力中震滿足不屈服，大震允許進入塑性，控制拉應力。

(3)主樓轉換層以下的主樓外框架中震滿足彈性，大震滿足不屈服，控制變形,抗震等級提至特一級。

(4)轉換桁架中震滿足彈性，大震滿足不屈服，滿足受剪截面控制的條件，控制變形，抗震等級提至特一級。

(5)裙房剪力墻受剪承載力中震滿足不屈服，大震允許進入塑性。

(6)裙房剪力墻受彎承載力中震允許進入塑性，控制拉應力。

3.2主樓分析結論

3.2.1多遇地震反應譜分析結果(見表1)

主樓結構計算分析的過程中，考慮了以下的結構假定，以模擬結構的真實受力狀態：

(1)結構整體的施工模擬，依照施工順序，逐層疊加，形成剛度和分層加載；

(2)開洞樓板較大處考慮樓板平面外彈性假定；

(3)主樓框架梁與外框架柱剛接，與內核心筒鉸接；主樓周圈框架梁與外框架柱剛接；樓面次梁與兩端構件鉸接。

(4)結構嵌固在首層地面。

表1　多遇地震反應譜分析結果

X向Y向的剪重比不滿足抗震規范樓層最小剪重比之規定,所以地震剪力系數應該予以調整, 括號內數字為調整后的剪種比。兩個程序的結果基本相符，故而認為計算模型正確有效。在后續的設計階段中，按照多個程序結果的包絡進行設計，能夠保證結構的安全。

3.2.2時程分析與振型分解反應譜法計算的地震作用效應比較

采用北京震泰工程技術有限公司提供的3條波進行計算，名稱分別定為USER1，USER2，及USER3。其中，USER1為人工波，USER2及USER3為天然波。峰值加速度主方向為35cm/s2,次方向為29.75cm/s2。分析結果見表2。

表2　時程分析與振型分解反應分析結果

從表中可以看出，每條地震波產生的基底剪力均大于反應譜法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反應譜法基底剪力的80%，滿足規范要求的3條地震波(兩條天然波，一條人工波)的計算要求。

3.2.3中震反應譜分析結果

為保證結構的安全，設計中提高了重要結構構件的安全度水平，主樓加強區核心筒墻受剪承載力滿足中震彈性；主樓加強區核心筒墻受彎承載力滿足中震不屈服；主樓轉換層以下的主樓外框架中震滿足彈性；轉換桁架中震滿足彈性；裙房剪力墻受剪承載力中震滿足不屈服。施工圖設計中，均按照以上的計算結果校核配筋。中震計算結果見表3。

表3　中震反應譜分析結果

3.2.4靜力彈塑性分析結果

根據我國建筑結構抗震設計規范的“中震可修、大震不倒”[1]的抗震設防目標，結構在相當于本地區抗震設防烈度的地震作用下可以發生損壞，但經修理仍可使用；在罕遇地震作用下，結構允許有較大的彈塑性變形及嚴重結構性破壞，但不至于倒塌，結構整體及各個構件的總變形及非彈性變形(位移)應控制在可接受的范圍之內(圖5)。

根據結構的靜力彈塑性分析結果，本結構的抗震性能評價如下：

①小震作用下結構處于彈性狀態，構件未屈服。

②位移與基底剪力基本呈線性遞增，曲線在設定范圍內未出現大幅度下降段，表明抗倒塌能力有較大余地。

圖5　罕遇地震下控制點對應時刻出鉸圖(X向和Y向)

③中震作用下，裙房底部剪力墻首先屈服，并逐步向上延伸，連接剪力墻的大部分連梁出現塑性鉸，但程度均較淺。

④在Pushover分析曲線中，結構的能力曲線和7度罕遇地震需求曲線能夠求得性能控制點，性能控制點對應的結構層間位移角小于規范規定的限值。

⑤從出鉸部位和順序來看，在罕遇地震作用下，結構的一部分連梁和剪力墻出現了塑性鉸，且一些塑性鉸屈服程度較深。但從基底剪力—頂點位移相關曲線上可以看到，整體結構仍處于強化上升的工作階段，在罕遇地震對應點之后的曲線上升態勢還比較明顯。因此可以認為，結構能夠經受7度罕遇地震的考驗。

⑥從結構罕遇地震下的工作狀態來看，結構在轉換層上部是比較明顯的薄弱部位，特別是剪力墻的連梁以及與上部縱向剪力墻相連的梁。在施工圖設計階段對底部剪力墻和連接剪力墻的連梁進行詳細設計，采取有效措施，保證做到強剪弱彎，保證足夠的延性性能。

3.2.5轉換層結構非線性靜力分析

桁架轉換層具有承擔、分散豎向荷載，以及承受地震作用等多重功能，它是連接上下左右結構構件的重要樞紐，需要較高的抗震可靠性，是結構體系中的關鍵部件。因此，需要檢查其在荷載作用下的非線性工作性能，以校核設計可靠性。

結構計算針對豎向荷載作用和地震作用兩種情況進行分析，分析了豎向荷載、小震、中震及大震四種分析荷載工況。轉換層的抗震性能評價如下：

①轉換桁架在豎向荷載作用下結構處于彈性狀態，混凝土應力在混凝土強度設計值內，型鋼未屈服，滿足靜荷載作用下彈性要求。

②轉換桁架在小震作用下，混凝土應力除應力集中的數個單元外小于混凝土強度設計值；混凝土應力在混凝土強度設計值內，型鋼未屈服，滿足小震彈性。

③轉換桁架在中震作用下，受壓腹桿和柱部分超過混凝土抗壓強度設計值；受拉腹桿和弦桿大于抗拉強度設計值，混凝土受拉開裂；型鋼最大應力為216MPa<314MPa未屈服，滿足中震彈性。

④轉換桁架在大震作用下，受壓腹桿和柱部分超過混凝土抗壓強度標準值；受拉腹桿和弦桿大于抗拉強度標準值，混凝土受拉開裂；型鋼最大應力為345.7MPa略微大于345MPa，基本滿足大震不屈服要求。

4　專家審批意見

2011年5月18日對該項目進行超限高層抗震設防專項審查。審查結論為“通過”，審查意見如下：

4.1同意采用下列抗震性能目標

(1)本工程中震、大震的設計地震動參數按2010抗震規范采用。

(2)核心筒底部加強部位，墻肢受剪承載力按中震彈性復核，偏壓、偏拉承載力按中震不屈服復核，在大震下滿足受剪截面控制條件。轉換框架柱、轉換桁架、轉換層以下的主樓外框架柱按中震彈性進行復核。

4.2設計單位應按下列要求進一步改進

(1)小震地震動參數，應按《地震安全性評價》報告與規范規定值相比較后取大值。

(2) 應復核轉換桁架以豎向地震作用為主的組合工況，核心筒加強部位取轉換桁架層以上2層，此2層的墻肢厚度適當加厚；加強部位的核心筒四角設型鋼；高層部分框架角柱八層以下應按特一級設計；轉換層上下2層樓板應加強。

(3)框架柱承擔剪力的百分比應不小于10%，主要墻肢約束邊緣構件延伸到軸壓比0.25高度，頂層結構進一步加強。

(4)進一步復核靜力彈塑性時程分析的結果。

4.3場地類別劃分正確

5　結語

本工程是高度超限，底部拔柱形成豎向構件不連續，屬高度超限的特別不規則結構,本文所涉及核心筒、框架柱、轉換構件的設計計算原則均是針對以上工程特點提出，切實可行，本文加以總結以供相似工程借鑒和對比。

[1]GB50011-2001 建筑抗震設計規范[S]．北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2]JGJ3-2002 高層建筑混凝土結構技術規程[S]．北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]徐培福，傅學怡，王翠坤，等．復雜高層建筑結構設計[M]．北京：中國建筑工業出版社，2005-09.

[4]聶建國，劉明，葉列平．鋼-混凝土組合結構，2005，03.

[5]束偉農，高建民，宋玲，等．深圳南山中心區T106-0028地塊中A座超高層結構設計與研究 ．建筑結構，2009年第12期.

[6]束偉農，石異，楊潔，等．鞍山皇冠假日酒店超高層結構設計，2011,12．第十三屆高層建筑抗震技術交流會論文集.

石異(1969.5-)，男，高級工程師，主要從事建筑工程結構設計方面的工作。

束偉農(1963.6-),男 教授級高工，主要從事建筑工程結構設計方面的工作。

楊潔(1965.11-),男,教授級高工，主要從事建筑工程結構設計方面的工作。

王春華(1957.3-),男 教授級高工，主要從事建筑工程結構設計方面的工作。

張然(1982.1-),男 教授級高工，主要從事建筑工程結構設計方面的工作。

Highly-overrun Aseismic Design of a Hotel in Liaoning Province

SHIYiSHUWeinongYANGJieWANGChunhuaZHANGRan

(BEIJING INSTITUTE OF ARCHITECTURAL DESIGN ，Beijing 100045)

The hotel is located in Tiedong District of a city in Liaoning Province, which has 170.10 meters high overrun frame - core wall structure，and that part of the vertical structure component is discontinuous. So the hotel has a highly-overrun especially irregular structure. This paper introduces the design points of the hotel structure.

Highly-overrun building; Frame-core wall;Elastoplasticity;Trans-truss

石異(1969.5-)，男，高級工程師。

2015-11-16

TU973+.31

A

1004-6135(2016)01-0063-05