高层酒店塔楼超限结构设计研究

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摘要：泰安万达高层酒店塔楼地上35层，大屋面结构高度149.95m，为特别不规则超限高层建筑。主体结构采用框架-核心筒体系进行设计，通过提高底部加强部位框架抗震等级，控制框架柱轴压比和结构扭转效应、加强裙楼与塔楼连接部位设计，采用2种不同力学的设计软件进行计算对比分析，及多遇地震下弹性时程分析与地震反应谱法结果比较，验证了弹性分析结果的正确性。对普通竖向构件和耗能构件按照小震弹性和中震不屈服结果包络设计，关键构件按照中震弹性和大震不屈服结果进行包络设计，保证结构具有良好的抗震性能和使用性能。

关键词：框架-核心筒结构；基础设计；抗震性能设计；抗震措施

1工程概况

泰安万达1#酒店位于泰安市的时代中轴线上，为金融商业区的核心区，酒店塔楼及其裙楼地下2层，塔楼地上35层，大屋面结构标高149.95m；裙楼地上4层，屋面结构标高25.9m。酒店塔楼采用框架-核心筒结构，建筑结构安全等级为二级，设计基准期50年，设计使用年限为50年。设防烈度为6度(2010年版抗规)，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第三组，多遇地震的水平地震影响系数αmax=0.04，场地类别为Ⅰ1类，场地特征周期值为0.35s。50年一遇的基本风压荷载标准值0.40kN/㎡（塔楼承载力设计时风荷载计算按基本风压的1.1倍），地面粗糙度类别为B类;风荷载体型系数取1.3。工程于2014年初完成设计，至2016年塔楼大屋面结构已施工完成。酒店建筑实体效果（图1）。根据安评报告，多遇地震的水平地震影响系数αmax=0.082，特征周期值为0.40s，阻尼比取0.05;多遇地震下，按高层规范和安评报告的地震动参数分别进行结构计算，规范地震动参数计算的基底剪力（X向/Y向）均小于安评报告地震动参数计算的基底剪力，因此本工程多遇地震作用下地震动参数按安评报告进行取值设计；设防地震和罕遇地震作用，结构的地震动参数仍采用抗震规范中的地震动参数。

2基础设计

地基基础设计等级为甲级。塔楼采用整体筏板基础，筏板厚度根据计算为2100mm，基础持力层为7层中风化页岩，地基承载力特征值为800kPa，抗渗等级P8。裙房部分采用独立基础+防水板+抗浮锚杆基础，独立基础持力层为7层中风化页岩。防水板根据计算为500mm；因地下水位较高，裙房基础按抗浮设防水位进行抗浮设计。根据计算仅靠结构自重不能满足抗浮设计要求，采用抗浮锚杆平衡水浮力，锚杆直径为150mm，锚杆抗拔承载力特征值计算值取为300kN，锚入⑦层中风化页岩6.5m；高层塔楼、裙楼、单层地下室的基础连为一体，高差悬殊，荷载差异很大，除采用有限元分析程序进行整体地下室的筏板基础分析计算外，在裙房和地下室间设置沉降后浇带，并在塔楼施工完成且实测沉降稳定后封闭后浇带。

3结构设计

酒店塔楼为框架-核心筒结构，抗震设防标准设防类（丙类），框架抗震等级三级，考虑结构不规则超限的影响，底部加强区框架柱抗震等级由三级提高到二级，核心筒抗震等级二级。楼面采用整体混凝土梁、板体系，标准层主梁截面高度为700~800mm，地下室顶板厚取180mm，避难层、屋面及局部加层板厚取150mm，其余层为110~130mm，计算挠度及裂缝均满足规范要求。结构竖向抗侧力构件均匀布置（如图2），使结构体系有适当的刚度和强度，在水平力、竖向力的作用下有良好的抗震性能。采用剪切刚度计算，结构在X、Y两方向地下一层的侧向刚度与首层的侧向刚度之比均不小于2，符合高规嵌固要求，地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。采用SATWE作为主要计算分析软件，详细构建空间三维有限元整体分析模型，根据具体构件尺寸输入模型；分别使用SATWE与Midas/Gen进行多遇地震下的弹性分析进行对比。模型计算两个主方向刚重比均大于2.7，满足整体稳定验算最低限值的要求，可不需考虑重力二阶效应影响。两个软件计算结果对比如表所示。SATWE和Midas/Gen的分析结果表明，两种软件计算的模态基本一致，地震作用是结构整体指标的控制因素，结构的第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.9，结构扭转效应满足规范要求。计算结果表明在规定的水平力作用下，框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%，为典型的框架-剪力墙结构，核心筒是抵抗倾覆弯矩的主要构件。核心筒承担了结构两个方向主要的地震剪力，框架承担的比例较小，结构的主要抗侧力构件为剪力墙。在地震和风荷载作用下，全楼的层间位移角均能满足规范要求，在地震荷载作用下层间位移角比规范限值要小，结构抗侧刚度有一定的富余。结构24层标高处为上部收进区段的底层，其X向位移角为1/1376，收进区段以下的塔楼中区最大层间位移角为1/1448，收进区段底层位移角为塔楼中区最大层间位移角的1.052倍，满足规范要求。结构体系收进通过竖向构件截面变化，保证结构的刚度较平稳的过渡，整体层刚度比满足规范的要求。各楼层抗侧力结构的楼层抗剪承载力均超过相邻上一楼层的80%，结构的楼层抗剪承载力无突变。表明结构具有合适的刚度，满足规范各种指标的控制要求，两种程序的反应谱分析结果之间具有一致性。根据高层规范要求，选取5组天然波和2组人工波进行小震弹性时程分析，并与反应谱分析进行了对比，采用不带地下室的结构模型进行弹性时程分析，采用双向单点输入地震作用，沿结构首层底部，X、Y两方向同时输入地震作用，时程分析结果与反应谱分析结果（底部剪力）在同一基础上进行对比。比较结果如图3。图表结果表明，7组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20％，即地震波与设计谱在统计意义上相符，主方向每条时程曲线计算所得结构底部剪力位于振型分解反应谱法计算结果的65％~135%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80％。地震波作用下的结构全楼位移角均基本上小于CQC设计谱所得的位移角，两个主方向的地震波计算的位移角平均值均多处于CQC设计谱所得的位移角范围以内，验证了弹性分析结果的正确性。

4超限情况

在规定的水平力作用下，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，位移比最大值为1.39，为扭转不规则；结构2层楼板有效板宽为该层典型楼板宽度的18.2%，小于50%，开洞面积为该层楼板面积的35.2%，大于30%，为楼板不连续；塔楼在25层以上结构X向从2-6轴收进到2-7轴，竖向构件缩进尺寸为26%，收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%，为侧向刚度不规则结构；1~2层、3~4层均有数根穿层柱、四层至五层有4根柱子转换，为竖向抗侧力构件不连续。塔楼核心筒在25层结构收进，造成塔楼偏置，X向偏置值为25%，大于20%，根据超限高层抗震专项审查技术要点，单塔质心与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%，为特别不规则高层建筑。

5抗震加强措施

针对以上超限情况，并根据抗震超限审查专家意见采取以下加强设计的措施，提高结构的抗震性能。①对普通竖向构件和耗能构件，将按照小震弹性和中震不屈服的配筋结果进行包络设计，关键构件按照等效弹性分析中震弹性和大震不屈服的配筋结果进行包络设计，以达到性能目标要求。②在塔楼高区，由于剪力墙承担的重力荷载较小，剪力墙的拉应力也比较大。针对拉应力较大的区域，采用配筋加强、设置型钢等措施，保证墙体有足够的承载力。③对平面扭转不规则问题，增强建筑物周围刚度，提高结构的抗扭能力。同时均匀布置抗侧力构件，减少结构质心与刚心之间的偏心，以减少结构的扭转效应；加强裙楼与主楼的连接，并验算裙楼框架结构的自身承载力和弹塑性层间位移角，保证一旦连接部位破坏后裙楼结构仍能承受竖向荷载和水平作用。④加强楼板的整体刚度：对平面楼板开大洞不规则不连续问题，连接薄弱部位加强楼板厚度或提高结构混凝土强度等级，并提高其配筋率，设置双层双向钢筋网，提高整体刚度，保证楼层水平地震力的有效传递，如5层、24层及大屋面层。且在整体电算时将薄弱部位定义为弹性板进行补充计算，并考虑藕连，扭转影响。⑤加强结构延性设计：通过对连梁等耗能构件加强其合理性配筋的设计，提高剪力墙底部加强区配筋率及暗柱配箍率，限制剪力墙在重力荷载代表值下的轴压比。

6结语

综上所述，塔楼采用框架-核心筒结构体系，通过对普通竖向构件进行小震弹性、中震不屈服性能化设计，加强主楼与裙楼连接部位的设计和裙楼自身承载力的校核，保证了结构的抗震性能和延性；通过中震弹性和大震不屈服的配筋结果进行包络设计，确保关键构件达到性能目标的要求。选用两种不同力学模型计算程序进行校核分析，两种程序的计算结果基本吻合，计算结果差异较小，计算得出的结构各项性能指标均符合规范要求。结构的弹塑性时程分析反映了结构的薄弱部位，在设计中采取了加强措施，同时弹塑性时程分析的结果证明了该结构设计是可行的。目前，酒店已全面投入使用，说明了本工程的结构设计是可靠的。

参考文献

[1]建研地基基础工程有限责任公司.泰安万达广场项目岩土工程勘察报告书[R].2013.

[2]山东地震工程研究院.泰安万达广场项目工程场地地震安全性评价报告[R].2013.

[3]GB50009—2012,建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2012．

[4]JGJ3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[5]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].上海:同济大学出版社，2009．

[6]吕西林.中震弹性设计与中震不屈服设计的理解及实施[M].上海:同济大学出版社，2009．

作者：周华军 单位：悉地国际设计顾问有限公司上海杨浦分公司