公寓式酒店塔楼的超限高层结构抗震分析及设计

    1 工程概况

　　辽宁省沈阳市某商业综合体项目由超高层公寓式酒店、商务综合楼以及多层商业裙房组成，总建筑面积约为 18. 8 万 m2，本文就其中的公寓式酒店塔楼的超限高层结构抗震分析及设计进行介绍。该塔楼总高度为 175m，地上 42 层，设有 3 层地下室; 采用框架-核心筒结构作为抗侧力体系，并以地下室顶板作为嵌固端。公寓式酒店标准层层高为 3. 6m，其底部六层及避难层的层高均为 5. 2m。该塔楼的结构计算模型如图 1 所示。

　　本工程位于七度抗震设防烈度区，建筑结构设计使用年限为 50 年，建筑结构安全等级为二级。抗震设防类别为丙类，地基基础设计等级为甲级。

　　2 结构体系

　　2. 1 上部结构

　　公寓式酒店塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，平面布置为矩形，典型楼层平面长度、宽度分别为 35. 9m、30. 9m，结构标准层的构件布置如图 2所示。

　　核心筒七层以下外部墙体厚度为 650mm，其余各层沿高度分三个区段，其厚度在 500mm ～ 350mm之间。核心筒内部的墙体厚度根据计算和构造的需要沿高度变化，厚度取值范围为 200mm ～350mm。

　　外围框架柱第十六层及其以下各层采用内置十字型钢的型钢混凝土柱，其余各层均为普通混凝土柱。结构第七层及其下各层框架柱截面尺寸分别为1300mm × 1300mm、1100mm × 1100mm、800mm ×1600mm，第八层至十六层之间的框架柱截面尺寸变为 1100mm ×1100mm、800mm ×1600mm。

　　除避难层外，结构其余各层框架梁的高度为600mm ～ 700mm。在角部框梁未能双向拉通之处，设置 800mm × 200mm 的暗梁予以加强。用于作为框架梁固定端的核心筒连梁内置 H 型钢，以保证连梁具有足够的承载能力，满足抗弯、抗剪设计要求。

　　本工程中选用梁板的混凝土等级为 C30，柱墙的混凝土等级为 C40 ～ C60，所用型钢的材质均为Q345B。

　　2. 2 地下室结构

　　经比较分析，本工程的基础采用桩筏基础，塔楼核心筒下的筏板厚度为 2800mm，商业裙楼的筏板厚度为 800mm。塔楼选用 Φ800 直径桩端后注浆钻孔灌注桩，有效桩长 23m。商业裙房及地下室采用天然地基，利用 Φ600 的钻孔灌注抗拔桩解决抗浮问题。

　　作为上部结构的嵌固端，地下室顶板厚度为200mm，采用双层双向钢筋通长布置，且每层每个方向的配筋率不小于 0. 25% 。地下室通过增设后浇带、膨胀加强带等措施，降低沉降差引起的内力以及因长度过长而产生的混凝土收缩和温度效应。

　　3 结构超限判别

　　根据《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3—2010) 和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》( 建质【2010】109 号) 的规定，公寓式酒店为超 A 级但不超 B 级高度的结构。

　　参照文献［1-3］的相关规定，本工程存在如下三项超出相关的限值。

　　1) 在规定的水平力作用下，楼层及层间最大弹性位移比大于 1. 2，属扭转不规则。

　　2) 二层楼板有效宽度小于该层楼板典型宽度的 50%，属楼板局部不连续。

　　3) 避难层结构的侧移刚度比不满足规范要求，结构存在刚度突变。

　　4 结构抗震分析

　　本工程抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度为 0. 10g，设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅱ类，特征周期为 Tg= 0. 36s。结构 阻尼比取0. 05。

　　基本风压荷载标准值 w0= 0. 60kN / m2( 按50 年一遇风压) ，地面粗糙度为 C 类。

　　结构整体分析主要采用 SATWE、PMSAP 和ETABS 三种程序进行对比计算，按照三水准两阶段设计方法进行抗震分析及设计。第一阶段分为小震作用下的弹性分析、中震作用下的弹性及不屈服分析，第二阶段为大震作用下的动力弹塑性分析。

　　4. 1 性能化设计目标

　　本项目属于存在平面不规则、局部楼板不连续且刚度突变的超限高层项目，根据《抗规》和《高规》

　　进行抗震性能化设计。考虑到结构的重要性及超限程度，按照文献［1-4］性能化设计的要求，对结构提出相应的性能目标，详见表 1。

　　4. 2 小震作用分析

　　结构小震作用计算采用考虑扭转耦联效应的振型分解法，计入双向地震作用，并选用一组人工地震波和两条天然地震波进行弹性动力时程补充计算。

　　结构阻尼比取为 0. 05，主、次分量峰值加速度分别为 0. 36m/S²、0. 306m/S²，地震波的持续时间均大于结构基本周期的 5 倍，并与满足规范要求的统计意义相符。

　　小震弹性时程计算结果表明，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的 65%，三条时程曲线计算所得结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法计算结果的 80%。

　　从最大楼层位移曲线、层间位移角、最大楼层剪力和最大楼层弯矩的计算结果看，振型分解反应谱法的计算结果曲线基本包络了所用三条地震波的相应曲线，采用振型分解反应谱法所得结果作为结构设计依据是安全可靠的。

　　小震作用计算结果表明，避难层结构的侧移刚度比不满足规范要求，结构存在刚度突变，薄弱层的剪力按照规范放大地震作用至 1. 25 倍进行设计。

　　结构第一扭转周期与第一平动周期之比小于规范规定的 0. 85，三种程序计算的位移角均满足规范要求，表明结构的刚度合适，在小震作用下结构处于弹性状态。在规定水平力的作用下，结构的位移比超出 1. 2 的限值，表明结构属于扭转不规则体系。结构的整体稳定性验算大于 1. 4 但小于 2. 7，表明整体结构体系是稳定的，但需要考虑重力作用二阶效应的不利影响。其余计算指标均满足规范要求，主要计算结果如表 2、表 3 所示。

　　4. 3 中震作用分析

　　根据抗震性能化设计目标，分别进行结构构件中震不屈服及中震弹性的复核验算，对结构体系中的关键部位和薄弱部位进行加强，使结构满足中震性能目标的要求。

　　中震不屈服和中震弹性计算结果表明，构件中震作用下剪力和弯矩比小震作用下有一定的增大，构件截面总体上满足设计要求。除剪力墙、框架柱的配筋接近规范限制外，结构各层构件的配筋均符合规范要求，并满足构件性能目标要求，设计取中震作用和小震作用计算结果的最不利工况进行包络设计。

　　4. 4 大震作用分析

　　为找出结构薄弱部位并控制整体结构的弹塑性变形，确保结构在罕遇地震作用下不发生倒塌，本工程采用 PUSH 程序对主体结构进行了大震作用下的弹塑性静力分析。侧推荷载采用弹性 CQC 地震力分布，侧推荷载总量最大加载到结构总重量的100% 。计算中不考虑楼板作用，楼板简化为梁翼缘考虑对结构的承载力作用。

　　结构沿 X 方向和 Y 方向的抗倒塌验算结果如图 3、图 4 所示。可以看出，X 方向大震作用下加载到第 27 步，结构的需求层间位移角为 1/181; Y 方向大震作用下加载到第 33 步，结构的需求层间位移角为 1/148，均小于规范对弹塑性层间位移角 1/100的限值要求。

　　根据弹塑性静力分析逐步加载过程动画显示，结构在约全高 2/3 处的框架梁和剪力墙连梁处首先出现塑性铰，再逐渐发展到局部剪力墙和框架柱端出现塑性铰，墙体的塑性铰破坏以混凝土局部拉压破坏为主。整体竖向构件具有一定的延性，弹塑性变形能得到控制，结构体系能够实现结构在罕遇地震作用下大震不倒的设计要求。

　　4. 5 超限项的设计措施

　　1) 对于扭转不规则: 计算中考虑双向地震作用及偶然偏心影响; 适当提高核心筒角部、框架角柱及其相邻一跨框柱的配筋率并提高型钢柱的含钢率。

　　2) 对于楼板局部不连续: 采用弹性板计算; 加大局部板厚，提高其双层双向配筋率; 进行小震及中震作用下楼板应力分析，控制不超过混凝土抗拉强度设计值及标准值。

　　3) 对于侧向刚度比超限: 计算时按薄弱层考虑，楼层内力放大 1. 25 倍，并进行构件性能化设计;该层及其上下层抗震等级提高一级，核心筒墙体设置约束边缘构件; 柱箍筋全层加密，轴压比限值比规范要求降低 0. 05。

　　4. 6 风载作用下舒适度验算

　　根据文献［5］的规定，取 10 年一遇的风荷载值计算结构顺风向、横风向的顶点最大加速度 αmax，其中加速度按文献［5］附录计算。计算结果表明，顺风向和横风向结构顶点的计算最大加速度均不超过0. 15m / S²，满足相关规范的设计要求。

　　5 结语

　　本文介绍了沈阳某超限高层框架-核心筒结构抗震分析及设计，进行了多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下的抗震性能分析，并对风荷载作用下结构的舒适度验算进行了概述。设计中较好地解决了扭转不规则、楼板局部不连续、竖向刚度突变等超限问题，达到了预定的性能目标，满足了三水准抗震设防要求，结构具有较好的抗震性能和一定的安全储备。

　　参考文献

　　［1］ GB 50011─2010，建筑抗震设计规范［S］

　　［2］ JGJ 3─2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］

　　［3］ 建质【2010】109 号，超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点［S］

　　［4］ GB 50010─2010，混凝土结构设计规范［S］［5］ GB 50009—2012，建筑结构荷载规范［S］