遼寧某酒店超限高層抗震設(shè)計(jì)

石異　束偉農(nóng)　楊潔　王春華　張然

(北京市建筑設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

石異束偉農(nóng)楊潔王春華張然

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司北京100045)

酒店位于遼寧某市鐵東區(qū)，為170.1m高的超限框架-核心筒結(jié)構(gòu)，部分豎向構(gòu)件不連續(xù)，屬高度超限特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。文章主要介紹了該酒店的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并通過彈塑性分析研究了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的受力特點(diǎn)和抗震性能。

超高層建筑;核心筒;彈塑性;轉(zhuǎn)換桁架

E-mail:1328329218@qq.com

1　工程概況與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目為五星級(jí)酒店，建筑層數(shù)：地下3層，地上部分35層，其中地上公共區(qū)6層。建筑高度： 163.35m(首層地面至屋頂頂板), 170.1m(建筑最高點(diǎn)高度)，建筑效果圖見圖1。本工程裙房南北向長(zhǎng)66.6m，東西向長(zhǎng)約60.1m，地上5層；6層為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，6層以上為酒店標(biāo)準(zhǔn)層，35層以上為會(huì)所。主樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)39.8m，寬39.8m(見圖2)。

圖1　建筑效果圖

圖2　建筑標(biāo)準(zhǔn)層面

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期0.35s，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

2　結(jié)構(gòu)體系及超限情況

2.1結(jié)構(gòu)體系

本工程主樓和裙房連為一體，1～6層采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。6層以上為框架-核心筒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件并貫通建筑物全高，核心筒外墻厚度為800～400mm逐層依次減?。?層以下主樓外圍設(shè)12根型鋼混凝土柱，截面1 600mm×1 600mm；六層以上主樓外圍設(shè)28根鋼筋型鋼混凝土柱，截面800mm×1 600mm，通過桁架轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換桁架高度7.1m，在6層地面與七層地面之間，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換桁架的上下弦所在樓面板厚度為180mm。

轉(zhuǎn)換桁架立面如圖3所示，轉(zhuǎn)換桁架三維圖如圖4所示。三十五層以上為酒店會(huì)所，結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)框架。

圖3　轉(zhuǎn)換桁架立面圖

圖4　轉(zhuǎn)換桁架三維圖

3　超限應(yīng)對(duì)措施及分析結(jié)論

本工程抗震設(shè)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(fēng)荷載按重現(xiàn)期100年進(jìn)行取值，為0.60kN/m2，地面粗糙度為B類；風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)依據(jù)荷載規(guī)范取值；雪荷載按重現(xiàn)期50年進(jìn)行取值，為0.40kN/m2。

3.1主樓超限應(yīng)對(duì)措施

3.1.1分析模型及分析軟件

(1)主樓主要采用兩個(gè)分析程序，即SATWE(高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件，版本號(hào)為2008年4月)和MIDAS GEN(版本號(hào)為v7.1.2)分別對(duì)主樓進(jìn)行計(jì)算分析，采用考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法，并考慮雙向地震和偶然偏心及考慮二階效應(yīng)的影響，考慮施工模擬。

(2)采用PKPM彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。彈性時(shí)程分析所取地面運(yùn)動(dòng)最大加速度為35gal，按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用2條實(shí)際強(qiáng)震記錄和1條人工模擬地震地面加速度時(shí)程曲線進(jìn)行分析。控制每條波計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，3條波計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。

(3)采用MIDAS進(jìn)行小震彈性對(duì)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(jìn)行轉(zhuǎn)換層局部進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。對(duì)轉(zhuǎn)換層及所連構(gòu)件的連接可靠性、內(nèi)力分配規(guī)律和重分布規(guī)律、構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等進(jìn)行詳細(xì)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(shè)計(jì)可靠性、發(fā)現(xiàn)薄弱部位，并對(duì)結(jié)構(gòu)予以加強(qiáng)。

3.1.2抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)及加強(qiáng)措施

(1)主樓加強(qiáng)區(qū)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(qiáng)區(qū)核心筒墻受彎承載力中震滿足不屈服，大震允許進(jìn)入塑性，控制拉應(yīng)力。

(3)主樓轉(zhuǎn)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(jí)提至特一級(jí)。

(4)轉(zhuǎn)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(jí)提至特一級(jí)。

(5)裙房剪力墻受剪承載力中震滿足不屈服，大震允許進(jìn)入塑性。

(6)裙房剪力墻受彎承載力中震允許進(jìn)入塑性，控制拉應(yīng)力。

3.2主樓分析結(jié)論

3.2.1多遇地震反應(yīng)譜分析結(jié)果(見表1)

主樓結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的過程中，考慮了以下的結(jié)構(gòu)假定，以模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)：

(1)結(jié)構(gòu)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(nèi)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(gòu)件鉸接。

(4)結(jié)構(gòu)嵌固在首層地面。

表1　多遇地震反應(yīng)譜分析結(jié)果

X向Y向的剪重比不滿足抗震規(guī)范樓層最小剪重比之規(guī)定,所以地震剪力系數(shù)應(yīng)該予以調(diào)整, 括號(hào)內(nèi)數(shù)字為調(diào)整后的剪種比。兩個(gè)程序的結(jié)果基本相符，故而認(rèn)為計(jì)算模型正確有效。在后續(xù)的設(shè)計(jì)階段中，按照多個(gè)程序結(jié)果的包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠保證結(jié)構(gòu)的安全。

3.2.2時(shí)程分析與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的地震作用效應(yīng)比較

采用北京震泰工程技術(shù)有限公司提供的3條波進(jìn)行計(jì)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?yàn)?5cm/s2,次方向?yàn)?9.75cm/s2。分析結(jié)果見表2。

表2　時(shí)程分析與振型分解反應(yīng)分析結(jié)果

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

3.2.3中震反應(yīng)譜分析結(jié)果

為保證結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計(jì)中提高了重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度水平，主樓加強(qiáng)區(qū)核心筒墻受剪承載力滿足中震彈性；主樓加強(qiáng)區(qū)核心筒墻受彎承載力滿足中震不屈服；主樓轉(zhuǎn)換層以下的主樓外框架中震滿足彈性；轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)中，均按照以上的計(jì)算結(jié)果校核配筋。中震計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　中震反應(yīng)譜分析結(jié)果

3.2.4靜力彈塑性分析結(jié)果

根據(jù)我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的“中震可修、大震不倒”[1]的抗震設(shè)防目標(biāo)，結(jié)構(gòu)在相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震作用下可以發(fā)生損壞，但經(jīng)修理仍可使用；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)允許有較大的彈塑性變形及嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性破壞，但不至于倒塌，結(jié)構(gòu)整體及各個(gè)構(gòu)件的總變形及非彈性變形(位移)應(yīng)控制在可接受的范圍之內(nèi)(圖5)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析結(jié)果，本結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)價(jià)如下：

①小震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，構(gòu)件未屈服。

②位移與基底剪力基本呈線性遞增，曲線在設(shè)定范圍內(nèi)未出現(xiàn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)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(xiàn)塑性鉸，但程度均較淺。

④在Pushover分析曲線中，結(jié)構(gòu)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(diǎn)，性能控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)層間位移角小于規(guī)范規(guī)定的限值。

⑤從出鉸部位和順序來看，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的一部分連梁和剪力墻出現(xiàn)了塑性鉸，且一些塑性鉸屈服程度較深。但從基底剪力—頂點(diǎn)位移相關(guān)曲線上可以看到，整體結(jié)構(gòu)仍處于強(qiáng)化上升的工作階段，在罕遇地震對(duì)應(yīng)點(diǎn)之后的曲線上升態(tài)勢(shì)還比較明顯。因此可以認(rèn)為，結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受7度罕遇地震的考驗(yàn)。

⑥從結(jié)構(gòu)罕遇地震下的工作狀態(tài)來看，結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)階段對(duì)底部剪力墻和連接剪力墻的連梁進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，采取有效措施，保證做到強(qiáng)剪弱彎，保證足夠的延性性能。

3.2.5轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)非線性靜力分析

桁架轉(zhuǎn)換層具有承擔(dān)、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(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要樞紐，需要較高的抗震可靠性，是結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)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(shè)計(jì)可靠性。

結(jié)構(gòu)計(jì)算針對(duì)豎向荷載作用和地震作用兩種情況進(jìn)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(zhuǎn)換層的抗震性能評(píng)價(jià)如下：

①轉(zhuǎn)換桁架在豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，混凝土應(yīng)力在混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值內(nèi)，型鋼未屈服，滿足靜荷載作用下彈性要求。

②轉(zhuǎn)換桁架在小震作用下，混凝土應(yīng)力除應(yīng)力集中的數(shù)個(gè)單元外小于混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；混凝土應(yīng)力在混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值內(nèi)，型鋼未屈服，滿足小震彈性。

③轉(zhuǎn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值；受拉腹桿和弦桿大于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，混凝土受拉開裂；型鋼最大應(yīng)力為216MPa<314MPa未屈服，滿足中震彈性。

④轉(zhuǎn)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；受拉腹桿和弦桿大于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土受拉開裂；型鋼最大應(yīng)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(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行超限高層抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。審查結(jié)論為“通過”，審查意見如下：

4.1同意采用下列抗震性能目標(biāo)

(1)本工程中震、大震的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)按2010抗震規(guī)范采用。

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

4.2設(shè)計(jì)單位應(yīng)按下列要求進(jìn)一步改進(jìn)

(1)小震地震動(dòng)參數(shù)，應(yīng)按《地震安全性評(píng)價(jià)》報(bào)告與規(guī)范規(guī)定值相比較后取大值。

(2) 應(yīng)復(fù)核轉(zhuǎn)換桁架以豎向地震作用為主的組合工況，核心筒加強(qiáng)部位取轉(zhuǎn)換桁架層以上2層，此2層的墻肢厚度適當(dāng)加厚；加強(qiáng)部位的核心筒四角設(shè)型鋼；高層部分框架角柱八層以下應(yīng)按特一級(jí)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)換層上下2層樓板應(yīng)加強(qiáng)。

(3)框架柱承擔(dān)剪力的百分比應(yīng)不小于10%，主要墻肢約束邊緣構(gòu)件延伸到軸壓比0.25高度，頂層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加強(qiáng)。

(4)進(jìn)一步復(fù)核靜力彈塑性時(shí)程分析的結(jié)果。

4.3場(chǎng)地類別劃分正確

5　結(jié)語

本工程是高度超限，底部拔柱形成豎向構(gòu)件不連續(xù)，屬高度超限的特別不規(guī)則結(jié)構(gòu),本文所涉及核心筒、框架柱、轉(zhuǎn)換構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算原則均是針對(duì)以上工程特點(diǎn)提出，切實(shí)可行，本文加以總結(jié)以供相似工程借鑒和對(duì)比。

[1]GB50011-2001 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[2]JGJ3-2002 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤，等．復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005-09.

[4]聶建國(guó)，劉明，葉列平．鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，2005，03.

[5]束偉農(nóng)，高建民，宋玲，等．深圳南山中心區(qū)T106-0028地塊中A座超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究 ．建筑結(jié)構(gòu)，2009年第12期.

[6]束偉農(nóng)，石異，楊潔，等．鞍山皇冠假日酒店超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2011,12．第十三屆高層建筑抗震技術(shù)交流會(huì)論文集.

石異(1969.5-)，男，高級(jí)工程師，主要從事建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。

束偉農(nóng)(1963.6-),男 教授級(jí)高工，主要從事建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。

楊潔(1965.11-),男,教授級(jí)高工，主要從事建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。

王春華(1957.3-),男 教授級(jí)高工，主要從事建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。

張然(1982.1-),男 教授級(jí)高工，主要從事建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jí)工程師。

2015-11-16

TU973+.31

A

1004-6135(2016)01-0063-05