五星級(jí)酒店結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探究
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摘要：懷化某五星級(jí)酒店為一大底盤(pán)單塔樓結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，存在平面凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及塔樓偏置的不規(guī)則項(xiàng)，為了確保結(jié)構(gòu)安全可靠，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取了有針對(duì)性的加強(qiáng)措施，合理選取抗震性能目標(biāo)，采用PKPM和YJK軟件進(jìn)行了多遇地震彈性分析、設(shè)防地震分析和罕遇地震靜力彈塑性分析，并順利通過(guò)了超限審查。各項(xiàng)分析指標(biāo)滿足規(guī)范及超限審查要求，結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。
關(guān)鍵詞：大底盤(pán)單塔樓；超限；框架-核心筒結(jié)構(gòu)
1工程概況
某五星級(jí)酒店位于湖南省懷化市，總建筑面積81165m2，由酒店塔樓及裙房組成。塔樓地上21層，結(jié)構(gòu)高93.9m；裙房地上6層，結(jié)構(gòu)高30.9m；塔樓及裙房均設(shè)3層地下室，地下2層、3層主要為機(jī)動(dòng)車庫(kù)和設(shè)備用房，層高均為4.0m；地下1層主要為非機(jī)動(dòng)車庫(kù)，層高5.4m；1層主要功能為酒店大堂、餐飲和商業(yè)，層高5.4m；2~6層主要功能為辦公、商業(yè)和宴會(huì)，層高5.1m；7~11層主要功能為辦公，層高4.5m；12~21層主要為客房，層高3.8m。建筑效果見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)條件和參數(shù)：50a一遇基本風(fēng)壓為0.30kN/m2，地面粗糙度類別為B類；50a一遇基本雪壓為0.35kN/m2。詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。
2結(jié)構(gòu)體系
根據(jù)建筑平面布置，酒店塔樓及裙房采用框架－核心筒結(jié)構(gòu)，塔樓和裙房連為一個(gè)整體，不設(shè)永久的變形縫，框架柱與內(nèi)筒之間的距離約11m（<12m）。核心筒為矩形，長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)約19m，短邊邊長(zhǎng)約13m，高寬比為7.2（<12），滿足《高規(guī)》[1]相關(guān)要求。裙房2層結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖2?？紤]到宴會(huì)廳中間不允許設(shè)置框架柱且該處跨度較大，為滿足建筑使用需求，改善框架延性，提高其抗剪承載力，并減小截面，設(shè)計(jì)中采用型鋼混凝土梁、柱。主要構(gòu)件截面見(jiàn)表2。
3超限情況分析和抗震性能目標(biāo)
3.1高度超限分析
根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[2]的規(guī)定，本塔樓高度不超限。
3.2超限情況小結(jié)
（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則?？紤]偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比＞1.2。（2）凹凸不規(guī)則。酒店大堂處平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長(zhǎng)30%。（3）塔樓偏置。單塔與大底盤(pán)質(zhì)心偏心距大于底盤(pán)相應(yīng)邊長(zhǎng)的20%。3.3抗震性能目標(biāo)綜合考慮本工程的設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度，結(jié)合概念設(shè)計(jì)中的“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的基本理念，確定本工程抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，具體內(nèi)容見(jiàn)表3。
4結(jié)構(gòu)彈性分析
4.1小震反應(yīng)譜分析
采用SATWE和YJK軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震彈性分析。對(duì)于各水準(zhǔn)地震加速度反應(yīng)譜，考慮了X向、Y向和豎向地震作用（主要針對(duì)宴會(huì)廳大跨度框架及樓蓋）；對(duì)于小震，考慮了雙向地震及偶施工技術(shù)然偏心的影響。保證結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的要求，確定結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸，保證結(jié)構(gòu)的變形滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范的要求，主要計(jì)算指標(biāo)詳見(jiàn)表4。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的主振型以平動(dòng)為主，周期比、層間位移角、剪重比、位移比、剛度比、受剪承載力比、剛重比均滿足《高規(guī)》[1]的限值要求。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)可達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)，且兩套軟件的計(jì)算結(jié)果相近，從側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)建模與分析的正確性。
4.2彈性時(shí)程分析
根據(jù)《抗規(guī)》[3]的要求，選擇2條天然地震波和1條人工地震波進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)圖3）。比較3條地震波的地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線，各條地震波平均譜和規(guī)范譜在前3個(gè)周期點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)相差≤20%，滿足《抗規(guī)》[3]“統(tǒng)計(jì)意義上相符”的要求。4.2.1時(shí)程分析比較。（1）樓層剪力。彈性時(shí)程分析法補(bǔ)充計(jì)算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果基本一致，每條時(shí)程曲線計(jì)算的底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的65%，平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的80%，滿足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。（2）樓層位移角。彈性時(shí)程分析法補(bǔ)充計(jì)算結(jié)果表明，時(shí)程分析得到的樓層位移角與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果基本一致。4.2.2最不利設(shè)計(jì)工況。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)取3組時(shí)程曲線進(jìn)行計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)可取時(shí)程法計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值與CQC法計(jì)算結(jié)果的較大值。由以上分析結(jié)果可知，本工程由CQC法計(jì)算得到的樓層地震剪力大部分小于時(shí)程法計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值，因此施工圖設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)CQC法地震力進(jìn)行全樓放大，放大系數(shù)取1.224，以確保結(jié)構(gòu)安全。
5設(shè)防地震分析
在中震作用下剪力墻和框架柱受剪承載力滿足中震彈性的設(shè)防目標(biāo)，少數(shù)連梁、框架梁出現(xiàn)超筋，剪力墻和框架柱受彎承載力經(jīng)中震不屈服驗(yàn)算，滿足中震不屈服的設(shè)防目標(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí)，取中震計(jì)算結(jié)果和小震計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值。歷次震害表明，底部剪力墻在拉剪作用下會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的破壞。中震不屈服計(jì)算時(shí)，底層大部分墻肢處于受壓狀態(tài)，僅個(gè)別小墻肢產(chǎn)生了拉應(yīng)力，但處于受拉狀態(tài)的小墻肢的名義拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[2]的相關(guān)要求，對(duì)在中震受拉的核心筒剪力墻，按特一級(jí)墻肢采取抗震構(gòu)造措施。
6關(guān)鍵構(gòu)件分析
6.1關(guān)鍵構(gòu)件的性能目標(biāo)
（1）大凹口處樓層樓板性能目標(biāo)：小震下樓板混凝土主拉應(yīng)力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；中震下樓板混凝土主壓應(yīng)力及剪應(yīng)力不大于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。（2）裙房越層柱性能目標(biāo)：抗剪及抗彎均滿足中震彈性、大震彈性的要求。（3）宴會(huì)廳大跨度框架性能目標(biāo)：抗剪及抗彎均滿足中震彈性、大震彈性的要求。
6.2裙房越層柱
為滿足酒店大堂的大空間使用需求，裙房底部存在跨3層的通高越層柱（見(jiàn)圖4），為保證結(jié)構(gòu)的安全，選取1.0恒載（含結(jié)構(gòu)自重）+1.0活載的工況對(duì)上述部位進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對(duì)于越層柱，需借助屈曲分析確定其計(jì)算長(zhǎng)度，保證整體模型計(jì)算時(shí)承載力及穩(wěn)定性驗(yàn)算的準(zhǔn)確性。采用SAP2000軟件進(jìn)行線性屈曲分析，構(gòu)件臨界屈曲荷載=初始工況內(nèi)力×屈曲因子。裙房越層柱1、越層柱3在結(jié)構(gòu)第4階出現(xiàn)屈曲，屈曲因子為39.44，屈曲模態(tài)見(jiàn)圖5。選取越層柱的第一次屈曲荷載作為驗(yàn)算計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的臨界荷載，所有越層柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)推導(dǎo)見(jiàn)表6。由計(jì)算結(jié)果可知，越層柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)均小于SATWE軟件計(jì)算時(shí)所取的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)（1.25），因此使用SATWE軟件計(jì)算越層柱能滿足結(jié)構(gòu)的受力要求，安全可靠。
7大震靜力彈塑性補(bǔ)充分析
振型分解法計(jì)算表明，結(jié)構(gòu)2個(gè)主軸方向的地震反應(yīng)主要由第一振型控制。采用PKPM軟件的PUSHOVER程序進(jìn)行罕遇地震的靜力彈塑性分析。X向、Y向的能力曲線見(jiàn)圖6、圖7，大震狀態(tài)時(shí)單體建筑的抗倒塌驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表7。從抗倒塌驗(yàn)算結(jié)果來(lái)看，在預(yù)估的大震作用下，彈塑性層間位移角遠(yuǎn)小于《抗規(guī)》[3]限值（1/100），且隨樓層較為均勻分布，說(shuō)明本單體在大震作用下，具有良好的變形性能，能夠滿足“大震不倒”的設(shè)防要求；越層柱未出現(xiàn)塑性變形，始終保持彈性，剛度基本無(wú)退化；塑性鉸位置主要出現(xiàn)在梁端，無(wú)柱端出現(xiàn)塑性鉸的現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的目標(biāo)。
8針對(duì)超限采取的措施
（1）對(duì)于塔樓結(jié)構(gòu)在裙房頂?shù)氖者M(jìn)部位對(duì)應(yīng)的相鄰上下各2層的核心筒剪力墻，采用約束邊緣構(gòu)件，抗震等級(jí)提高至二級(jí)，箍筋全高加密，縱筋配筋率相比計(jì)算值提高15%。（2）對(duì)于大凹口處的樓板，采用PMSAP軟件進(jìn)行小震、中震下的樓板有限元分析，增加樓板厚度至150mm，并采用雙層雙向配筋且配筋率不小于0.25%，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)采用中震下主拉應(yīng)力計(jì)算值進(jìn)行樓板配筋。（3）對(duì)于塔樓結(jié)構(gòu)在裙房頂板對(duì)應(yīng)的相鄰上下各2層框架柱，抗震等級(jí)提高至二級(jí)，箍筋全高加密，縱筋配筋率相比計(jì)算值提高15%；裙房越層柱按實(shí)際計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)行有限元細(xì)化分析，抗震等級(jí)提高至一級(jí)，箍筋全高加密，縱筋配筋率相比計(jì)算值提高15%。（4）對(duì)于在中震出現(xiàn)小偏心受拉的底層核心筒剪力墻，將抗震等級(jí)提高至特一級(jí)，并適當(dāng)提高水平和分布筋的最小配筋率。（5）對(duì)于宴會(huì)廳處的大跨度框架，采用型鋼混凝土梁、柱，并將框架的抗震等級(jí)提高至一級(jí)；對(duì)該處的大跨度樓板，采用組合樓板，板厚加至150mm，并采用雙層雙向配筋且配筋率≥0.40%。
9結(jié)語(yǔ)
（1）PKPM和YJK兩種軟件計(jì)算分析的結(jié)果表明，在小震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性工作狀態(tài)，可保證“小震不壞”。（2）中震計(jì)算表明，框架柱、剪力墻未出現(xiàn)受壓損傷，結(jié)構(gòu)的主要豎向構(gòu)件遠(yuǎn)未達(dá)到其承載能力極限，僅在耗能構(gòu)件上出現(xiàn)局部破壞，通過(guò)執(zhí)行有關(guān)構(gòu)造措施可使其破壞程度得到有效控制，保證“中震可修”。（3）通過(guò)大震靜力彈塑性分析，結(jié)構(gòu)整體和抗側(cè)力構(gòu)件的最大彈塑性變形值都小于規(guī)范規(guī)定的最大彈塑性變形限值，結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能滿足防倒塌的設(shè)計(jì)目標(biāo)；結(jié)構(gòu)整體和主要抗側(cè)力構(gòu)件仍具有足夠的強(qiáng)度和變形能力，可保證“大震不倒”。綜上，所有指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的抗震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可行且安全。
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作者:劉文彬 單位:上海綠地建設(shè)設(shè)計(jì)研究院有限公司