（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092）
【摘 要】上海川沙酒店主楼地下2层，地上22层，建筑高度84米，采用框架-剪力墙结构体系。其建筑结构平面、立面均不规则，属于抗震超限建筑中的“特别不规则的高层建筑”。本文详细介绍了该结构的超限情况及采取的主要措施、抗震性能设计、振型分解反应谱分析、弹性时程分析、静力弹塑性分析、弹性楼板应力分析等抗震分析过程。分析结果表明，该结构各项计算指标均达到抗震性能设计目标的要求，具有较好的抗震性能。
【关键词】超限高层建筑； 时程分析；Pushover分析；抗震性能
Structural Seismic Design of Shanghai Chuansha Hotel
Li Li-wu
【Abstract】The total height of the main building of Shanghai Chuansha hotel is 84 meters with 2 underground floors and 22 floors above ground. According to the relative seismic specifications, the main building is an ultra-limit high-rise building with its complex plane and elevation features. This paper introduces the design of the seismic performances of the frame-shear structure system of the mail building. Elastic analysis and dynamic time history analysis under frequently met earthquakes and elasto-plastic analysis (Pushover) under rare met earthquakes have been carried out by using of the software SATWE and MIDAS, respectively. Elastic stress of floors has also been analyzed to ensure the structure performance. The results showed that all the calculation indexes of the project were in accordance with the requirements of the specification, and the predetermined seismic performance targets were met.
【Keywords】Ultra-limit high-rise building; Dynamic time history analysis; Pushover analysis; Seismic performance
【中图分类号】TU352 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）04-0054-05
1.工程概况
川沙酒店位于上海市浦东新区川沙镇C-04-20地块，北靠华川西路，东邻川沙路。建筑主要功能为五星级酒店，地上建筑面积41190平方米，地下建筑面积23879平方米。本工程由酒店主楼和宴会厅组成，其中酒店主楼位于基地北侧，平面呈不规则的形态，平面最大尺寸约112×88米，地上22层（裙房2层），建筑高度83.4米，属A级高度建筑；宴会厅位于基地南侧，建筑高度12.6米，为相对独立的地上单层建筑，通过连廊与主楼裙房联系。地下一层为酒店配套、厨房、库房等功能用房，地下二层为车库及设备用房。酒店主楼的裙房与宴会厅的连廊之间在地上设置抗震缝相互分开，两层地下室连成一体。图1所示为建筑效果图。
酒店主体结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙体系，剪力墙主要布置于主楼建筑平面折角区的竖向交通筒及远离核心筒的端部，其他区域为钢筋混凝土框架。基础顶~九层楼板面的剪力墙、连梁及框架柱采用C60混凝土，九层~十六层楼板面剪力墙、连梁及框架柱采用C50混凝土，十六层楼板面~屋面剪力墙、连梁及框架柱采用C40混凝土，三层以下梁、板、地下室外墙、基础以及纯地下室的框架柱、梁、板采用C35混凝土，其他构件采用C30混凝土。取地下一层为上部结构嵌固层。
图2所示为酒店主楼二层结构平面布置图，图 3为结构三维计算模型图。
本工程结构的设计基准期为50年，设计使用年限50年，结构安全等级二级，结构重要性系数1.0。抗震设防类别为标准设防类（丙类），抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g。建筑场地类别为IV类，场地土特征周期为0.9s。地面运动峰值加速度为35cm/s2（小震），101cm/s2（中震）和220cm/s2（大震）。地面粗糙度为B类，50年重现期基本风压ω0=0.55kN/m2。由于主楼高度大于60米，承载力计算时风荷载按基本风压的1.1倍采用，舒适度验算时取10年一遇基本风压为0.4kN/m2。
拟建场区属于长江三角洲口东南前缘滨海平原类型地貌，地基土均属于第四纪松散沉积层，为不液化场地。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[1]，本工程地基基础设计等级为甲级，基础设计安全等级为二级。
酒店结构采用钻孔灌注桩+独立桩承台+平板式筏板基础，主楼区域主要采用φ800承压桩，以⑦-2-2灰色粉砂层为持力层，单桩抗压承载力设计值3650kN；裙房区域采用φ600钻孔灌注桩，以⑤-3-3灰色砂质粉土夹粉质粘土层为持力层，单桩抗压承载力设计值1100kN。由于场地年平均高水位0.5m，低水位为1.5m，地下室底面标高-9.90米，导致无主楼的地下室区域不能满足抗浮要求，故无主楼的地下室区域φ600钻孔灌注桩为抗拔桩，单桩抗拔承载力设计值900kN。
由于酒店主楼（含裙房）同时存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、尺寸突变以及局部的穿层柱等不规则情况，超限程度较严重，且平面、立面不规则，属于抗震超限建筑中的“特别不规则的高层建筑”。
本工程主楼与裙房高度相差悬殊，除设置后浇带等处理措施外，还用PKPM系列软件JCCAD进行基础沉降计算，并采用有限元方法计算筏板沉降，结果均满足规范要求。
2.结构体系要点
2.1 嵌固层判别
建立仅包含地下室相关范围（包含裙房的地上结构周边外延不大于20m，同时也满足上海市《建筑抗震设计规程》(DGJ08-9-2003)[3]规定的“地下室相关范围”为地下室层高的2倍左右的要求。）的结构分析模型，计算所得地下一层与首层X、Y方向等效剪切刚度比分别达到2.2和2.5，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[2]规定的地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2的要求。因此可将地下室顶板作为上部结构的嵌固端。
2.2 楼板厚度
地下室顶板（嵌固层）厚度在室内区域取为200mm，在室外覆土区域为250mm。主楼二层（楼板缺失层）、设备层（裙房屋面，即穿层柱顶部楼层）、十九层（立面收进起始楼层）的楼板厚度为130～150mm，其余层楼板厚120~130mm。
2.3 裙房底部跃层柱
根据建筑功能要求，裙房在二层（5.5米）大堂上空的楼板局部缺失，形成了少量穿层柱，考虑到此区域框架柱主要支撑裙房屋面，因此将跃层柱抗震等级提高一级至一级框架。并按照实际情况调整其计算长度系数。
2.4 设备层
根据建筑功能要求，主楼二层顶设置设备层，层高2.15m，刚度较大，二层层高4.85m(大于相邻设备层高的1.5倍)，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）3.5.2条[4]，此层经层高修正后的楼层侧向刚度比见表1，不属于软弱层。此层抗剪承载力之比为0.88，不属于薄弱层。对由此形成的短柱问题，通过适当减小三层(设备层顶)梁高控制其剪跨比不小于1.5，轴压比限值降低0.05，同时沿柱全高加密加强配箍，并按《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录H加设斜筋[5]。
2.5 主楼框架-剪力墙剪力调整
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）[2]，由于结构框架柱的数量沿竖向有规律分段变化，故将主楼按裙房以下(含裙房)和裙房以上分两段进行框架总剪力调整。各层框架所承担的地震总剪力做相应调整后，按调整前、后总剪力的比值调整每根框架柱及与之相连框架梁的剪力和端部弯矩标准值。
2.6 风振舒适度控制
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010）3.7.6[2]对主楼进行风振舒适度验算。计算所得10年一遇的风荷载标准值作用下，结构顶点的X向顺风向、横风向最大加速度值分别为0.043m/s2和0.030m/s2，Y向顺风向、横风向最大加速度值分别为0.063m/s2和0.042m/s2，均满足不超过0.25m/s2的要求。
2.7 建筑物超长及不均匀沉降
通过在适当位置设置后浇带并加强施工养护以解决混凝土的前期收缩问题。针对混凝土的后期温差所引起的伸缩，采用加强超长方向的梁、板的配筋以及屋顶加强保温措施来加以解决；
在主楼与主楼外的地下室之间设置沉降后浇带，待塔楼结构封顶及隔墙砌筑完毕后再闭合后浇带，用于调节二者之间的不均匀沉降，同时解决由于建筑物超长而引起的混凝土前期收缩。
3.结构超限情况及抗震性能目标
3.1 结构超限情况
由于本工程的酒店主楼及裙房存在以下抗震不规则及超限情况，根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（2010年7月）[4]，判定本结构属于超限高层。
（1）扭转不规则。2层Y向地震作用下考虑偶然偏心的扭转位移比1.29，大于1.2 。
（2）偏心布置。2层X向偏心率0.16，大于0.15。
（3）楼板不连续。2层楼板开洞有效宽度超限，1层错层大于梁高。
（4）尺寸突变。19层立面收进34.8%，大于25%。
（5）其它不规则。裙房1~2层存在穿层柱。
3.2 针对超限情况采取的结构措施
针对上述超限情况，结构设计时采用的概念设计与相应措施如下：
（1）结合建筑功能要求，尽量保证电梯厅墙体刚度，避免设备在墙体开洞造成刚度削弱，同时调整相应的墙体及框架抗侧力结构布置，控制大部分楼层的扭转位移比不大于1.2，结构扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期比小于0.8，尽量使得各层刚心和质心重合或靠近，减少扭转的不利影响。
（2）对开洞区域楼板、开洞楼层相邻的上下楼板以及竖向体型突变部位的楼板进行加强，楼板厚度150mm，同时对楼板采用双层双向配筋，
（3）对立面收进部位上、下2层主楼周边框架柱的抗震等级提高一级，并对楼板进行地震作用下的应力分析，确保楼板在设防烈度地震作用下处于弹性状态，在罕遇地震作用下不发生剪切破坏。
（4）对底层错层柱及裙房穿层柱，将其抗震等级提高一级并严格控制轴压比。
（5）楼板面高差超过主要框架梁梁高时，对框架梁在有高差处采取加腋措施；
（6）采用两种符合实际情况的空间分析程序SATWE和PMSAP进行计算比较分析，并采用时程分析法作为补充，与振型分解反应谱法进行包络设计。
3.3 抗震性能目标
结构抗震性能目标需要综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难以程度等各项因素选定，相应的构件抗震性能目标和结构的抗震性能水准相对应。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010[2]的规定，本项目结构抗震性能目标等级定为D级，即在多遇地震作用下，结构达到性能水准1要求，在设防烈度地震作用下，结构达到性能水准4要求，在预估的罕遇地震作用下，结构达到性能水准5要求。表2所示为构件抗震性能目标要求。
由表3可见，两种不同软件计算的周期和振型结果基本一致，第一阶模态为X向平动，第二阶模态为Y向平动，第三阶模态为扭转振型，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期比为0.75<0.85，说明结构具有较好的抗扭刚度。振型参与质量均大于总质量的90％。结构前三阶振型如图4所示：
4.2 多遇地震下的弹性时程分析
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[5]，对平面布置不规则的建筑应采用时程分析方法进行多遇地震下的补充计算。本文采用SATWE软件分层建立模型，将各楼层的质量集中于楼层处，形成弹性多质点体系，然后输入地震波（数字化地震地面运动加速度）进行多遇地震下的弹性时程分析。
依据（1）地震波对应的反应谱与目标反应谱的特征周期误差不超过±20%；（2）在结构第1自振周期处，地震波的谱值与目标谱值误差不超过20%的地震波选择原则，本工程采用了2条天然波（TH1TG090、TH2TG090）和1条人工波（RH3TG090）进行弹性时程分析。图8为所选择的地震波时程曲线。
将弹性时程分析得到的底部剪力与反应谱分析所得到的底部剪力进行比较（如表4所示），从中可以看出：三条地震波时程输入的计算结果与反应谱分析的结果相差不大。在X、Y方向上，每条地震波输入计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法（CQC法）的65%，3条地震波时程输入计算所得结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法的80%，表明地震波的选择满足规范要求。由于CQC法的结构地震效应大于三条地震波对应的结构地震效应的平均值，因此可以采用CQC法所得结构地震作用效应进行结构设计计算。
4.3 静力弹塑性分析
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010规定[2]，“复杂高层建筑（超限高层）结构宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性层间位移角”。本工程采用PUSH程序对结构进行静力弹塑性分析（Pushover），计算出结构的性能点，由结构的性能点，可得相应结构的顶点位移，计算层间位移角，以评估结构在罕遇地震作用下的抗倒塌能力、薄弱层弹塑性变形、塑性铰形成规律、各构件在地震作用全过程中各时刻的内力、变形状态等抗震性能是否满足“大震不倒”的设防目标。
分析结果显示，在X向罕遇地震作用下，酒店主楼需求层间位移角为1/182，在Y向罕遇地震作用下，需求层间位移角为1/185，均小于1/100，满足规范要求。结构两个方向的延性比均较大，说明结构在屈服之后具有足够的变形能力，能够较好的发挥耗能能力。
从X向、Y向大震作用下杆端塑性铰及构件裂缝分布发展过程可以看出，最先零星出现的杆端塑性铰未发生在提高抗震性能目标的关键结构构件上。破坏的大致过程先是连梁出现裂缝，然后框架梁的杆端塑性铰不断增多并伴随着连梁出现剪切破坏，到达性能点附近时，局部剪力墙发生破坏，框架梁的杆端塑性铰大量出现，极少数塑性铰出现在柱端。
从以上发展过程看，结构具有足够的塑性变形能力和内力重分布能力，结构构件的破坏顺序满足设计的预定目标，结构体系具有多道抗震防线，无明显薄弱层，同时考虑到关键构件按中震不屈服和小震弹性的包络设计配筋，故可以认为，在罕遇地震下，整体结构未严重破坏，承载力达到极限值后能基本维持稳定，完全满足规范要求。
4.4 弹性楼板应力分析
楼板作为水平抗侧力构件,在承受和传递竖向力的同时,把水平力传递和分配给竖向抗侧力构件,协调同一楼层中竖向构件的变形,使建筑物形成一个完整的抗侧力体系[6]。由于本工程存在大开洞楼板，不再符合刚性楼板假定，必须采用弹性楼板模型，进行地震作用下弹性楼板有限元分析判定楼板能否保证传递和分配水平力的功能，以保证“中震弹性、大震不破坏”。
计算表明：在多遇地震（小震）作用下，小震主拉应力标准值小于混凝土抗拉强度标准值，楼板完好无损；在设防地震作用下楼板局部位置应力超过混凝土抗拉强度标准值，出现细微裂缝。但通过加强配筋，使得楼板抗拉强度设计值大于中震主拉应力设计值；在大震作用下，通过加强配筋，使得楼板不破坏。
5.结论
上海川沙酒店属于抗震超限建筑中的“特别不规则的高层建筑”。通过结构抗震性能设计，设定了与建筑物本身相匹配的较为合理的性能目标，对结构薄弱处采取了相应的加强措施。本文的计算分析表明：
（1）通过两个不同软件针对三个不同水准的地震响应分析，显示结构具有适当的刚度，能够实现“小震不坏、中震可修、大震不倒、控制变形”的抗震设防目标。
（2）弹性时程分析表明结构的反应特征、变化规律与振型分解反应谱法分析基本一致。
（3）静力弹塑性pushover分析结果表明在罕遇地震作用下，可较好的控制塑性铰的出现位置和顺序，具有良好的延性耗能性能。
（4）楼板弹性应力分析结果显示关键部位楼板满足中震弹性、大震不破坏的要求。
（5）针对结构超限所采取的加强措施能够有效减少由于体型不规则等带来的不利影响，结构具有良好的抗震性能。设计能达到预定的抗震性能目标。
参考文献
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50007-2011.建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[2]中华人民共和国建设部.JGJ 3-2010.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.
[3]上海市《建筑抗震设计规程》(DGJ08-9-2003).
[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S].2010.
[5]中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[6]扶长生,刘春明,李永双.高层建筑薄弱连接混凝土楼板应力分析及抗震设计[J].建筑结构.2008(3):106-110.
论文作者:李立武
论文发表刊物:《建筑知识》2017年4期
论文发表时间:2017/6/16
标签：结构论文; 楼板论文; 主楼论文; 塑性论文; 性能论文; 框架论文; 建筑论文; 《建筑知识》2017年4期论文;