摘要：本文结合某高层酒店的地基基础、上部结构等的特殊情况，采用了框架—核心筒结构，介绍了相应的结构计算分析方法及构造处理措施，结果表明结构整体指标及地基基础的计算均能满足规范的各项要求，达到设定的抗震性能目标，为类似工程的设计提供参考。
关键词：高层酒店；结构；抗震设计
1.工程概况
某酒店项目建筑面积11.75万㎡，塔楼从室外地面至主楼面高度137.65m，地上29层，地下4层，采用框架-核心筒结构。主楼主要功能为办公及酒店客房，裙房为酒店配套设施，地下部分包括酒店后勤管理用房、设备用房、汽车库。本工程在设计考虑的环境类别的结构设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级。
2.基础工程设计
2.1 工程地质参数
项目场地绝对高程为501.94～503.71m，地貌单元为成都平原岷江Ⅰ级阶地。在勘察钻探揭露深度内，地层由第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）和白垩系上白垩统灌口组泥岩（K2g）组成。地下水为孔隙型潜水，根据区域水文资料，最高水位埋深3.00m。场地地质构造稳定，无不良地质作用，适宜建筑。
2.2 桩基及基础底板设计
（1）本工程有四层地下室，基坑开挖深度24米，基础选用人工挖孔扩底桩方案，桩基持力层选用微风化泥岩层。
（2）塔楼采用Ф1600mm人工挖孔桩，扩大头直径为Ф4000mm，初步计算单桩承载力特征值约为22000KN；桩混凝土强度等级为C35。
（3）核心筒下筏板厚度3.5m，其余部位筏板厚度2.5m。
3.上部结构设计
3.1 主要设计参数
本工程结构的设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，结构重要性系数取 1.0。抗震设防类别为标准设防类（丙类）；地震设防烈度为7 度，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第三组（设计地震加速度为 0.l2g）。采用的主要地震参数如表1所示。
表1 采用的主要地震参数
3.2 结构形式及主要构件尺寸
塔楼从室外地面至主屋面之高度约137.65m，地上29层，地下4层，基础埋深约25.0。在地面以上塔楼与裙楼之间设抗震缝分开。
塔楼平面布置规则，塔楼之底部平面尺寸最大位置处约为34.5m ×47.9m，核心筒尺寸约为9.3m ×21.3m。外框架柱间距为14.2m ～ 3.7m，采用混凝土框架—核心筒结构体系。核心筒与框架柱的间距约11.77m~8.92mm，核心筒为上下连续贯通。
3.2.1 抗震等级
酒店抗震设防类别为标准设防类（丙类），按设防烈度 7 度确定抗震构造措施。地下二层及以上抗震等级均为一级，地下二层以下抗震等级为二级。塔楼范围外地下室不设缝，沿塔楼四周向外延伸2~3跨采用与塔楼相同的抗震等级。
3.2.2 混凝土强度等级采用
地下室底板：C40；
墙、柱、连梁：13F楼面以下C60，13F楼面至23F楼面 C50，23F楼面以上 C40
梁、板：12F及以下C40，13F楼面以上C35
3.2.3 主要构件尺寸（表2）
表2
梁：连接核心筒与柱的框架梁：700X1000，600X950
外围框架梁：500X1000，600X1000
板：大部分板厚150mm，局部范围板厚200mm，220mm。
3.2.3 标准层结构平面布置图
标准层结构平面布置图
3.3 结构超限类别及程度判断
该项目主楼 框架-核芯筒结构137.65米，属于B级高层建筑，高度超限。不规则情况如表3所示，
超限情况如表4所示。
表3 不规则情况分析
表4 超限情况汇
3.4 抗震性能目标设定
3.4.1多遇地震下的结构弹性状态
（1）多遇地震作用及 100 年一遇风荷载作用下最大层间位移按1/800控制，
（2）构件设计满足弹性要求。
3.4.2 中震下结构的控制
（1）L1~L7层剪力墙及框架柱在中震下保持弹性，确保柱及墙肢满足中震弹性下的偏压、偏拉、抗剪承载力。
（2）L8层以上竖向构件按中震不屈服控制。
（3）在保证竖向构件安全的前提下，耗能构件连梁首先屈服，采取措施使其仅出现抗弯屈服而不发生剪切破坏。
3.4.3 大震下结构的控制
（1）结构动力弹塑性层间位移角按1/100控制。
（2）楼层梁端允许出现塑性铰，拉区钢筋屈服但未进入强化阶段，压区混凝土应变小于极限压应变；
（3）主要抗侧力构件的节点未出现明显开裂且应力未达到屈服状态。
（4）L1~L7层核芯筒剪力墙及框架柱允许开裂，但开裂处钢筋不屈服，大震标准组合下的剪力不大于剪力墙截面控制条件V≤0.15βcfckbho
3.5 抗震设计的计算及分析论证
3.5.1 嵌固分析
取首层为上部结构嵌固端，地下室结构的楼层侧向刚度与首层侧向刚度比大于2，满足作为上部结构嵌固的条件。
3.5.2 计算软件和计算模型
（1）结构计算程序采用SATWE及ETABS二种程序分别进行整体计算比较。
（2）多遇地震下的结构弹性动力时程分析计算采用SATWE程序，选用3条人工波进行分析，加速度峰值为42.0cm/s2。
（3）关键部位的中震验算计算采用SATWE程序
（4）动力弹塑性分析采用EPDA程序，进行动力弹塑性分析，主要了解塔楼结构在罕遇地震作用下的弹塑性能，确定结构的薄弱层及进行薄弱层验算，通过对计算结果进行研究，得出结构在罕遇地震作用下的抗倒塌能力。
3.5.3 动力特性分析
结构设计的动力反应谱分析运用《安评报告》中的地震影响曲线图进行，采用的主要参数：地震影响系数最大值：多遇地震下采用0.1008，场地特征周期为0.45s，设防烈度地震下采用0.29，场地特征周期为0.45s。模型分析主要结果汇总：
（1）第一周期3.5387s，第二周期3.0435s以平动为主，第三周期2.5223s以扭转为主。第一扭转周期与第一平动周期比小于0.85，满足规范要求。
（2）塔楼的有效质量系数均大于90%，满足规范要求。
（3）最大位移角为1/852，满足规范要求。
（4）最大位移比1.31发生在结构第2层，该楼层的层间相对位移为0.99mm，绝对值很小。
（5）所有楼层抗剪承载力均满足规范要求，轴压比满足要求。
（6）结构5至6层因层高变化引起刚度突变，通过分析，位移值很小，层间位移角亦无突变，不列为超限项。
（7）结构2层楼板开洞，采用ETABS进行楼板平面内的应力分析，二层楼板拉应力峰值为0.95N/mm2，小于砼抗拉设计强度。
3.5.4 剪重比分析（SATWE）
楼层剪重比（非刚性楼板+双向地震）详见表5。
表5 楼层剪重比
注：《高规》3.3.13条提及的7度楼层最小地震剪力系数为对应设计基本地震加速度为0.1g及0.15g的地区，根据《安评报告》，本场地对应的设计基本加速度为0.12g，线性插值求得对应的楼层最小地震剪力系数为：2.016%（T≤3.5s）；1.512%（T>5.0s）。
剪重比按规范限值设计，对1～2层楼层剪重比小于规范限值的，设计时相应放大该层地震剪力。
3.5.5 关键构件和部位的分析
（1）在中震弹性下底部加强区剪力墙按SATWE计算边缘构件的配筋量大部分未显示超筋，满足规范要求，对 SATWE计算显示超筋的剪力墙，根据《高规》7.2.9和7.2.12、《钢骨混凝土结构技术规程》6.4.9-6.4.13进行计算复核，满足规范要求。
（2）根据程序验算，框架柱中震偏心受力、抗剪承载力，截面均能满足规范要求。L8层及以上剪力墙中震偏心受力、抗剪承载力，截面均能满足规范要求。核心筒连梁在4~27层抗弯屈服。
4 超限设计的措施及对策
4.1 针对性抗震措施
4.1.1 针对高度超A级，严格按规范要求采取抗震构造：
（1）酒店高度137.65m，超A级高度（130米）7.65米，约5.9%。
（2）底部L1~L7层剪力墙及框架柱按中震弹性设计，L8层及以上剪力墙及框架柱按中震不屈服设计。
（3）严格按规范要求控制轴压比：剪力墙轴压比控制<0.50，混凝土框架柱考虑全段箍筋加密等措施，轴压比控制<0.80。
（4）底部加强区核心筒剪力墙外墙配筋率：约束边缘构件：1.8%，水平及竖向分布筋0.6%。
（5）设置约束边缘构件的范围提高到7层（标高45.50m），配筋率按规范要求>1.2%。
（6）为保证结构形成双重抗侧力体系使整个结构有一定的安全储备，将各层框架柱的总剪力放大至底部总剪力的20%和1.5Vmax的较小值，各层框架总剪力调整后，柱子与梁的剪力和弯距均按层剪力调整前的比例相应放大。
4.1.2针对扭转不规则
（1）调整抗侧力构件布置，使之均匀对称，减少质心与刚心之间的偏心以减弱结构的扭转效应；
（2）最大扭转位移比1.31发生在结构第2层，该楼层的绝对位移值仅0.99mm，绝对值很小，扭转不规则的程度较轻。
4.2 从结构体系方面采取的加强措施
4.2.1 增加结构抗侧刚度、建立多道抗震防线
（1）在建筑允许的条件下尽量加高边框架梁（现阶段为1.0米高），使梁的弯曲变形较小，框架的整体剪切变形也有所减小，可极大的提高构件抗侧刚度中的弯曲刚度成份。
（2）保证外框架与核心筒二者间的梁高及楼盖刚度，不仅增大了结构的抗侧刚度，也提高了框架及核心筒的协同工作能力，核心筒是以弯曲变形为主的，外框架以剪切型变形为主，二者通过框架梁联系在一起共同抵抗水平荷载，其层间变形更加均匀，内力变化也趋于均匀。
（3）提供了多种传力途径，形成了由外框架、核心筒、连梁、现浇钢筋混凝土梁板结构楼盖等组成的多道传力路线。
4.2.2 改善混凝土核心筒的延性
（1）核心筒墙体中洞口的分布对墙体的抗震能力有极大的影响。总体上墙体中的洞口是对称的和有规则的，有明确的连梁和墙肢。对连梁等耗能构件，一般剪压比控制在0.2以下。
（2）在较厚墙体中布置多层钢筋，以使墙截面中剪应力均匀分布且减少混凝土的收缩裂缝。
4.2.3 结构嵌固端
（1）酒店嵌固端设在首层，楼板采用200厚现浇混凝土楼板，双层双向配筋，配筋率不小于为0.25%；
（2）地下室结构的侧向刚度与首层侧向刚度比大于2，满足作为上部结构嵌固的条件；
（3）对首层楼板开洞处应采用洞口边加梁，使楼板平面内刚度足够将塔楼的基底剪力传递至较大范围直至四周的连续墙，进而作用在地下室外围的土体中。
4.2.4 楼盖
塔楼采用现浇钢筋混凝土楼盖，连接竖向构件和起水平隔板作用，承受竖向荷载和水平荷载，维系整个结构，使结构具有良好的整体性，并保证水平传力的可靠性；
4.3 其它加强措施
（1）严格控制各项指标，塔楼在设计过程中严格按现行国家有关规范 B级高度钢筋混凝土高层建筑的要求进行，并从严控制。
（2）按规范要求用SATWE进行弹性时程分析补充计算，了解结构在地震时程下的响应过程，并借此寻找结构薄弱部位以进行针对性的结构加强。
（3）结构计算分析时考虑P-Δ效应、模拟施工加载对主体结构的影响。
（4）按现行规范考虑结构的扭转效应，使扭转周期与平动周期的比值、角部位移与质心（5）位移的比值等指标均控制在规范要求的范围内。
（6）有荷载很大的楼面梁作用在连梁上，根据《混凝土结构设计规范》将连梁按只有重力荷载作用的情况下按简支梁复核。
5 弹塑性计算分析（EPDA）
按《地震安评报告》提供的三条罕遇地震波USER1，USER2，USER3作为动力弹性时程分析的地震波，波峰值加速度取为223gal。大震塑性变形指标如表4所示。
表4 大震塑性变形指标
根据大震的分析结果，酒店的大震抗震性能评价如下：
（1）在选取的三条大震水平地震记录、双向作用弹塑性时程分析下，结构顶点最大位移784.4mm，最大层间位移角为1/139，满足规范限值1/100的要求。
（2）三条地震波X主方向输入大震弹塑性分析表明：最大层间位移角出现在第10层，最大层间位移角为1/174；Y主方向输入大震弹塑性分析时，最大层间位移角出现在第15-16层，最大层间位移角为1/139。
（3）结构底部剪力墙在整个大震弹塑性分析中，出现少量塑性应变，底部剪力墙破坏较轻。
（4）框架柱内钢筋在整个分析过程中均未产生塑性应变，处于弹性状态。
（5）在大震下，大部分连梁内钢筋屈服，混凝土开裂。连梁破坏区域集中于梁端、与剪力墙相连部位，说明在罕遇地震作用下，连梁形成了铰机制，发挥了屈服耗能的抗震作用。
（6）从有害位移角曲线看，结构底部5至7层层高突变引起变形过大，出现薄弱层；结构顶部有三层局部收进，出现薄弱层结构，需采取必要的加强措施，如底部加强区核心筒四角加型钢，提高构件配筋率等增加结构的延性。
（7）计算过程显示，结构能够满足规范的“大震不倒”要求。通过对结构进行的7°罕遇地震，两个方向输入的动力弹塑性计算分析，结果表明，结构能够承受罕遇地震作用，有较充足的富余。
6 结束语
综上所述，本工程塔楼通过用SATWE及ETABS二种程序计算：结果相差不大，结构动力特性基本吻合，分别计算的周期、层间位移角及位移比值接近，各类指标均在合理范围内，且满足现行规范的要求，说明计算所选程序合适，计算结果可靠，结构方案可行。
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论文作者:孟庆玉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/18
标签：结构论文; 位移论文; 塑性论文; 塔楼论文; 框架论文; 构件论文; 剪力论文; 《基层建设》2018年第31期论文;