泰安道四号院酒店超限高层结构设计

□文/曹学军 韩 宁 何率真 李 雪

1 工程概况

泰安道四号院工程由超五星级酒店和高档公寓组成，总建筑面积地上68 300 m2，其中酒店部分43 500 m2，公寓部分 24 800 m2；地下 30 000 m2，见图 1。

图1 泰安道四号院

酒店地下2层，地上主体10层，结构主体高41.7 m，长93 m，宽83.2 m，平面形状为凹字型，主要柱网尺寸为9.6 m×9.6 m及9.6 m×7.6 m。首层共享大厅局部抽柱空间柱距为15.0 m×19.2 m，裙房顶层为21.6 m×55.7 m的无柱大空间，由于存在多项不规则，为抗震超限高层。

设计使用年限为50 a，基本风压0.50 kN/m2，地面粗糙度C类，基本雪压S0=0.40 kN/m2。建筑结构安全等级为二级，桩基及地基基础设计等级为乙级，建筑抗震设防类别为丙类，相关抗震设计参数见表1。

表1 抗震设计参数

2 结构选型及结构方案

2.1 结构及基础方案

酒店主体采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，在凹字形凹角部位以及伸出的双翼端部和中间部位设置了剪力墙。中间共享大厅抽柱大柱网部位在2层利用设备管道层作为局部转换，盔顶层边角柱采用折柱，顶部4个角楼以及中部的主塔楼下部大部分采用梁托柱转换。上述特殊部位的结构布置既保证了结构受力合理安全，又最大限度营造了丰富的建筑内部空间。

基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，两端酒店及公寓的桩基布置方式为柱下独立承台及剪力墙下条形或局部桩筏，中间内庭院下纯地下室柱下布置抗拔桩，承台间布置基础连系梁连接，通过桩长、桩数以及后浇带减少不均匀沉降。

2.2 结构布置及主要构件尺寸

1）结构布置见图2和图3。

图2 首层结构平面

图3 标准层结构平面

2）主要构件尺寸见表2。

表2 主要构件尺寸及材料

续表2

3 抗震超限及其他技术问题

3.1 抗震超限情况

1）主体平面为凹字型，两翼外伸长度与相应宽度比值为4.2＞2，突出部分长度与相应总长度之比为0.7＞0.35，超过GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》表4.4.3-1及JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》表4.3.3的限值，属凹凸不规则。

2）X+5%偶然偏心多层位移比接近1.3，X-5%偶然偏心多层位移比接近1.4，最大为第12层1.45，大于该楼层两端弹性水平位移平均值1.2倍，属扭转不规则。

3）3层为局部错层，错层高差约为1.0 m，错层面积大于该层总面积的30%，楼板局部不连续。

4）地上2层、7～9层的侧向刚度小于相邻上一层70%及其上相邻3个楼层侧向刚度平均值80%的较小值，为软弱层；属侧向刚度不规则。

3.2 其他技术问题

1）主入口2层有局部梁托柱的转换。有2根框架柱不能落地，局部竖向抗侧力构件不连续。

2）盔顶层层高大，边缘的框架柱随其坡度向内收进，主体外轮廓需要布置大量斜梁和折柱。

3）顶部四角塔楼及中部主塔楼的大部分竖向承重构件从相对应的屋面开始，不能从下向上贯通。

4 结构分析计算

4.1 计算模型

梁柱采用空间杆单元，剪力墙和楼板采用壳单元，刚性楼板模型采用楼板平面内刚度无限大假定。计算中考虑偶然偏心的影响并考虑双向地震作用。

4.2 计算软件及结构分析主要内容

采用SATWE、PMSAP空间有限元分析软件进行整体计算。各程序计算内容见表3。

表3 有限元分析计算内容

5 主要计算结果

采用SATWE程序计算分析，地下1层与首层剪切刚度比值，X方向为3.55，Y方向为2.34。整体计算取地下1层顶板作为上部结构的嵌固部位。

采用不同的计算程序进行了整体计算，经比较分析主要计算结果差别不大，可以作为评价结构性能的依据。计算结果见表4和表5。

表4 结构分析结果1

表5 结构分析结果2

6 弹性时程分析

鉴于本工程的不规则性，采用弹性时程分析进行补充计算。

选取两组实际地震记录 (TDTA-X1W、TDTA-X2W)和一组人工模拟的加速度时程曲线（RTA-63%）进行弹性时程分析，两组实际地震记录的峰值加速度修正值取55 cm/s2，人工模拟时程曲线的加速度为55 cm/s2，场地特征周期采用0.6 s，计算时间步长取0.02 s。地震波采用双向输入（1.00∶0.85），弹性时程分析选用地震波及计算结果见表6。

表6 弹性时程分析结果

由表6可知，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值均不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》对于单条波的选用要求。

比较振型分解反应谱法与弹性时程分析的结果，当地震力沿X方向作用时，用弹性时程分析方法计算的各楼层剪力和基底剪力的包络值均小于振型分解反应谱法的计算结果。当地震力沿Y方向作用时，用弹性时程分析方法计算所得的5层以上剪力包络值大于振型分解反应谱法的计算结果，见表7，5层及以下各楼层剪力包络值均小于振型分解反应谱法的计算结果。经分析计算结果，各楼层位移及剪力沿竖向分布较均匀，无明显突变。对于6层及以上楼层剪力作相应放大调整。

表7 弹性时程法包络值与振型分解反应谱法局部对应楼层剪力的比较

7 结构分析及结论

采用SATWE、PMSAP空间有限元两个软件进行了整体结构分析，经比较主要计算结果数值相近。结构在多遇地震下的震动形态无异常，承载力及刚度无突变，扭转周期比、剪重比、层间位移角、扭转位移比等各项指标均满足规范要求，目前的结构方案是可行的。

8 设计采取的措施

采用两个程序进行整体结构的计算分析比较，补充了弹性时程分析。对于超限及其他技术问题采取了对应的措施。

1）对于凹凸不规则，在伸出的两翼端部及中间部位均设置了落地的剪力墙，增加此部位的抗扭刚度并提高其抗震等级。为解决地震时外伸段凹角处应力集中易使楼板开裂、破坏的问题，设计时采用加大楼板厚度，增加板内配筋，配置45°斜向钢筋等方法进行构造加强；结构分析时将该部位定义为弹性楼板进行计算。

2）对于扭转不规则，整体计算中考虑偶然偏心及双向地震作用，加大周边关键部位墙、柱配筋率，提高承载力。

3）2层、7～9层为软弱层，在整体分析时对软弱层的地震剪力乘以1.15的增大系数，对薄弱部位抗侧力构件的抗震等级均由原抗震等级再提高一级，提高抗侧力构件的纵向配筋率和箍筋的体积配箍率，加强竖向抗侧力构件承载能力和变形能力。

4）对于错层问题，结构分析时将该部位定义为弹性楼板进行计算，对于局部错层处框架柱采取井字复合箍筋全高加密、设置芯柱等构造措施提高混凝土柱的延性，将轴压比控制在0.75。

5）对于局部转换问题，计算时将托柱的梁和框支柱抗震等级提高到二级并在程序计算中将其定义为转换构件，按照规范要求进行内力调整，构造上按框支梁、框支柱构造，四周楼板加厚到180mm，楼板双层双向配筋并适当提高配筋。

6）盔顶按照实际情况输入计算模型，为避免刚度突变，保留了边角部位剪力墙，其顶标高随盔顶变化。在计算结果的基础上，提高了边柱的配筋并重点加强了转折部位的构造。

7）顶部四角塔楼及中部主塔楼周边柱既有下部贯通柱又有楼面梁托柱，设计时其截面尺寸相差较大，以下部贯通柱作为主要的抗侧力构件，加强配筋与构造，其余的柱作为主要的竖向承重构件，考虑承担部分水平力，主要加强其下部的框架梁柱。在塔楼的周边设置了钢筋混凝土斜撑，以减小其层间位移，达到了较好效果。