辽宁某酒店超限高层抗震设计

石异　束伟农　杨洁　王春华　张然

(北京市建筑设计研究院有限公司　北京　100045)



辽宁某酒店超限高层抗震设计

石异束伟农杨洁王春华张然

(北京市建筑设计研究院有限公司北京100045)

酒店位于辽宁某市铁东区，为170.1m高的超限框架-核心筒结构，部分竖向构件不连续，属高度超限特别不规则结构。文章主要介绍了该酒店的结构设计要点，并通过弹塑性分析研究了结构在罕遇地震下的受力特点和抗震性能。

超高层建筑;核心筒;弹塑性;转换桁架

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1　工程概况与设计标准

本项目为五星级酒店，建筑层数：地下3层，地上部分35层，其中地上公共区6层。建筑高度： 163.35m(首层地面至屋顶顶板), 170.1m(建筑最高点高度)，建筑效果图见图1。本工程裙房南北向长66.6m，东西向长约60.1m，地上5层；6层为结构转换层，6层以上为酒店标准层，35层以上为会所。主楼标准层结构单元长39.8m，宽39.8m(见图2)。

图1　建筑效果图

图2　建筑标准层面

结构设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，结构重要性系数取1.0。抗震设防烈度为7度，抗震设防类别为丙类，设计基本地震加速度值为0.10g。场地类别为Ⅱ类，特征周期0.35s，设计地震分组为第一组。

2　结构体系及超限情况

2.1结构体系

本工程主楼和裙房连为一体，1～6层采用现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系。6层以上为框架-核心筒结构体系，外框与核心筒之间的距离X向、Y向均为10.05m。钢筋混凝土交通核为主体结构的主要抗侧力构件并贯通建筑物全高，核心筒外墙厚度为800～400mm逐层依次减小；6层以下主楼外围设12根型钢混凝土柱，截面1 600mm×1 600mm；六层以上主楼外围设28根钢筋型钢混凝土柱，截面800mm×1 600mm，通过桁架转换，转换桁架高度7.1m，在6层地面与七层地面之间，转换桁架采用型钢混凝土，下上弦杆截面为1 600mm×1 000mm，斜杆截面800mm×800mm,竖杆截面1 600mm×800mm,转换桁架的上下弦所在楼面板厚度为180mm。

转换桁架立面如图3所示，转换桁架三维图如图4所示。三十五层以上为酒店会所，结构形式为钢结构框架。

图3　转换桁架立面图

图4　转换桁架三维图

3　超限应对措施及分析结论

本工程抗震设防类别为丙类，抗震措施按7度要求。弹性分析阻尼比取值0.05，弹塑性分析阻尼比取值0.06。风荷载按重现期100年进行取值，为0.60kN/m2，地面粗糙度为B类；风荷载体型系数和风振系数依据荷载规范取值；雪荷载按重现期50年进行取值，为0.40kN/m2。

3.1主楼超限应对措施

3.1.1分析模型及分析软件

(1)主楼主要采用两个分析程序，即SATWE(高层建筑结构空间有限元分析与设计软件，版本号为2008年4月)和MIDAS GEN(版本号为v7.1.2)分别对主楼进行计算分析，采用考虑扭转藕联的振型分解反应谱法，并考虑双向地震和偶然偏心及考虑二阶效应的影响，考虑施工模拟。

(2)采用PKPM弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。弹性时程分析所取地面运动最大加速度为35gal，按建筑场地类别和设计地震分组选用2条实际强震记录和1条人工模拟地震地面加速度时程曲线进行分析。控制每条波计算所得的结构基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，3条波计算所得的结构基底剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

(3)采用MIDAS进行小震弹性对比分析和大震静力弹塑性分析。

(4)采用大型通用有限元分析软件ANSYS进行转换层局部进行结构计算。对转换层及所连构件的连接可靠性、内力分配规律和重分布规律、构件内部的应力应变状态等进行详细的分析。需要检查其在荷载作用下的非线性工作性能，以校核设计可靠性、发现薄弱部位，并对结构予以加强。

3.1.2抗震设计性能目标及加强措施

(1)主楼加强区核心筒墙受剪承载力中震满足弹性，大震满足受剪截面控制的条件，控制变形。

(2)主楼加强区核心筒墙受弯承载力中震满足不屈服，大震允许进入塑性，控制拉应力。

(3)主楼转换层以下的主楼外框架中震满足弹性，大震满足不屈服，控制变形,抗震等级提至特一级。

(4)转换桁架中震满足弹性，大震满足不屈服，满足受剪截面控制的条件，控制变形，抗震等级提至特一级。

(5)裙房剪力墙受剪承载力中震满足不屈服，大震允许进入塑性。

(6)裙房剪力墙受弯承载力中震允许进入塑性，控制拉应力。

3.2主楼分析结论

3.2.1多遇地震反应谱分析结果(见表1)

主楼结构计算分析的过程中，考虑了以下的结构假定，以模拟结构的真实受力状态：

(1)结构整体的施工模拟，依照施工顺序，逐层叠加，形成刚度和分层加载；

(2)开洞楼板较大处考虑楼板平面外弹性假定；

(3)主楼框架梁与外框架柱刚接，与内核心筒铰接；主楼周圈框架梁与外框架柱刚接；楼面次梁与两端构件铰接。

(4)结构嵌固在首层地面。

表1　多遇地震反应谱分析结果

X向Y向的剪重比不满足抗震规范楼层最小剪重比之规定,所以地震剪力系数应该予以调整, 括号内数字为调整后的剪种比。两个程序的结果基本相符，故而认为计算模型正确有效。在后续的设计阶段中，按照多个程序结果的包络进行设计，能够保证结构的安全。

3.2.2时程分析与振型分解反应谱法计算的地震作用效应比较

采用北京震泰工程技术有限公司提供的3条波进行计算，名称分别定为USER1，USER2，及USER3。其中，USER1为人工波，USER2及USER3为天然波。峰值加速度主方向为35cm/s2,次方向为29.75cm/s2。分析结果见表2。

表2　时程分析与振型分解反应分析结果

从表中可以看出，每条地震波产生的基底剪力均大于反应谱法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反应谱法基底剪力的80%，满足规范要求的3条地震波(两条天然波，一条人工波)的计算要求。

3.2.3中震反应谱分析结果

为保证结构的安全，设计中提高了重要结构构件的安全度水平，主楼加强区核心筒墙受剪承载力满足中震弹性；主楼加强区核心筒墙受弯承载力满足中震不屈服；主楼转换层以下的主楼外框架中震满足弹性；转换桁架中震满足弹性；裙房剪力墙受剪承载力中震满足不屈服。施工图设计中，均按照以上的计算结果校核配筋。中震计算结果见表3。

表3　中震反应谱分析结果

3.2.4静力弹塑性分析结果

根据我国建筑结构抗震设计规范的“中震可修、大震不倒”[1]的抗震设防目标，结构在相当于本地区抗震设防烈度的地震作用下可以发生损坏，但经修理仍可使用；在罕遇地震作用下，结构允许有较大的弹塑性变形及严重结构性破坏，但不至于倒塌，结构整体及各个构件的总变形及非弹性变形(位移)应控制在可接受的范围之内(图5)。

根据结构的静力弹塑性分析结果，本结构的抗震性能评价如下：

①小震作用下结构处于弹性状态，构件未屈服。

②位移与基底剪力基本呈线性递增，曲线在设定范围内未出现大幅度下降段，表明抗倒塌能力有较大余地。

图5　罕遇地震下控制点对应时刻出铰图(X向和Y向)

③中震作用下，裙房底部剪力墙首先屈服，并逐步向上延伸，连接剪力墙的大部分连梁出现塑性铰，但程度均较浅。

④在Pushover分析曲线中，结构的能力曲线和7度罕遇地震需求曲线能够求得性能控制点，性能控制点对应的结构层间位移角小于规范规定的限值。

⑤从出铰部位和顺序来看，在罕遇地震作用下，结构的一部分连梁和剪力墙出现了塑性铰，且一些塑性铰屈服程度较深。但从基底剪力—顶点位移相关曲线上可以看到，整体结构仍处于强化上升的工作阶段，在罕遇地震对应点之后的曲线上升态势还比较明显。因此可以认为，结构能够经受7度罕遇地震的考验。

⑥从结构罕遇地震下的工作状态来看，结构在转换层上部是比较明显的薄弱部位，特别是剪力墙的连梁以及与上部纵向剪力墙相连的梁。在施工图设计阶段对底部剪力墙和连接剪力墙的连梁进行详细设计，采取有效措施，保证做到强剪弱弯，保证足够的延性性能。

3.2.5转换层结构非线性静力分析

桁架转换层具有承担、分散竖向荷载，以及承受地震作用等多重功能，它是连接上下左右结构构件的重要枢纽，需要较高的抗震可靠性，是结构体系中的关键部件。因此，需要检查其在荷载作用下的非线性工作性能，以校核设计可靠性。

结构计算针对竖向荷载作用和地震作用两种情况进行分析，分析了竖向荷载、小震、中震及大震四种分析荷载工况。转换层的抗震性能评价如下：

①转换桁架在竖向荷载作用下结构处于弹性状态，混凝土应力在混凝土强度设计值内，型钢未屈服，满足静荷载作用下弹性要求。

②转换桁架在小震作用下，混凝土应力除应力集中的数个单元外小于混凝土强度设计值；混凝土应力在混凝土强度设计值内，型钢未屈服，满足小震弹性。

③转换桁架在中震作用下，受压腹杆和柱部分超过混凝土抗压强度设计值；受拉腹杆和弦杆大于抗拉强度设计值，混凝土受拉开裂；型钢最大应力为216MPa<314MPa未屈服，满足中震弹性。

④转换桁架在大震作用下，受压腹杆和柱部分超过混凝土抗压强度标准值；受拉腹杆和弦杆大于抗拉强度标准值，混凝土受拉开裂；型钢最大应力为345.7MPa略微大于345MPa，基本满足大震不屈服要求。

4　专家审批意见

2011年5月18日对该项目进行超限高层抗震设防专项审查。审查结论为“通过”，审查意见如下：

4.1同意采用下列抗震性能目标

(1)本工程中震、大震的设计地震动参数按2010抗震规范采用。

(2)核心筒底部加強部位，墙肢受剪承载力按中震弹性复核，偏压、偏拉承载力按中震不屈服复核，在大震下满足受剪截面控制条件。转換框架柱、转換桁架、转換层以下的主楼外框架柱按中震弹性进行复核。

4.2设计单位应按下列要求进一步改进

(1)小震地震动参数，应按《地震安全性评价》报告与规范规定值相比较后取大值。

(2) 应复核转换桁架以竖向地震作用为主的组合工况，核心筒加强部位取转换桁架层以上2层，此2层的墙肢厚度适当加厚；加强部位的核心筒四角设型钢；高层部分框架角柱八层以下应按特一级设计；转换层上下2层楼板应加强。

(3)框架柱承担剪力的百分比应不小于10%，主要墙肢约束边缘构件延伸到轴压比0.25高度，顶层结构进一步加强。

(4)进一步复核静力弹塑性时程分析的结果。

4.3场地类别划分正确

5　结语

本工程是高度超限，底部拔柱形成竖向构件不连续，属高度超限的特别不规则结构,本文所涉及核心筒、框架柱、转换构件的设计计算原则均是针对以上工程特点提出，切实可行，本文加以总结以供相似工程借鉴和对比。

[1]GB50011-2001 建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]JGJ3-2002 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，2002.

[3]徐培福，傅学怡，王翠坤，等．复杂高层建筑结构设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005-09.

[4]聂建国，刘明，叶列平．钢-混凝土组合结构，2005，03.

[5]束伟农，高建民，宋玲，等．深圳南山中心区T106-0028地块中A座超高层结构设计与研究 ．建筑结构，2009年第12期.

[6]束伟农，石异，杨洁，等．鞍山皇冠假日酒店超高层结构设计，2011,12．第十三届高层建筑抗震技术交流会论文集.

石异(1969.5-)，男，高级工程师，主要从事建筑工程结构设计方面的工作。

束伟农(1963.6-),男 教授级高工，主要从事建筑工程结构设计方面的工作。

杨洁(1965.11-),男,教授级高工，主要从事建筑工程结构设计方面的工作。

王春华(1957.3-),男 教授级高工，主要从事建筑工程结构设计方面的工作。

张然(1982.1-),男 教授级高工，主要从事建筑工程结构设计方面的工作。

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

石异(1969.5-)，男，高级工程师。

2015-11-16

TU973+.31

A

1004-6135(2016)01-0063-05