山东某复杂高层结构设计

黄兴龙 王益超

(山东华科规划建筑设计有限公司，山东 聊城 252000)

1 工程概况

山东某国际大饭店地上22层，地下1层，总建筑面积为70 226 m2，结构总高度为95.450 m，本工程长宽比为1.58，高宽比为2.38。工程位于聊城市开发区，抗震设防烈度为7度，0.15g，地震分组为第一组，抗震设防类别为丙类，场地类别为Ⅲ类场地，场地特征周期为0.45 s，基本风压取0.45 kN/m2，地面粗糙度为B类。

本工程北侧裙楼4层，南侧裙楼2层，地上1层～7层为酒店餐饮、娱乐设施，7层有18 m×35 m的游泳池；8层～22层为客房层。第6层及第7层存在两个设备层，与结构层合并后层高分别为6.4 m,6.7 m，造成刚度突变和楼层抗剪承载力比值超限等问题；游泳池下卧后存在部分错层；客房层中部开洞形成内天井，结构平面为回字形，中部存在较多单跨框架，需要深入分析水平力通过楼板可靠的传递给核心筒；南侧裙楼宴会厅存在36 m跨预应力大梁。

2 结构选型和结构计算

2.1 结构选型

该工程结合建筑平面设置了两个核心筒，为框架—核心筒体系，框架和核心筒抗震等级均为二级[1]。裙楼与主楼间未设置沉降缝，收进部位周边竖向构件抗震等级提高一级。核心筒为混凝土剪力墙，单跨框架部位框架柱设置芯柱进行加强。核心筒剪力墙厚度底部为400 mm，逐渐减小至250 mm，核心筒混凝土强度等级从下至上由C50减至C35；框架柱截面由底部1 200×1 200逐渐减小至800×800，轴压比控制在0.75以内，框架柱混凝土强度等级从下至上由C55减至C35；梁、板构件的混凝土强度均为C30。

南裙房宴会厅2层5/C-G轴存在36 m跨度的空间，其下为宴会厅舞台，不允许设柱，采用750×2 500的有粘结预应力梁。预应力钢筋全部采用Ⅱ级松弛φS15.24钢绞线，预应力钢绞线曲线定位根据本梁的弯矩图确定。施工时为抵消分批张拉预应力筋所产生的混凝土弹性压缩损失，将预应力筋超张拉3%。本工程采用PREC软件确定各项预应力损失、预应力筋数量及挠度等各项指标进行设计。

2.2 多遇地震弹性反应谱分析

表1 上部结构主要计算结果

2.3 楼板应力分析

客房层(8层～22层)平面开洞宽度大于50%，中部有四跨为单跨框架，楼板必须能够将此部分的水平地震力传递给核心筒才能保证本工程在大震下的安全性，因此楼板厚度和配筋的确定就显得十分重要。本工程采用多边形壳元模型模拟楼板，楼板在拉力情况下按偏心受拉配筋、在压力情况下按正截面抗弯配筋。小震作用下楼板不开裂，中震或大震作用下开裂部位混凝土退出工作，楼板内的主拉应力由上下两个钢筋层承担，楼板平面内拉应力满足以下条件[2]：

1)小震作用下拉应力由混凝土承担，即σ≤ftk(主拉应力)。

本工程分别按小震、中震输入地震波，在地震单工况下研究各层楼板主拉应力。小震作用下楼板内混凝土拉应力均小于1 430 kPa，典型楼层的楼板平面内主应力见图1,图2；中震作用下楼板内的配筋按软件计算结果进行归并，根据应力值大小，洞口四周楼板结合次梁布置按三个等级进行加强：1)紧邻洞口的楼板厚度为120 mm，配筋为Φ8@100双层双向；2)中间两道次梁间楼板配筋为Φ8@200双层双向；3)最外侧楼板按静力工况进行配筋。筒体四周为应力集中部位[3]，筒体四周楼板加厚，按Φ8@100双层双向配筋。

根据楼板应力分析结果，本工程在多遇地震工况下能够满足楼板不开裂，且楼板平面内变形量较小，因此认为本工程满足刚性楼板假定。可按刚性楼板计算多遇地震或中震不屈服验算。

2.4 多遇地震弹性时程分析

根据《高规》4.3.4条本工程为复杂高层，应进行多遇地震弹性时程分析法补充计算。本工程选用Tg=0.45 s的两组天然地震波和一组人工地震波，每条时程曲线计算所得的结构基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%，且不大于振型分解反应谱法的135%；多条时程曲线计算所得的结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法的80%，且不大于振型分解反应谱法的120%，地震波的选择满足规范要求。

从时程分析主要结果与反应谱分析主要结果对比来看，二者基本一致，承载力设计时可取多条时程曲线与振型分解反应谱法计算结果的包络值。多遇地震弹性时程分析结果见表2。

表2 多遇地震弹性时程分析结果

3 静力弹塑性分析

3.1 Pushover分析原理

根据高规第3.11.4条，高度不超过150 m的高层建筑可采用静力弹塑性分析方法，本工程高度为95.45 m，体型较为规则，因此本工程采用midas软件进行Pushover静力弹塑性分析以评估主体结构在罕遇地震作用下的性能目标，是否能满足大震不倒的要求。

预制光缆衰减与结构型式和连接方式有关。预制光缆按结构型式可分为分支式预制光缆及对插式连接器预制光缆，按连接方案可分为直接连接装置方案和通过柜内跳线转接连接装置方案。以工程常见的通过跳线转接的连接方式为例，预制光缆链路插接损耗值如图1～图2所示。

本工程Pushover分析通过逐渐加大荷载直到预先设定的位移位置，获得荷载—位移能力曲线(capacity curve)，再转换为单自由度体系的加速度—位移能力谱(capacity spectrum)，与由大震反应谱转换得到的加速度—位移需求谱(demand spectrum)的交点即性能点(performance point)，通过性能点位置的层间位移与规范允许值的对比来评价结构在大震作用下的性能水平[4]。

3.2 Pushover分析过程

本工程为框筒结构，模型中梁柱构件采用弯矩—旋转角单元，骨架曲线采用FEMA铰以考虑构件的刚度退化和屈服后的强度退化，剪力墙的抗弯计算采用纤维模型，混凝土材料采用《混凝土结构设计规范》附录C提供的本构关系，钢材采用双折线模型，剪力墙的剪切本构关系采用程序提供的理想弹塑性模型，水平钢筋对剪切的影响反映在名义剪切屈服应力中。

加载顺序与水平作用力的竖向分布：

加载过程包括两步，第一步施加初始重力荷载，第二步施加侧推荷载。

初始重力荷载组合中恒载和活载的组合系数分别为1.0和0.5；因罕遇地震下结构水平位移值较大，计算时考虑结构的P-Delta效应。

侧推荷载分四种形式可供选择，分别是按结构自振模态加载、等加速度按质量分布以惯性力形式加载、按用户定义的某个荷载工况的分布形式加载、按小震下规定水平力分布加载，按照高规建议，本工程采用第四种加载方式。本工程选用的Procedure-A方法通过迭代计算有效阻尼寻找性能点。

3.3 Pushover分析结果

分析结果表明，塔楼能够达到罕遇地震作用下的性能目标，且X，Y方向最大弹塑性层间位移角分别为1/244，1/232，满足抗震性能目标，如图3，图4，表3所示。

表3 静力弹塑性分析结果

根据梁柱出铰顺序和数量统计，框架梁出铰比例大于30%，框架柱出铰比例小于5%，因此比较好的实现了强柱弱梁的设计概念。

4 结语

1)工程采用框筒结构，结构的构件在满足建筑要求下均匀合理地布置，筒体在底部加强部位提高墙身水平筋配筋率、错层部位和单跨框架柱设置芯柱，以确保构件具有较高的承载力和延性。

2)通过采用PMSAP进行楼板应力分析验证，本工程可满足楼板刚性假定。根据SATWE和PMSAP两套软件小震计算结果和弹性时程结果对比，本工程可采用振型分解反应谱法进行多遇地震弹性计算。

3)利用MIDAS软件进行静力弹塑性分析。分析结果表明：框架柱在小震、中震处于不屈服阶段，大震作用时少量(约5%)处于屈服状态；框架梁在小震时处于弹性状态，中震时少量构件处于屈服状态，大震作用时较多处于屈服状态(30%～40%)；连梁在小震时基本处于弹性阶段，中震时部分屈服耗能，大震时多数已发生屈服；剪力墙筒体在小震时处于弹性状态，中震时抗剪处于不屈服状态，少部分发生抗弯屈服，大震时较多剪力墙接近抗弯屈服状态，抗剪仍能满足剪压比要求。

根据上述分析可以得出以下结论：本工程虽然存在多项不规则，但通过小、中、大震分析并采取一定的构造措施，认定可以满足小震不坏，中震可修，大震不倒的抗震设防目标。