三亚某酒店裙房超限高层建筑抗震性能设计

刘中原，张龙生，陈志坚

（广州市设计院 广州510620）

1 工程概况［1］

某酒店位于海南省三亚市，包括酒店塔楼和南北裙房，建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

南北裙房结构高度均为57.1 m，平面尺寸分别为19.5 m×111.5 m和19.5 m×84.5 m，长宽比分别为5.7和4.3，高宽比均为2.9。南北裙房的平面形状基本为“L”形，如图2所示。

裙房地面以下2层，地面以上12层。B1、B1M、L1层的层高分别为4.5 m、5.5 m、11.4 m，L2～L5、L6、L7～L10、L11、L12层的层高分别为3.6 m、4.0 m、3.6 m、4.9 m、6.7 m，其对应的建筑功能分别是：设备/库房/停车场、办公/设备/餐厅、景观/餐厅，L2～L12均为酒店客房。顶部建筑层高6.7 m，按结构梁板计算层高4.3 m，顶部有2.4 m 高的架空板和泳池，是屋顶花园和室外泳池。钢筋全部采用HRB400，混凝土强度等级：梁和板 均 为C35，其 中L2 的 转 换 梁 使 用C60；B1～L1、L2～L7、L8～L12 的 柱 和 剪 力 墙 分 别 选 用C60、C50、C40。B1～L12 楼层的主要构件截面如下：框架梁：400×700、400×800、400×900、400×1 200、1 000×2 800（内嵌工字钢2 000×400×30×25）；次梁：300×700、300×1 200、300×1 500；剪力墙400、600；柱：800×800、900×900、1 000×2 600（框支柱）。

图2 项目位置Fig.2 Project Location

根据拟建场地的地勘报告［2］，酒店南北裙房基础形式采用“桩+防水板”的基础形式，基桩采用冲孔灌注桩，以粘土层作为持力层，单桩承载力特征值为6 500 kN。

2 设计参数

风荷载的设计参数为：50年使用年限，二级安全等级，基本风压为0.85 kN/m2，A类场地，体型系数为1.5。

地震作用设计参数为：Ⅲ类场地，地震分组为第一组，设防烈度为6度（0.05 gal），特征周期值为0.45 s，抗震地段为一般。

3 结构体系、超限类型和程度、抗震性能目标［3-5］

本项目为酒店加裙房建筑，结构体系选择部分框支剪力墙结构。其中L2 层为结构转换层，以上为框架剪力墙结构，以下部分墙体落地以保证结构的受力性能。L6 层为结构收进部位，L6 层以上为框架剪力墙结构，L2 层～L6 层为两跨框架剪力墙结构。根据计算分析、建筑平面和立面分析，发现结构存在5项不规则项，如表1所示。

经评审设定为C 级抗震性能目标，三大目标构件必须满足《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3-2010》［4］的性能水准。

表1 超限类型Tab.1 Structural Characteristic Beyond Code Limit

图3 北、南裙房模型计算方向Fig.3 North and South Podium Model Used for Calculation

4 结构整体计算分析

4.1 小震弹性分析［6］

本项目采用ETABS和SATWE软件对比计算分析。

由于酒店北裙房、南裙房平面均呈“L”形且“L”形的两肢夹角为60°，计算方案选取如图3 所示。由于酒店北裙房、南裙房均为风荷载控制，因此需补充计算“最大地震作用方向”旋转至“水平向”时风荷载对塔楼的影响。

小震情况下，采用2款软件进行结构弹性计算分析并对比结果。阻尼比参数取0.05，使用振型分解反应谱法，振型数取36，北、南裙房附加地震相应角度分别为31° ，71° ，127° 和-36.4°，-60°，30°。

计算数据和结果如表2所示。

表2 弹性结果分析Tab.2 Comparison of SATWE and ETABS Results

根据计算结果，结论如下：

⑴剪力墙、框架的配筋均在合理范围，结构周期及位移、基底剪力等均符合文献［4］要求，剪重比及层间位移角等指标均在文献［4］限值内，结构构件的截面设计满足要求，结构体系的选择较为合理；

⑵ETABS与SATWE两者计算结果的误差在可忽略范围内，故计算分析模型合理且符合实际工作情况。

4.2 弹性时程分析

进行弹性时程分析时，选取Ⅲ类场地上2 组天然波以及1 组人工波进行分析［6，7］，南、北塔分别选取的天然波如图4 所示。选取的地震波时长在40 s 左右，地震波按照主次两个方向输入（加速度比值最大值为1∶0.85），最大地震加速度为0.225 m/s2。

图4 地震波示意图Fig.4 Diagram of Seismic Waves

时程分析结果如图5～图8所示。

⑴选取的每条地震波满足文献［4］要求，有效。

⑵规范反应谱计算得出的结构整体数据小于弹性时程分析得出的包络值。对比北裙房底部剪力发现，X向时程曲线结果均小于反应谱法结果，而Y向计算包络值为其结果的1.15倍。因此设计时，北裙房拟对X向不放大，而Y向地震力采取1.15的放大系数。南裙房X向、Y向地震力采取放大系数分别为1.12和1.20。

4.3 静力弹塑性分析

为了了解结构的塑性铰形成的部位，采用软件进行了弹塑性静力推覆分析（罕遇地震），验算结构的抗倒塌能力及弹塑性变形规律［5］。

4.3.1 计算结果及分析（以酒店北裙房为例）

⑴分析得到结构X、Y方向的基底剪力，将其与弹性振型分解法分析结果进行对比，如表3所示。

图5 规范反应谱与时程地震波的对比（北裙房）Fig.5 Comparison of Time-history Response Spectrum and Normative Design Spectrum（North Podium）

由表3可看出，2种分析方法得到的结果相当。

⑵侧向推覆力作用下结构能力谱与需求谱的关系

由图9可知，X向和Y向分别在第23步、第22步加载时，两个谱曲线（能力及需求）相交，对应位置的最大弹塑性层间位移角分别为X向1/341（＜1/120）和Y向1/276（＜1/120），之后能力谱曲线大于需求谱，表明在罕遇地震下结构的层间位弹塑性移角均小于1/120。

图6 北裙房弹性时程分析曲线Fig.6 Time-history Results of North Podium

图7 规范反应谱与时程地震波的对比（南裙房）Fig.7 Comparison of Time-history Response Spectrum and Normative Design Spectrum（South Podium）

图8 南裙房弹性时程分析曲线Fig.8 Time-history Results of South Podium

表3 基底剪力比较Tab.3 Data of the Base Shear Force

⑶侧向推覆力作用下结构塑性铰分布规律

由图10可知：在罕遇地震性能点位置，2层、3层的X向受压侧和受拉侧墙肢出现局部开裂，但未有塑性铰出现在同楼层位置的框架梁和框支柱构件中。同时整体的框架柱，只有一根柱柱端出现塑，其余均未出现；在3层的Y向受压侧、受拉侧墙肢出现了局部开裂，同楼层的框架梁柱及框支柱均未出现显著的塑性铰。

综上结果分析表明：

⑴在设防地震下框支柱工作在弹性状态，底部加强部位墙体除个别墙肢出现了一定的计算开裂，其余墙体全部工作在弹性状态。

⑵当对应基底剪力值达到性能点时，塑性状态未明显出现在结构关键构件及竖向构件，说明结构正常工作，满足抗倒塌的抗震性能目标。

图9 结构谱关系（能力与需求）Fig.9 Structure Spectrum（Capability and Demand）

图10 侧向推覆力作用下塑性铰分布Fig.10 Plastic Hinge Distribution under Lateral Force of Push-over Analysis

5 关键构件罕遇地震下的抗震性能验算

采用ETABS 进行等效弹性大震下转换梁的有限元分析［6，8］，确保其在大震下的抗震性能，分析时转换梁按壳单元进行模拟。酒店北裙房其中一榀典型的转换框架的分析结果如图11所示。转换梁截面：B×H=1 000 mm×2 800 mm，内嵌工字钢骨2 000 mm×400 mm×25 mm×30 mm，材质为Q345B。

由图11可知，在大震组合作用下转换梁最大压应力小于混凝土抗压强度标准值，且满足剪压比控制应力要求。由于转换梁采用型钢混凝土截面形式，为了满足最大剪应力和最大拉应力的验算要求，可通过适量的配筋保证其在大震作用下不屈服。

图11 转换梁内力分布Fig.11 Internal Force Distribution of Transferred Beam

6 穿层柱分析

在北裙房中部建筑2～5 层有穿层柱，如图12 所示。该柱在东西向连续3 层无梁拉结，南北向每层有梁拉结，柱尺寸800 mm×800 mm。先给模型加载1.0D+1.0L，然后在柱顶施加单位屈曲力，求得屈曲临界荷载系数，两者的乘积就是临界荷载Ncr。最后根据欧拉公式求得柱的计算长度系数为μ=0.26，即该柱的理论计算长度可以是0.26l。在柱设计时，取计算长度系数为1.0［9］。

图12 穿层柱分析模型Fig.12 Skip-layer Analysis Model

7 针对超限采取的主要加强措施

针对本工程存在的不规则类型和关键技术问题，在设计中采取了以下的主要措施：

7.1 针对超限采取的补充分析手段

⑴运用SATWE 和ETABS 两种程序对整体计算结果及构件设计的内力情况进行对比分析，另外作为补充分析手段，采用弹性动力时程分析；

⑵对结构关键构件（如转换梁）进行大震不屈服验算；

⑶运用软件对结构进行弹塑性推覆分析（罕遇地震作用）；

⑷对于穿层柱，考虑跨层对其稳定计算长度的影响。

7.2 针对超限采取的加强措施

⑴在结合原来工程建筑重要性及结构安全等级的情况下，提高局部抗震，增加结构构件延性能力。如提高框支柱、转换梁及落地剪力墙底部加强区抗震等级从三级至二级；

⑵框支柱、底部加强区剪力墙和混凝土柱轴压比分别控制在0.65、0.60、0.75 以内［10］；

⑶对结构关键构件（如转换梁）设定抗震性能目标并进行验算，保证其在大震下的性能，从而保证结构安全；

⑷调整塔楼的刚度并提高相应抗震等级，使结构在体型收进部位及相邻上下两个楼层刚度过渡均匀；

⑸ 底部加强区的转换构件都增加了预埋工字形钢骨等措施，提高延性及其正常使用极限状态承载能力；

⑹对于穿层柱的纵向受力钢筋及约束钢筋进行了加强，与其相连的框架梁也增加延性考虑的配筋，使其符合预定的抗震性能目标；

⑺在原有钢骨架的腹板上另焊斜向钢支撑，防止框支梁发生斜压破坏。

8 结论

经分析此裙房属于A 级高度超限建筑，存在5 项不规则指标的框支剪力墙结构。为了更好地了解结构在多遇及罕遇地震情况下的动力特性，采用软件对比分析的手段，对结构抗震性能从整体到构件进行判断，并针对关键构件进行了提高抗震能力或者提高构件延性的做法，在满足抗震性能C 级目标的前提下，保证结构安全、合理和可靠。