劉中原，張龍生，陳志堅

（廣州市設(shè)計院 廣州510620）

1 工程概況［1］

某酒店位于海南省三亞市，包括酒店塔樓和南北裙房，建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

南北裙房結(jié)構(gòu)高度均為57.1 m，平面尺寸分別為19.5 m×111.5 m和19.5 m×84.5 m，長寬比分別為5.7和4.3，高寬比均為2.9。南北裙房的平面形狀基本為“L”形，如圖2所示。

裙房地面以下2層，地面以上12層。B1、B1M、L1層的層高分別為4.5 m、5.5 m、11.4 m，L2～L5、L6、L7～L10、L11、L12層的層高分別為3.6 m、4.0 m、3.6 m、4.9 m、6.7 m，其對應(yīng)的建筑功能分別是：設(shè)備/庫房/停車場、辦公/設(shè)備/餐廳、景觀/餐廳，L2～L12均為酒店客房。頂部建筑層高6.7 m，按結(jié)構(gòu)梁板計算層高4.3 m，頂部有2.4 m 高的架空板和泳池，是屋頂花園和室外泳池。鋼筋全部采用HRB400，混凝土強度等級：梁和板 均 為C35，其 中L2 的 轉(zhuǎn) 換 梁 使 用C60；B1～L1、L2～L7、L8～L12 的 柱 和 剪 力 墻 分 別 選 用C60、C50、C40。B1～L12 樓層的主要構(gòu)件截面如下：框架梁：400×700、400×800、400×900、400×1 200、1 000×2 800（內(nèi)嵌工字鋼2 000×400×30×25）；次梁：300×700、300×1 200、300×1 500；剪力墻400、600；柱：800×800、900×900、1 000×2 600（框支柱）。

圖2 項目位置Fig.2 Project Location

根據(jù)擬建場地的地勘報告［2］，酒店南北裙房基礎(chǔ)形式采用“樁+防水板”的基礎(chǔ)形式，基樁采用沖孔灌注樁，以粘土層作為持力層，單樁承載力特征值為6 500 kN。

2 設(shè)計參數(shù)

風(fēng)荷載的設(shè)計參數(shù)為：50年使用年限，二級安全等級，基本風(fēng)壓為0.85 kN/m2，A類場地，體型系數(shù)為1.5。

地震作用設(shè)計參數(shù)為：Ⅲ類場地，地震分組為第一組，設(shè)防烈度為6度（0.05 gal），特征周期值為0.45 s，抗震地段為一般。

3 結(jié)構(gòu)體系、超限類型和程度、抗震性能目標(biāo)［3-5］

本項目為酒店加裙房建筑，結(jié)構(gòu)體系選擇部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。其中L2 層為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，以上為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，以下部分墻體落地以保證結(jié)構(gòu)的受力性能。L6 層為結(jié)構(gòu)收進部位，L6 層以上為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，L2 層～L6 層為兩跨框架剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)計算分析、建筑平面和立面分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在5項不規(guī)則項，如表1所示。

經(jīng)評審設(shè)定為C 級抗震性能目標(biāo)，三大目標(biāo)構(gòu)件必須滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3-2010》［4］的性能水準(zhǔn)。

表1 超限類型Tab.1 Structural Characteristic Beyond Code Limit

圖3 北、南裙房模型計算方向Fig.3 North and South Podium Model Used for Calculation

4 結(jié)構(gòu)整體計算分析

4.1 小震彈性分析［6］

本項目采用ETABS和SATWE軟件對比計算分析。

由于酒店北裙房、南裙房平面均呈“L”形且“L”形的兩肢夾角為60°，計算方案選取如圖3 所示。由于酒店北裙房、南裙房均為風(fēng)荷載控制，因此需補充計算“最大地震作用方向”旋轉(zhuǎn)至“水平向”時風(fēng)荷載對塔樓的影響。

小震情況下，采用2款軟件進行結(jié)構(gòu)彈性計算分析并對比結(jié)果。阻尼比參數(shù)取0.05，使用振型分解反應(yīng)譜法，振型數(shù)取36，北、南裙房附加地震相應(yīng)角度分別為31° ，71° ，127° 和-36.4°，-60°，30°。

計算數(shù)據(jù)和結(jié)果如表2所示。

表2 彈性結(jié)果分析Tab.2 Comparison of SATWE and ETABS Results

根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)論如下：

⑴剪力墻、框架的配筋均在合理范圍，結(jié)構(gòu)周期及位移、基底剪力等均符合文獻［4］要求，剪重比及層間位移角等指標(biāo)均在文獻［4］限值內(nèi)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面設(shè)計滿足要求，結(jié)構(gòu)體系的選擇較為合理；

⑵ETABS與SATWE兩者計算結(jié)果的誤差在可忽略范圍內(nèi)，故計算分析模型合理且符合實際工作情況。

4.2 彈性時程分析

進行彈性時程分析時，選?、箢悎龅厣? 組天然波以及1 組人工波進行分析［6，7］，南、北塔分別選取的天然波如圖4 所示。選取的地震波時長在40 s 左右，地震波按照主次兩個方向輸入（加速度比值最大值為1∶0.85），最大地震加速度為0.225 m/s2。

圖4 地震波示意圖Fig.4 Diagram of Seismic Waves

時程分析結(jié)果如圖5～圖8所示。

⑴選取的每條地震波滿足文獻［4］要求，有效。

⑵規(guī)范反應(yīng)譜計算得出的結(jié)構(gòu)整體數(shù)據(jù)小于彈性時程分析得出的包絡(luò)值。對比北裙房底部剪力發(fā)現(xiàn)，X向時程曲線結(jié)果均小于反應(yīng)譜法結(jié)果，而Y向計算包絡(luò)值為其結(jié)果的1.15倍。因此設(shè)計時，北裙房擬對X向不放大，而Y向地震力采取1.15的放大系數(shù)。南裙房X向、Y向地震力采取放大系數(shù)分別為1.12和1.20。

4.3 靜力彈塑性分析

為了了解結(jié)構(gòu)的塑性鉸形成的部位，采用軟件進行了彈塑性靜力推覆分析（罕遇地震），驗算結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力及彈塑性變形規(guī)律［5］。

4.3.1 計算結(jié)果及分析（以酒店北裙房為例）

⑴分析得到結(jié)構(gòu)X、Y方向的基底剪力，將其與彈性振型分解法分析結(jié)果進行對比，如表3所示。

圖5 規(guī)范反應(yīng)譜與時程地震波的對比（北裙房）Fig.5 Comparison of Time-history Response Spectrum and Normative Design Spectrum（North Podium）

由表3可看出，2種分析方法得到的結(jié)果相當(dāng)。

⑵側(cè)向推覆力作用下結(jié)構(gòu)能力譜與需求譜的關(guān)系

由圖9可知，X向和Y向分別在第23步、第22步加載時，兩個譜曲線（能力及需求）相交，對應(yīng)位置的最大彈塑性層間位移角分別為X向1/341（＜1/120）和Y向1/276（＜1/120），之后能力譜曲線大于需求譜，表明在罕遇地震下結(jié)構(gòu)的層間位彈塑性移角均小于1/120。

圖6 北裙房彈性時程分析曲線Fig.6 Time-history Results of North Podium

圖7 規(guī)范反應(yīng)譜與時程地震波的對比（南裙房）Fig.7 Comparison of Time-history Response Spectrum and Normative Design Spectrum（South Podium）

圖8 南裙房彈性時程分析曲線Fig.8 Time-history Results of South Podium

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

⑶側(cè)向推覆力作用下結(jié)構(gòu)塑性鉸分布規(guī)律

由圖10可知：在罕遇地震性能點位置，2層、3層的X向受壓側(cè)和受拉側(cè)墻肢出現(xiàn)局部開裂，但未有塑性鉸出現(xiàn)在同樓層位置的框架梁和框支柱構(gòu)件中。同時整體的框架柱，只有一根柱柱端出現(xiàn)塑，其余均未出現(xiàn)；在3層的Y向受壓側(cè)、受拉側(cè)墻肢出現(xiàn)了局部開裂，同樓層的框架梁柱及框支柱均未出現(xiàn)顯著的塑性鉸。

綜上結(jié)果分析表明：

⑴在設(shè)防地震下框支柱工作在彈性狀態(tài)，底部加強部位墻體除個別墻肢出現(xiàn)了一定的計算開裂，其余墻體全部工作在彈性狀態(tài)。

⑵當(dāng)對應(yīng)基底剪力值達到性能點時，塑性狀態(tài)未明顯出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件及豎向構(gòu)件，說明結(jié)構(gòu)正常工作，滿足抗倒塌的抗震性能目標(biāo)。

圖9 結(jié)構(gòu)譜關(guān)系（能力與需求）Fig.9 Structure Spectrum（Capability and Demand）

圖10 側(cè)向推覆力作用下塑性鉸分布Fig.10 Plastic Hinge Distribution under Lateral Force of Push-over Analysis

5 關(guān)鍵構(gòu)件罕遇地震下的抗震性能驗算

采用ETABS 進行等效彈性大震下轉(zhuǎn)換梁的有限元分析［6，8］，確保其在大震下的抗震性能，分析時轉(zhuǎn)換梁按殼單元進行模擬。酒店北裙房其中一榀典型的轉(zhuǎn)換框架的分析結(jié)果如圖11所示。轉(zhuǎn)換梁截面：B×H=1 000 mm×2 800 mm，內(nèi)嵌工字鋼骨2 000 mm×400 mm×25 mm×30 mm，材質(zhì)為Q345B。

由圖11可知，在大震組合作用下轉(zhuǎn)換梁最大壓應(yīng)力小于混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，且滿足剪壓比控制應(yīng)力要求。由于轉(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土截面形式，為了滿足最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力的驗算要求，可通過適量的配筋保證其在大震作用下不屈服。

圖11 轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力分布Fig.11 Internal Force Distribution of Transferred Beam

6 穿層柱分析

在北裙房中部建筑2～5 層有穿層柱，如圖12 所示。該柱在東西向連續(xù)3 層無梁拉結(jié)，南北向每層有梁拉結(jié)，柱尺寸800 mm×800 mm。先給模型加載1.0D+1.0L，然后在柱頂施加單位屈曲力，求得屈曲臨界荷載系數(shù)，兩者的乘積就是臨界荷載Ncr。最后根據(jù)歐拉公式求得柱的計算長度系數(shù)為μ=0.26，即該柱的理論計算長度可以是0.26l。在柱設(shè)計時，取計算長度系數(shù)為1.0［9］。

圖12 穿層柱分析模型Fig.12 Skip-layer Analysis Model

7 針對超限采取的主要加強措施

針對本工程存在的不規(guī)則類型和關(guān)鍵技術(shù)問題，在設(shè)計中采取了以下的主要措施：

7.1 針對超限采取的補充分析手段

⑴運用SATWE 和ETABS 兩種程序?qū)φw計算結(jié)果及構(gòu)件設(shè)計的內(nèi)力情況進行對比分析，另外作為補充分析手段，采用彈性動力時程分析；

⑵對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件（如轉(zhuǎn)換梁）進行大震不屈服驗算；

⑶運用軟件對結(jié)構(gòu)進行彈塑性推覆分析（罕遇地震作用）；

⑷對于穿層柱，考慮跨層對其穩(wěn)定計算長度的影響。

7.2 針對超限采取的加強措施

⑴在結(jié)合原來工程建筑重要性及結(jié)構(gòu)安全等級的情況下，提高局部抗震，增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性能力。如提高框支柱、轉(zhuǎn)換梁及落地剪力墻底部加強區(qū)抗震等級從三級至二級；

⑵框支柱、底部加強區(qū)剪力墻和混凝土柱軸壓比分別控制在0.65、0.60、0.75 以內(nèi)［10］；

⑶對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件（如轉(zhuǎn)換梁）設(shè)定抗震性能目標(biāo)并進行驗算，保證其在大震下的性能，從而保證結(jié)構(gòu)安全；

⑷調(diào)整塔樓的剛度并提高相應(yīng)抗震等級，使結(jié)構(gòu)在體型收進部位及相鄰上下兩個樓層剛度過渡均勻；

⑸ 底部加強區(qū)的轉(zhuǎn)換構(gòu)件都增加了預(yù)埋工字形鋼骨等措施，提高延性及其正常使用極限狀態(tài)承載能力；

⑹對于穿層柱的縱向受力鋼筋及約束鋼筋進行了加強，與其相連的框架梁也增加延性考慮的配筋，使其符合預(yù)定的抗震性能目標(biāo)；

⑺在原有鋼骨架的腹板上另焊斜向鋼支撐，防止框支梁發(fā)生斜壓破壞。

8 結(jié)論

經(jīng)分析此裙房屬于A 級高度超限建筑，存在5 項不規(guī)則指標(biāo)的框支剪力墻結(jié)構(gòu)。為了更好地了解結(jié)構(gòu)在多遇及罕遇地震情況下的動力特性，采用軟件對比分析的手段，對結(jié)構(gòu)抗震性能從整體到構(gòu)件進行判斷，并針對關(guān)鍵構(gòu)件進行了提高抗震能力或者提高構(gòu)件延性的做法，在滿足抗震性能C 級目標(biāo)的前提下，保證結(jié)構(gòu)安全、合理和可靠。