富春希爾頓酒店超限結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 工程概況

富春希爾頓酒店為五星級酒店，位于富陽老城東側(cè)，北面依山，南臨富春江，西面接富春江大橋引橋，總建筑面積約7.42萬m2。該建筑結(jié)構(gòu)塔樓采用混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，主樓與裙房不設(shè)抗震縫，屬于超限高層建筑。主樓地上26層（主體建筑高度95.79 m，構(gòu)架最高點117.99 m），裙房4層，地下室1層。裙房部分每層層高5.4 m，主要功能為會議會展及相關(guān)配套用房；主樓第5層設(shè)置設(shè)備轉(zhuǎn)換層，層高2.19 m；設(shè)備轉(zhuǎn)換層以上每層層高為3.6 m，為酒店客房；地下室主要功能為酒店設(shè)備用房、輔助用房及地下車庫等，建筑效果圖見圖1。

圖1 效果圖

本工程設(shè)計基準期50年，安全等級二級，抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類，設(shè)防烈度6度，地震分組第一組［1］，場地類別Ⅲ類，基本風壓0.45 kN/m2，基本雪壓0.45 kN/m2?！?.000 m相當于1985高程基準14.300 m。

2 地基與基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)地勘報告，本場地地貌屬于山麓斜坡堆積地貌，細化屬山前平原地貌單元，場地穩(wěn)定。各土層由上往下依次是雜填土、黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、細砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、圓礫、全風化泥質(zhì)砂巖、強風化泥質(zhì)砂巖或強風化石英砂巖、中風化泥質(zhì)砂巖或中風化石英砂巖。由于主樓下⑧層圓礫厚薄不均勻，且局部較薄，因此主樓采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為1.0、1.1 m，以中風化泥質(zhì)砂巖或中風化石英砂巖為持力層，樁端全截面入巖1.0 m，有效樁長為37～48 m。樁徑1.0、1.1 m的抗壓承載力特征值分別為6 700 kN和7 700 kN。本工程場地靠近富春江，且下部圓礫層的排水條件較好，結(jié)合地勘報告，抗浮水位取為-1.8 m；由于場地挖土較少，且底板標高處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土，因此裙房及純地下室部分樁需考慮抗壓、抗浮雙重作用。裙房及純地下室部分采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為0.8、1.0 m，以圓礫為持力層，樁端全截面進入持力層不小于4.0 m，有效樁長為27～33 m。樁徑0.8、1.0 m的抗壓承載力特征值分別為2 400 kN和3 200 kN，抗拔承載力特征值分別為1 000 kN和1 300 kN。

底板頂標高為-6.3～-9.2 m，采用筏板+下柱墩形式。主樓下底板厚度為1.0 m，局部核心筒及外圍框架柱下加厚，其中核心筒下底板厚1.9 m，外圍框架柱下局部厚度2.0～2.3 m。裙房及純地下室底板厚度400～500 mm，下柱墩厚度0.7～1.5 m。

3 上部結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)超限情況

3.1 上部結(jié)構(gòu)體系

本工程主樓結(jié)構(gòu)高95.79 m，采用現(xiàn)澆混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)體系。主樓標準層尺寸為29.1 m×35.6 m，主樓結(jié)構(gòu)高寬比3.3，核心筒尺寸為9.2 m×25 m，核心筒高寬比10.4。裙房尺寸為35 m×103 m，裙房與主樓不設(shè)抗震縫，塔樓偏置于裙房一角，因抗扭需要，裙房局部設(shè)置剪力墻。根據(jù)建筑布置，裙房局部開大洞，局部采用大跨度框架結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)樓蓋主要采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)，地下室樓蓋采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)。主樓核心筒墻厚200～400 mm，主樓底層外圍框架柱截面1 000 mm×1 100 mm。豎向構(gòu)件混凝土強度等級C30～C55，梁板混凝土強度等級C30～C35。標準層結(jié)構(gòu)平面布置見圖2，整體結(jié)構(gòu)模型見圖3，核心筒模型見圖4。

圖2 標準層結(jié)構(gòu)平面布置

圖3 整體結(jié)構(gòu)模型

圖4 核心筒模型

3.2 結(jié)構(gòu)超限情況

結(jié)構(gòu)超限情況如下［2］：

1）樓層扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；

2）裙房第2層和第4層樓板缺失較多，開洞率約40%，局部有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%；

3）由于層高突變，第5層結(jié)構(gòu)剛度小于第6層的70%及上部連續(xù)三層的80%；

4）裙房局部有穿層柱；

5）塔樓偏心布置于裙房一角，塔樓與大底盤的質(zhì)心偏心距大于底盤相應邊長20%。

4 主要抗震措施

針對本工程存在的超限類型及超限程度，設(shè)計選用抗震性能目標C［3］，從計算和抗震構(gòu)造等方面采取以下抗震措施：

4.1 針對塔樓偏置及扭轉(zhuǎn)不規(guī)則

在計算上：1）采用兩個符合結(jié)構(gòu)實際受力情況的力學模型進行分析；2）補充彈性時程分析，并進行罕遇地震下動力彈塑性分析，找出結(jié)構(gòu)薄弱部位。

在抗震構(gòu)造上：1）通過調(diào)整豎向構(gòu)件布置，在裙房范圍內(nèi)局部布置剪力墻，將裙房高度范圍內(nèi)的位移比控制在1.5以內(nèi)；2）將裙房高度范圍內(nèi)的豎向構(gòu)件定義為關(guān)鍵構(gòu)件，關(guān)鍵構(gòu)件采取提高一級的抗震措施，并對其進行抗震性能化驗算；3）加強裙房外圍框架柱配筋，以提高其在扭轉(zhuǎn)變形時的延性；4）加強主樓與裙房連接處的樓板厚度及配筋，確保主樓與裙房的水平力傳遞。

4.2 針對設(shè)備層層高變化引起剛度突變不規(guī)則

在計算上，按實際層高及符合實際受力情況的力學模型進行分析，采用反應譜法與彈性時程分析法進行對比，對設(shè)備層短柱及核心筒墻體及下部剛度突變的樓層進行大震驗算，確保其滿足抗剪承載力要求。

在抗震措施上：1）通過增加下部樓層的剪力墻、加厚墻體及加大框架柱截面等措施來加強剛度突變處以下樓層剛度及其抗剪承載力；2）放大底層及第5層的地震剪力，并提高相應墻、柱配筋率，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱層；3）控制底層及裙房剪力墻的剪壓比，罕遇地震作用下墻肢截面的平均剪應力不超過混凝土抗拉強度標準值；4）將設(shè)備層的核心筒、柱定為關(guān)鍵構(gòu)件，該層核心筒抗震等級為一級，框架柱為二級，該層框架柱及核心筒的正截面承載力按中震不屈服進行復核；在罕遇地震作用下墻平均剪應力不超過混凝土抗拉強度標準值，短柱受剪截面滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3—2010）》式（3.11.3-4）的要求。

4.3 針對樓板局部不連續(xù)及局部穿層柱

在計算上，將相應樓板定義為彈性膜，以考慮樓板變形對結(jié)構(gòu)受力的影響。在抗震構(gòu)造上，加強相關(guān)區(qū)域的樓板配筋，防止樓板在大震出現(xiàn)較大破壞。對于因樓板開洞形成的穿層柱，采用實際柱高進行配筋設(shè)計，并采取箍筋全高加密，提高其在扭轉(zhuǎn)變形時的延性［4］。

5 結(jié)構(gòu)計算與分析

5.1 風荷載及多遇地震彈性反應譜分析

風荷載及多遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體分析采用的計算軟件為YJK及MIDAS GEN。結(jié)構(gòu)前6階振型周期見表1，周期比小于0.85，滿足規(guī)范要求。

表1 結(jié)構(gòu)總質(zhì)量及前六階周期對比

結(jié)構(gòu)最大層間位移角與扭轉(zhuǎn)位移比見表2，計算結(jié)果表明，按彈性方法計算的各樓層的層間位移角滿足規(guī)范限值要求（1/800）。考慮偶然偏心作用下各樓層的扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.50，滿足規(guī)范要求。兩個方向剛重比分別為31.85和33.65，均大于2.7，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗算滿足要求。

表2 YJK與MIDAS GEN層間位移角與扭轉(zhuǎn)位移比

各樓層框架柱和剪力墻所承擔剪力百分比見圖5。結(jié)果表明，本工程框架部分X、Y方向的最大樓層地震剪力大于基底剪力的20%，滿足規(guī)范要求。其中底層柱承擔剪力為30.8%（X向）和31.5%（Y向），第6層柱承擔剪力為27.5%（X向）和31.8%（Y向）。

圖5 地震作用下框架和核心筒承擔剪力比

各樓層框架柱和剪力墻所承擔傾覆力矩百分比見圖6。結(jié)果表明，框架承擔的傾覆彎矩在10%～50%之間，滿足規(guī)范要求。

圖6 地震作用下框架和核心筒承擔傾覆力矩比

5.2 多遇地震彈性時程分析

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3—2010）》4.3.5條要求，采用特征周期為0.45 s的五組實際地震記錄的加速度時程曲線和兩組人工模擬的加速度時程曲線對結(jié)構(gòu)進行小震彈性時程分析。主方向峰值加速度18 cm/s2，次方向峰值加速度15.3 cm/s2。選用的地震波滿足規(guī)范對地震動三要素和結(jié)構(gòu)底部剪力的要求。表3為多遇地震彈性時程分析與CQC法的基底剪力對比。彈性小震時程分析層間位移角X向、Y向最大值分別為1/1 999和1/1 637。

表3多遇地震彈性時程分析與CQC法的基底剪力對比

5.3 中震作用下主要關(guān)鍵墻肢驗算

中震計算時，地震影響系數(shù)最大值為0.12，周期折減系數(shù)取0.80，結(jié)構(gòu)阻尼為0.06，連梁剛度折減系數(shù)為0.6。中震不屈服設(shè)計及彈性設(shè)計采用不計入風荷載效應的地震作用標準組合［5］。表4為部分剪力墻抗剪彈性驗算，圖7為所驗算墻體的平面布置位置。

圖7 驗算墻體平面布置

表4 部分墻肢中震抗剪彈性驗算

中震下最大層間位移角X、Y向分別為1/877和1/861。計算結(jié)果表明關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件均滿足正截面承載力不屈服，斜截面彈性的要求；多數(shù)耗能構(gòu)件滿足正截面不屈服，受剪承載力不屈服的要求。

6 罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析

彈塑性動力時程分析采用SAUSAGE軟件，選用兩組天然波TH0 38 TG04 5、TH0 9 7TG0 45和一組人工波RH2 TG04 5，地震波峰值加速度125 cm/s2，雙向地震輸入，主次方向峰值比例為1∶0.85。時程分析的最大基底剪力與多遇地震的CQC法比值見表5。

三條地震波作用下，結(jié)構(gòu)在X向和Y向的層間位移角見圖8。除構(gòu)架層外X向最大的位移角為1/398，Y向最大的位移角為1/301。

圖8 層間位移角

彈塑性時程分析結(jié)果表明：

1）在遭遇罕遇地震后，結(jié)構(gòu)仍保持直立，最大層間位移角滿足小于1/100的規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)整體性能滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

2）罕遇地震作用下剪力墻整體性能良好，剪力墻無中度以上的損壞情況。主樓底部及裙房剪力墻輕度損壞。剪力墻能達到抗震性能水平4的要求。

3）罕遇地震作用下框架柱整體性能良好，底部無中度以上的損壞情況，上部個別框架柱處于中度損壞，框架柱可達到抗震性能水平4的要求。

4）70%框架梁多數(shù)處于輕微損壞，21.4%處于輕度損壞，18%出現(xiàn)中度損壞，無重度損壞或嚴重損壞情況。

5）41%連梁處于無損壞—輕度損壞，34%出現(xiàn)中度損壞或重度損壞，25%處于嚴重損壞。罕遇地震下連梁整體損害比較嚴重，在施工圖設(shè)計時對出現(xiàn)嚴重損壞的連梁采取加強抗剪措施，避免其剪切破壞出現(xiàn)在彎曲破壞前，以實現(xiàn)其耗能能力。

6）多數(shù)樓板處于輕微損壞或輕度損壞，其中下部樓層損壞較上部樓層嚴重，由于鋼筋進入塑性的范圍較小，所以仍能保持其豎向承載能力。結(jié)構(gòu)整體可滿足大震作用下的性能要求。

表5罕遇地震彈性時程分析與CQC法的基底剪力對比

7 結(jié)語

1）根據(jù)本工程場地條件及結(jié)構(gòu)荷載情況，選擇鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，裙房與主樓采用不同持力層。

2）針對本工程超限情況，在構(gòu)造上采取相應措施，如裙房部位設(shè)置剪力墻來調(diào)整扭轉(zhuǎn)比，裙房與主樓連接部位樓板加厚等措施加強結(jié)構(gòu)薄弱部位。

3）對結(jié)構(gòu)進行彈性分析、中震分析，分析結(jié)果表明各項計算指標均滿足規(guī)范相關(guān)要求。

4）對結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性時程分析，分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)在遭受罕遇地震后，可達到性能水準4的要求。