某复杂高层结构的设计方法

王红兵 （安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230091）

1 工程简介

万达广场酒店位于合肥市包河之畔的马鞍山路与芜湖路交口，为一座超五星级酒店。酒店地下两层，地上裙楼4层，长72.7m，宽60.4m，高25.2m；主楼21层，长60.4 m，宽22.25m，高93.4m，总建筑面积5万㎡。裙楼与主楼之间不设缝。建筑内设地下停车库、餐饮、酒店办公、会议中心、室内游泳池、SPA、酒吧街、标准客房、套房、行政酒廊及总统套房等。

图1 剖面图

本工程地下室层高5.1 m；裙楼层高分别为8.0m、5.2m、6.0m、6.0m，局部设夹层；主楼设备层的层高为2.2m，标准层为3.8m，顶上两层为4.5m。

裙楼大宴会厅顶柱跨29.70m，采用了预应力混凝土结构；主楼底层大堂范围抽掉两根中柱，在4～5层设转换桁架托上部18层，转换桁架下部的柱距为9.0m×20.4 m。

该工程竣工至今使用情况良好，现已成为合肥市最高端酒店之一。

2 结构概念设计

2.1 判断结构不规则项

根据建筑方案判断，结构存在多项不规则，具体有①扭转不规则：在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层构件扭转位移比大于1.2；②楼板不连续：二层酒店大堂上空楼板大开洞、四层大宴会厅上空楼板大开洞，楼板有效宽度小于50%，错层；③竖向尺寸突变：主楼缩进大于25%；④竖向构件间断：底层酒店大堂抽去两排柱，需结构转换，造成上下柱不连续；⑤局部穿层柱、夹层。

在建筑确定方案过程中，结构专业积极参与方案优化，但为满足建筑功能要求，第②～⑤不规则项仍然避免不了，只能采用结构设计方式来解决；第①项也难以改变，因为剪力墙只允许设置在主楼交通井及外侧墙位置，造成远离剪力墙的柱存在相对较大的水平位移，只能通过柱网优化及调整构件的截面方法来尽量控制位移比不大于1.4。

综合判断：本工程不规则项超过3项，为超限结构。

2.2 确定抗震设计性能目标

根据结构具体情况，拟定如下三阶段、三水准抗震设防目标，如表1。

三阶段、三水准抗震设防目标 表1

2.3 确定转换构件形式

主楼底层大堂抽中柱，在4～5层需设转换构件托上部18层。为满足建筑使用要求，转换构件形式经论证，采用桁架转换比较适合本项目，镂空的位置可以开门洞方便SPA功能房间的使用。同时转换层以上一根中柱变成两根柱，使转换桁架受力尽量分散均匀。结构设计中，转换桁架及支撑柱需重点加强，同时也要加强转换桁架相关范围内的楼板，有效传递水平力至剪力墙。

2.4 确定大宴会厅结构

为满足大空间要求，裙楼三层大宴会厅抽掉内部两排柱，形成顶层的柱网跨度为29.70m。建设单位要求，为方便后期运营及维护，不希望采用钢结构，故大梁只能采用预应力钢筋混凝土结构。为减少大跨度梁的荷载，结构专业与建筑及设备专业协商后，大宴会厅屋面采用结构找坡且不放置较重的设备。结合结构找坡，大跨度梁中设为最高点，梁底平，加高大跨度梁中间截面高度，梁支座处截面高度为1800mm，跨中处截面高度为2240mm。

2.5 确定主楼底部桩

主楼柱网大，单柱承受的竖向荷载较大，设计时底部柱采用C60高强度混凝土，尽量减小柱截面，避免超短柱出现，尽量减少短柱。从不出现短柱的楼层开始，逐层降低混凝土强度等级。

2.6 改造主楼设备层

主楼设备层层高2.2m，上层主楼层高3.8m，下层裙楼层高6.0m。经试算按正常楼层设置，会造成相邻层刚度突变。设计时将主楼设备层改为悬吊层，悬吊层楼面梁板与主楼竖向构件设缝脱开，避免相邻层刚度突变，同时加高转换桁架高度，使受力更合理。

3 结构计算分析

3.1 小震计算

采用中国建筑科学院编制的PKPM系列软件作为主算程序，MIDAS作为辅算程序。计算时指定转换层楼板为弹性板、楼层为薄弱层，转换桁架水平梁计入轴力，主要结果如表2。

小震计算结果 表2

3.2 动力弹性时程分析

时程曲线选自安徽省地震工程研究院《场地地震安全性评价报告》，选两条实际场地波以及一条人工波（天然地震波 1：波长 20s，峰值加速度 35.9cm/s2，天然地震波2：波长20s，峰值加速度35.6cm/s2，人工地震波：波长 20s，峰值加速度37.3cm/s2），进行计算分析。

通过反复试算及系数调整，三条波满足平均底部剪力不小于振型分解反应谱法（CQC法）计算结果的80%，每条地震波的计算结果不小于CQC法结果65%的要求。

计算结果显示：X方向最大层间位移角在26层有突变，这主要是26层为局部突出屋面及构架层，剪力墙减少；支撑构架的柱截面较小，故造成层间位移角突变。

剪力及弯矩曲线结果显示：20～26层剪力及18～26层弯矩，CQC法计算值小于动力弹性时程分析计算值。

图2 地震波X方向最大层间位移角、最大楼层剪力曲线

图3 地震波Y方向最大楼层弯矩曲线

其他最大楼层剪力、最大楼层弯矩指标，CQC法的数值均大于或等于动力弹性时程计算结果。最大楼层顶点位移，CQC法的数值与动力弹性时程计算结果相差不大。CQC法及弹性时程的最大层间位移角为1/749，满足规范要求。

设计时采用包络法，取CQ法C及三条波结果最大值；并对26层支撑构架的柱配筋做了重点加强。

3.3 中震分析

计算程序SATWE，水平地震影响系数最大值为0.23。

中震设防目标：框架梁允许部分屈服，楼板及非加强部位剪力墙不屈服；框架柱及底板加强部位剪力墙抗弯不屈服、抗剪弹性；关键部位—转换桁架及框支柱弹性，满足“强剪弱弯”的要求，满足抗震设计性能目标要求。计算结果用于施工图设计中。

3.4 大震分析

《高规》规定：复杂高层建筑结构，宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形，因此本工程采用弹塑性静力推覆分析法（PushOver），对本结构进行水平荷载作用下的全过程弹塑性计算。

屈服顺序与状况：小震作用下，所有构件均保持弹性；中震作用下：转换桁架及框支柱保持弹性，少部分连梁、框架梁进入塑性，所有构件均未屈服；大震作用下：剪力墙底层出现少量抗弯屈服，部分连梁、框架梁抗弯屈服，转换桁架及框支柱未屈服。

大震作用下，罕遇地震需求谱与能力谱曲线及其交点（即性能点）位置楼层的最大层间位移角：X向最大为1/197，Y向最大为1/283，均小于规范的限值1/100，说明本工程结果可以满足“大震不倒”的抗震设防目标。

3.5 其他计算分析

对转换桁架另采用了平面框架（PK）及midas/gen有限元程序进行补充计算分析，设计时取包络值，以确保关键构件的安全。

图4 罕遇地震需求谱与能力谱曲线

4 结构设计

①本工程采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，主体结构设计使用年限50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期0.35s。建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别标准设防类。

②基础采用人工挖孔(扩底)灌注桩基，一柱一桩，核心筒下为群桩。桩端持力层为中风化泥质砂岩。地下室底板下水压力较大，在每两根柱之间增设一根抗浮桩，以抵抗水浮力。

③地下室底板采用平板结构，计算时按板带理论计算配筋，设计时适当加大桩承台平面尺寸以减小板带计算跨度，减小底板计算配筋。桩承台之间设暗梁拉结，同时考虑底板自重、上部荷载及板底水压力作用。

④似由于建筑功能要求不允许设缝造成结构超长，采取如下措施：a.地下室梁板混凝土采用补偿收缩混凝土；b.在各单元的端跨梁板中配纵向温度钢筋；c.在适当位置设温度后浇带，主楼与裙楼之间沉降后浇带兼做温度后浇带。

⑤控制梁板的挠度和裂缝，大宴会厅顶29.7m大跨度梁控制梁间距不大于3.0m减小单根梁荷载，施加预应力控制裂缝和挠度，为方便施工采用在屋面张拉。其他跨度超过7.0m的梁施工中均要求预起拱3‰。

⑥对剪跨比≤2.0的短柱，采用沿柱高全长箍筋加密的方式处理，对个别剪跨比≤1.5的超短柱采用沿柱高全长箍筋加密+芯柱的方式处理。

⑦转换桁架层楼板（上下层）进行重点加强，楼板厚度为200mm，钢筋≥Φ10@150双层双向，有效传递水平力至剪力墙。

⑧其余部分按规范及计算要求设计，重点部位加强配筋保证结构安全，普通部位严控配筋量降低造价。

5 结语

①本工程经过多种软件、多种模型、多阶段对比计算、包络设计，并根据计算结果调整优化结构布置，最终各项指标满足规范及抗震专项审查要求。结构虽属超限结构，但经过采取适当的加强措施，完全达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”三水准设防目标。

②结构设计中概念设计很关键，尤其是复杂体系高层结构。在建筑方案阶段结构设计就要深度参与，在满足建筑功能的前提下尽量减少结构体系的不规则项，确实不能避免的，要判断结构的可行性并拿出相应的解决措施。关键部位要进行多方案对比试算，最后制定完善的结构方案。

③结构设计时重点部位需加强，确保结构安全，普通部位不留太多的安全储备，尽最大可能降低工程造价。