某五星级酒店位于青岛西海岸新区人工填岛上, 建筑自左向右可分为左、中和右3个塔楼, 中塔南侧入口处为32m×37m大雨篷。地下1层为酒店健身及配套用房, 层高为6.50m。中塔楼地上9层, 左、右塔楼地上7层, 其中1层为大堂及餐饮用房, 层高为13.10m;夹层为办公、机房及设备转换层, 层高为2.19m;2~9层为酒店客房, 2~7层层高为3.80m, 8层层高为4.80m, 9层层高为5.40m, 屋面造型层层高4.50m。建筑总高度为50.84m, 总建筑面积为5.2万m², 其中地上建筑面积4.6万m², 地下建筑面积0.6万m², 建筑效果图见图1。

　　 建筑设计使用年限为50年, 安全等级为二级, 抗震设防类别为标准设防类, 抗震设防烈度为6度, 设计地震分组为第三组, 建筑场地类别为Ⅲ类, 场地特征周期T_g=0.65s。基本风压w₀=0.60k N/m², 地面粗糙度类别为A类。

　　 根据青岛市工程地震研究所提供的安评报告^[1], 本工程50年超越概率分别为63% (小震) 、10% (中震) 、超越概率2% (大震) 时的设计地震反应谱参数值均高于抗震设防烈度为6度的参数值。其设计地震动反应谱参数及取值见表1。

　　 由于本工程地下室在北侧临海面完全露出室外地坪, 结构设计时以基础顶作为上部结构的嵌固位置。建筑左、中、右3个塔楼通过连廊相连, 组合平面呈U形, 通过在塔楼连廊处设置2道防震缝、在中塔楼与南侧大雨篷间设置1道防震缝, 将建筑分为3个相对独立的塔楼及入口大雨篷, 各塔楼均采用框架-剪力墙结构, 形成双重抗侧力体系, 以满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2] (简称高规) 宜多道设防的要求, 框架抗震等级为三级、剪力墙抗震等级为二级 (局部单榀框架处, 抗震等级提高一级) , 标准层结构布置见图2;入口大雨篷采用框架结构, 抗震等级为二级。

　　 中塔楼总长度 (未包含连廊部分) 为106m, 有效宽度仅为15.2m, 长宽比达7.0, 远超高规中设防烈度为6度地区关于长宽比的限值, 而中塔楼端部因建筑功能要求, 剪力墙不允许落至地下室, 为控制结构扭转位移比及减小由于两端地震波输入的相位差而导致结构产生不规则振动作用, 在中塔楼每层平面的左右两端山墙及南侧电梯井两端共设置4道BRB屈曲约束支撑 (图2中○2-3, ○2-4, ○2-11, ○2-12轴位置) 。

　　 中塔楼南侧的大雨篷采用8个截面为1m×1 m的框架柱作为支承结构, 雨篷屋面径向梁均随同建筑标高变化形成曲面梁, 径向梁和水平环向梁纵横交织, 形成了梁式混凝土拱壳结构, 此结构明显区别于传统坡屋面结构做法, 即框架柱上设水平梁, 梁上升柱, 柱上再设置混凝土梁。经测算, 此做法用钢量较小、屋面刚度较大, 并较好地体现出庄重典雅的建筑效果, 大雨篷及2层局部结构布置见图3。

　　 以中塔楼为例, 存在如下超限:1) 平面凹凸不规则。因建筑使用功能及造型需要, 中塔楼南侧楼、电梯间 (图2中○2-4~○2-6轴、○2-9~○2-11轴) 凸出主楼达8.2m, 达到总尺寸20.2m的41%, 远大于《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3] (简称抗规) ^[3]规定的30%限值。2) 楼板局部不连续。中塔楼首层中部为面积800m²的酒店大堂入口, 大堂通高2层, 导致2层的开洞面积达楼面面积的40%, 且大堂顶板与两侧客房楼面仍有1.4m的较大高差, 因此采用加腋等处理措施。3) 竖向体型收进。中塔楼大堂屋面标高为13.1m, 大于建筑总高度50.84m的20%, 2层向上主体结构的楼面总宽度为11.9m, 小于大堂楼面总宽度29.2m的75%, 按高规第3.5.5条的规定, 判定为竖向体型收进, 属竖向不规则建筑。

　　 根据结构超限情况及地震安评报告, 结构设计时, 多遇地震作用下按安评报告提供的设计地震动参数进行计算, 即α_max=35×2.6/980=0.093, 以满足规范“小震不坏”的抗震设防要求, 中震和大震设计时仍采用现行规范提供的设计地震动参数。

　　 参考抗规, 本工程的抗震性能目标为:在多遇地震作用下, 结构整体各项指标满足规范要求, 构件处于弹性状态;关键环节、薄弱部位根据其重要性程度满足相应的中震弹性或大震不屈服要求。工程及关键构件的抗震性能目标见表2。

　　 多遇地震计算分别考虑抗规及安评报告包络设计。采用抗规地震影响系数0.04时, 相应特征周期T_g=0.65s;采用安评报告提供的地震影响系数0.093时, 相应特征周期T_g=0.50s。对于本工程, 安评报告提供的地震影响系数对结构计算起控制作用。

　　 根据抗规要求, 本工程采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法进行小震下的弹性分析, 采用PKPM和YJK两种计算软件对比校核, 周期折减系数取0.8, 阻尼比取0.05, 选取18个振型以保证振型参与质量系数大于90%。主要计算结果对比见表3。从计算结果可以看出, 两种软件的计算结果相近, 证明了结构建模和计算分析的正确性。

　　 设防烈度地震作用计算时, 采用规范反应谱, 地震影响系数为0.12, 结构阻尼比为0.06, 特征周期T_g=0.65s, 中震弹性和中震不屈服分析计算参数依据表4取值, 采用YJK软件进行计算分析。

　　 中震弹性和中震不屈服的验算结果表明:在中震作用下, 竖向构件均处于弹性工作状态, 梁未出现受剪屈服, 底部加强部位个别连梁出现受弯屈服, 仅出现轻微的损伤, 故本工程能够满足中震弹性和中震不屈服的抗震性能目标要求。

　　 本工程采用YJK软件对塔楼模型进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。地震波选用程序提供的波形, 根据设计要求, 其中人工地震波选用Art Wave-RH1TG070, 其特征周期为0.70s;天然地震波选用Chi-Chi, Taiwan-06_NO_3277, Friuli, Italy-01_NO_125, 特征周期均为0.70s, 图4为时程反应谱与规范反应谱的对比。天然波和人工波均能满足规范上“统计意义上相符”的要求。

　　 分析时, 采用了安评报告提供的50年超越概率为2%的地震动加速度峰值171cm/s², 按照抗规的要求进行了双向地震时程分析。地震波的有效持续时间为15s, 大于结构基本周期的5倍。表5为3条地震波的层间位移角分析结果。

　　 YJK软件通过定义构件损伤因子来直观查看构件在地震波各时间点对应的损伤。损伤因子>0.5为轻微损伤、损伤因子>0.75为中度损伤、损伤因子>0.95为重度损伤、损伤因子>1.0为破坏状态。图5和图6分别为结构受压和受拉损伤云图。

　　 通过动力弹塑性时程分析及损伤云图可得出如下结论:

　　 (1) 在完成罕遇地震动力弹塑性分析之后, 结构仍保持直立, X向、Y向的最大层间位移角均满足高规不得大于1/100的限值要求, 能够达到“大震不倒”的抗震设防目标。另外罕遇地震作用下基底剪力约为多遇地震作用下基底剪力的3.6~4.1倍, 验证了所选取地震波的合理性。

　　 (2) 动力弹塑性时程分析过程中结构的破坏形态为:结构的连梁最先出现轻微损伤, 然后连梁损伤不断增加, 随着时间的推移, 部分框架梁也开始出现轻微损伤, 在罕遇地震下结构的大部分连梁及部分框架梁进入塑性阶段参与结构的整体塑性耗能。

　　 (3) 第1层约15.9%剪力墙出现轻微损伤、第3层约13.4%剪力墙出现轻微损伤、第10层约13.0%剪力墙出现轻微损伤, 其余楼层剪力墙出现轻微损伤比例均在10%以内;无剪力墙出现中度损伤, 无框架柱出现轻微损伤。剪力墙作为第一道防线分担了较大的地震力。

　　 (4) 中塔楼大堂局部错层部位剪力墙工作状态较好, 基本未进入屈服后状态, 证明所采取的加厚该部位墙厚及提高配筋率等措施合理有效。

　　 (5) 大部分连梁和部分框架梁出现轻微损伤, 进入塑形状态, 但均未出现中度损伤, 能够确保结构具有良好的耗能能力。

　　 综合以上分析, 中塔楼结构在给定的地震波的罕遇地震作用下整体受力性能良好, 能够满足罕遇地震下的抗震性能目标。

　　 采用矩形截面的TJ型屈曲约束支撑, 钢芯采用国产热轧Q235B, 试验结果表明, 该类型屈曲约束支撑的滞回曲线饱满, 具有较稳定的受力特性、优良的延性和低周疲劳性能^[4]。

　　 采用方钢管截面来模拟TJ型屈曲约束支撑, 方钢管的截面面积与采用的屈曲约束截面面积相同, 通过多轮计算分析, 多次调整屈曲约束的截面面积来改变其轴向刚度, 以调节主体结构的抗侧刚度。

　　 本工程因建筑房间的使用功能要求, 在结构的两端山墙位置无法设置剪力墙, 初步计算后结构位移比在两端部位最大 (偶然偏心工况下Y向最大位移比为1.25) , 为避免此参数值超过规范限值, 在结构的两侧薄弱部位增设屈曲约束支撑以提高结构的抗扭刚度, 增设屈曲约束支撑前后计算参数分析结果如表6所示。

　　 计算分析结果表明, 增设屈曲约束支撑能有效减小地震作用下的层间位移, 并控制扭转位移比在1.2限值以内;小震作用下屈曲约束支撑处于弹性状态, 中、大震情况下进入塑性耗能阶段, 滞回曲线饱满, 耗能良好^[5]。

　　 中塔楼中部有较大范围 (长度为33.6m) 的单榀框架, 且柱距较大 (最大为14.1m) , 此单榀框架柱在首层大堂范围为穿层柱, 大堂顶高度13.1m, 结构变形与两侧结构变形相差较大, 且该单榀框架边支座的约束相比其他中间支座较弱, 在地震作用下, 对弯矩的传递、力的传导都不利, 在地震作用下容易导致梁柱节点的破坏。节点破坏可能导致梁退出工作, 对中间单榀框架而言, 相当于边柱在一跨平面内的约束消失, 本来就不利的约束条件变得更加不利, 极易发生柱的失稳, 导致单榀框架结构整体的破坏。因此结构设计时在此部位两端设置约束剪力墙, 并对此部分采用性能化设计 (至少达到中震弹性) , 采取框架柱加设芯柱及适当加强梁柱配筋等措施来提高单榀框架的抗震能力。

　　 中塔楼通过连廊与西、东塔楼相连, 结构计算时, 考虑连廊参与整体计算和不参与整体计算2种模型进行分析, 包络配筋, 提高连廊部位梁柱的抗震等级, 并采用性能化设计的方法保证其中震不屈服。

　　 中塔楼地上总长度约为106m, 建筑功能要求不能设缝, 温度作用的影响不可忽视, 结构构件中的温度分布可认为由均匀温度作用、梯度温度作用、非线性温度作用3个分量叠加组成, 《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[6]仅对均匀温度作用的取值做了规定。本工程建筑外表设置了保温层, 结构体积不大, 框架结构的约束较弱, 温度作用计算时只考虑均匀温度作用的影响, 采用YJK软件进行结构温度应力计算, 计算时采用全楼弹性楼板假定, 温度作用分项系数取1.4, 组合值系数取0.6, 混凝土构件温度效应折减系数取0.85。通过计算分析可知, 温度作用对结构纵向的远端影响较大, 距离结构中点越远, 结构变形越大, 相应的混凝土结构构件配筋增大。结构设计时, 采取加强梁腰筋、楼板钢筋双层双向通长设置等措施, 并根据楼板应力计算结果加强配筋。

　　 入口雨篷采用空间混凝土网壳梁结构, 采用8个截面为1m×1m的框架柱。因结构跨度较大, 柱网为31m×29m, 框架的抗震等级提高为二级。

　　 通过整体建模计算分析, 楼盖的主次梁均有较大轴力, 符合空间整体受力的特征, 第一扭转周期与第一平动周期比为0.70, 小于0.90, 满足规范要求, 雨篷结构计算分析模型及振型见图7。此种结构最大受力位置为四角支座, 即四角与框架柱的连接位置。结构设计时, 适当加强四角支撑梁的截面及配筋, 保证支座受力可靠。

　　 本工程外墙有较多的干挂石材、GRG线脚, 内部大空间也有较多的干挂石材, 且局部挑空位置填充墙体较高。因此, 非结构构件的受力安全及抗震设计也是结构设计的重要内容之一。

　　 例如中塔楼临海面大堂外隔墙设计中, 本工程除按常规要求外, 还增加如下加强措施:1) 大洞口两侧均设置构造柱, 宽度<2.1m的门窗洞口两侧均须设置钢筋混凝土抱框;2) 填充墙顶部与梁错位连接时, 采取可靠做法处理;3) 当填充墙高度>6m时, 则应沿墙高每2m设置1道200mm高水平通长圈梁, 对高填充墙进行稳定性计算, 并画立面展开图, 明确圈梁、构造柱设置位置, 见图8。

　　 斜屋面最大高度达9m, 结构计算时, 采用整体空间建模计算, 并进行屋面梁板拉应力的计算。

　　 根据地勘报告, 本工程场地所在交替变换的海水环境对基础具有强腐蚀性, 且地下混凝土具有大截面、大体量、长结构特征;因温度、收缩以及约束等原因而产生危害性裂缝。因此, 地下结构的防腐蚀、抗裂设计非常重要。设计时, 除了要求设置后浇带、加强养护、加强混凝土垫层做法以及加强防水构造等措施外, 同时参考了《混凝土结构耐久性设计规范》 (GB 50476/T—2008) ^[7]、《工业建筑防腐蚀设计规范》 (GB 50046—2008) ^[8]、《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[9]、《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》 (JTJ 275—2000) ^[10]等多种规范, 对混凝土的最大胶凝用量、抗硫酸盐等级、渗透性限值等提出了满足相应规范参数的基础理论值。

　　 本工程着重研究外加防腐剂与阻锈剂对混凝土防腐性能的影响。经建设单位委托研究分析可知:高性能防腐剂能够有效保障混凝土在强腐蚀环境下的力学性能, 大幅降低混凝土的质量损失;有机阻锈剂可大幅提升混凝土在干湿交替环境下内部钢筋的耐锈蚀性能, 见图9, 10。另外, 通过其他试验得出:防腐剂及阻锈剂的掺入, 对混凝土的抗裂性能没有影响, 不会引起混凝土收缩变形的增加。

　　 在混凝土开裂方面, 主要研究膨胀剂对混凝土开裂的影响。最终确定基础底板采用低碱型高效钙类抗裂剂, 掺量7%;侧墙采用具有水化热调控功能的温控、防渗型抗裂剂, 掺量10%, 并要求底板和侧墙的连续浇筑长度不宜超过35m, 有效解决了地下室防腐蚀及抗裂的要求。

　　 (1) 平面狭长的结构抗扭刚度较弱, 在无法设置剪力墙时, 可通过设置屈曲约束支撑来增大其抗扭刚度而不使结构地震力增大过多。

　　 (2) 对建筑中出现的个别复杂造型, 结构可合理利用其现有条件, 打破常规思路, 结合建筑造型进行结构的选型与设计, 不但能较好地体现出庄重典雅的建筑效果满足其适用性, 而且能保证结构的安全性与经济性。

　　 (3) 对超长结构应进行温度作用计算, 通过加强梁板通长钢筋、加强保温隔热措施等方式能有效地降低温度作用对结构的不利影响。

　　 (4) 单榀框架抗侧刚度小, 耗能能力弱, 抗震时无多道防线, 一旦柱子出现塑性铰, 连续倒塌的可能性大。因此当结构中存在单榀框架时应考虑其抗震的不利影响, 加强抗震措施, 以保证结构的整体安全。