北京金雁饭店抗震性能评价
张永强
（上海华都建筑规划设计有限公司上海200092）
[摘要]北京金雁饭店是立面造型独特且结构复杂的高层建筑分析了结构的平面及竖向不规则性，有针对性地提出了解决方案.通过两程序的对比分析、弹性时程分析、中震作用分析、弹塑性时程分析得出结构能够满足性能设计要求的结论：最后对关键构件和工程的关键问题进行了分析讨论
[关键词]钢管混凝土柱：斜柱：性能设计
中图分类号：TU313 文献标识码：A 文章编号: 1002-848X( 2012) 07-0005-06
Seismic performance evaluation of Beijing Jinyan Hotel
Zhang Yongqiang
( Shanghai Huadu Architecture & Urban Design Co. Lad. Shanghai 20092 China)
Abstraet: Beijing Jinyan Hosel is a tllbuilding whose shape is very speial and unique and the structure is ery ples.based seisemic design. At last the key points of this structure as well as important segments were analyzed asd diseussed.
The beyond eode limits of this building were analyzed and the relevant solution schemes were poposed. Aeearding to theparison on the analysis resalts of the Iwo progams elastic time-history analysis melium earthquake effet analysis elastic -plastie time-history analysis the conclusion was got that the structure can meet the requirement of performance
Keywords: conerete-illed steel ubular; inclined column performanee based seismic design
1 工程概述
北京金雁饭店重建工程位于北京市怀柔区，建成后将成为雁栖湖惟一的五星级酒店项目，该项目总建筑面积7.9万m².塔楼17层，裙房2层地下1层（塔楼地下2层）.主要结构高度79.9m，采用 混合框架钢筋混凝土核心筒混合结构：裙房建筑高度为11m，采用钢筋混凝土框架结构；主楼平面呈椭圆形立面呈圆形整体呈“日出东方”之态，见图12.抗震设防烈度为7度，抗震设防类别为标准类基本地震加速度值为0.15g场地类别ⅡI类，第 二组；安全等级为二级，设计使用年限为50年.基本风压0.50kN/m²，体型系数为1.4.温度作用取值：结构合拢温度为15℃极限低温为-27℃C，极限高温为42℃.
图2塔楼层12结构平面图
钢筋混凝土核心筒混合结构体系，主楼平面呈椭圆形平面最长处约94m最宽处约38m，高宽比为3.5（按层3较小平面宽度计算）.核心筒位于主楼两侧各1/3处，对称布置，平面为矩形，核心简高宽300mm.外围框架柱沿外立面弧形布置成斜柱，间 比为8.33，外墙厚度为400mm，内墙厚度为200~距4.8-14.4m不等均为圆钢管混凝土柱外径由1000mm减小至600mm-塔楼楼盖结构为钢梁和压型钢板上浇混凝土面层的组合楼面体系.
弧形设置整体结构骨架组成灯笼形铁饼状，每层外国钢管混凝土柱之间用钢梁刚性连接，并且每根外围钢管混凝土柱都与混凝土核心筒用钢梁刚性连接形成第二道抗侧力体系并将因柱子斜向布置产
图1建筑效果图
2结构体系与特点
2.1结构体系
主塔楼采用混合框架（钢管混凝土柱钢梁）
2.2工程特点
3 设计思路
生的梁内轴向力传递给核心筒等抗侧力体系.这个系统也为整体结构提供了扭转刚度，增强了结构的整体性提高了结构的余度-在层8门厅大堂外 悬挑处，设置面内斜拉杆拉结至内部柱子处，以减小竖向变形，结构整体布置见图3.
材料强度设计：核心筒剪力墙混凝土强度等级基础-地上层10为C60层11-12为C50层13- 14为C40其余层为C30;钢管混凝土柱内混凝土强度等级均为C60:钢材均采用Q345B.
图3结构整体布置示意图
1)裙房与主楼相连接，且塔楼偏置，底部楼层质心与刚心候差较大，下部楼层的扭转问题应加以 解决控制底部2层楼层位移比小于1.5；2）主楼底层有挑高大空间（高19.5m），形成穿层柱：且层8以上该穿层柱分支成2根斜柱：另外本工程外形为铁饼状外围圆钢管柱均为斜柱；3）平面布置上， 下部层4-7为挑空大厅，两核心筒间无梁板拉结，开洞面积大于30%；4）由于外形原因柱子下部楼层逐渐内收，在层3楼面处，有三柱并一柱和两柱并一柱的情况这些节点受力较大且复杂
针对本工程的上述特点，设计时应注重结构的概念设计对结构薄弱部位应当加强构造措施
（1）主楼结构平面为梭形，双轴对称布置结构杆件，两核心筒对称布置在1/3的腰部有利于结构抗扭且楼层刚心与质心基本重合整体结构外形 呈铁饼状外轮廓骨架为钢管混凝土斜柱斜柱与核心筒通过钢梁刚接联系，并尽可能使钢梁贯通核心筒剪力墙形成对称拉结（X，Y向均设置墙内暗梁-型钢梁）从而组成整个抗侧力体系-
（2）工程独特的外形使外围框架柱均呈斜向布置，采用受力性能优异的钢管混凝土斜柱比普通混凝土框架柱可获得较好的结构性能
（3）通过构件材料强度及柱子截面大小的变化控制结构楼层抗侧刚度均匀变化避免楼层刚度
突变.
4 整体计算
4.1结构周期
（4）在裙房的远端设置斜撑，且端部两排框架柱采用劲性混凝土柱，以加强其抗震性能.
（5）核心筒内采用现浇钢筋混凝土楼板，板厚150mm，并与核心筒墙体整体浇筑，适当加大配筋，以保证筒体的整体刚度.层8楼板加厚至180mm，以保证水平力的传递，协调两核心筒的变形，建筑层8以上每3层有一中空大厅在该洞口的封闭楼 层该部分楼板加厚至150mm并适当增加配筋
（6）由于工程斜柱较多，整体计算时应当考虑竖向地震作用：另外柱子的斜置使结构有外扩的趋势楼层梁内将出现拉力，设计时应考虑拉力影响， 计算时应采取楼板弹性膜的计算模式，由于结构软件将梁构件按照受弯构件设计忽略轴力作用，设计时应取钢梁的受弯应力比与受拉应力比之和小于1.0.根据上述设计思路提出结构的性能设计目标见表1.
结构性能设计目标(D) 表1地震 作用 多遇地震 （小震） 设防地震 （中震） 罕遇地震 （大震）目标定 性措述 不损坏（1) 损坏可修复（4) 需排大险， 无例塌（5）底部加强区墙体、框架柱 抗弯不屈服抗前截面满误计 计算 强度设计 与查形验 是VckVx<0. 15f 变形验算， 判断薄内容 算 Mk;新柱交汇的关键节 点弹性 环节地露输入 谱、时程地 规范反应 规范反应谱 时程地霜波位移角 限值 008/1 - 1/100构件设计 按规范设 按性能目标设计 按性能目 标设计荷载系数 荷载基本 荷载标准组合，且抗震调荷载标准材料强度设计值 组合 标准值 整系数取1.0 标准值 组合 注：1）表中性能目标D及性能水准1A5按照（高层建筑湿凝表中公式告量含义参见高规公式3.11.34. 结构的整体计算采用SATWE和MIDASBuilding进行对比校核.嵌固部位根据楼层刚度比板假定阻尼比取0.04. 和结构布置情况选为地下层！计算时，采用刚性楼 计算得到的前3阶模态的振动周期结果列于表2对应的振型示意见图4.两种程序的计算结果基本吻合：从计算结果来看，第1阶和第2阶振型分 别为YX向平动，第3阶振型为扭转，第1扭转周期与第1平动周期的比值小于0.85，说明该建筑扭转刚度较好- 果其余楼层的水平地震剪力系数均大于2.4%，符合规范要求不必进行楼层剪力的调整. 4.3结构顶点最大加速度 在阻尼比为2%及考虑风向效应情况下，10年重现期风荷载下主楼结构顶层的加速度最大峰值：Y向顺风向为0.016m/s²<0.25m/s²；x向顺风向为0.010m/s²<0.25m/s².满足高规第3.7.6条的楼层舒适度要求. 结构周期对比 周期重力荷载有效质量系数/ 表2程序 周期 平动系政 比 代表值/x x向1向PKPH 7 1. 655 3 0. 99 0.01 1. 958 8 |0. 00 0. 99 0. 78 11 877 085.16 99.51 99.671. 522 3 0. 01 0. 00 1. 940 2 0.04 0.61MIDAS 7 1.634 6 0.66 0. 050. 791871781.991. 79 91.797 [ 7 1. 541 6 0. 09 0.07 4.4结构相对抗侧刚度 计算时考察了结构本层侧移刚度与下一层相应侧移刚度的比值（剪切刚度），其沿结构竖向逐步增大，变化均匀：结果也表明：本层侧移刚度与上一层 相应侧移刚度70%的比值、本层侧移刚度与上一层相应侧移刚度90%，110%或者150%的比值（高规）均大于1.00结构沿竖向抗侧刚度无突变刚度比符合规范要求 4.5结构楼层受剪承载力 本层与上一层受剪承载力之比最小值为：X向0.81（层3）：Y向0.81（层3）.可见各层比值均大于0.80楼层受剪承载力满足高规3.5.3条的规范要求. 4.6高层结构稳定性验算及抗倾覆验算 结构整体分析结果表明：X向刚重比为9.10，Y向刚重比为10.89均大于1.4能够通过高规5.4.4条的整体稳定验算；结构刚重比大于2.7，可以不考大于1.0结构整体抗倾覆满足要求. 虑重力二阶效应：抗倾覆力矩/倾覆力矩的数值均 4.7框架柱承担剪力调整及框架柱倾覆力矩百分比 参照高规8.1.4条塔楼柱子剪力调整按照框架柱数量变化分段调整，塔楼主要以层3底部总剪柱，为保证其他柱子的安全性增强结构的抗震第二 力为基础进行调整.塔楼底部层3-7有4根穿层道防线不考虑这4根穿层柱承担楼层剪力并把其剪力分担到其他柱子上去，综合后确定各楼层框架柱的0.2V.调整系数. 图4振型示意图 4.2结构响应 反应谱法及风荷载作用下计算得到的结构最大响应结果列于表3.可以看出，两个软件计算结果吻合良好层间位移角及位移比均满足规范要求地震作用下底层的剪重比在正常范围内，且满足规范规定的最小水平地震剪力系数要求根据计算结 29%Y向为18%在10%-50%范围内根据高规 本工程底层框架柱倾覆力矩所占比例X向为8.1.3条规定，应该按照框架剪力墙结构进行设计.因此本工程弹性计算分析时按照框架核心筒结构定义结构类型是合适的. 地震及风荷载作用下结构最大响应 表3 PKPM MIDAS最大层间 结构响应 X 1/1 360 1/7 102 风 1/1 229 地霜 1/6 915 风位移角 Y 1/1 081 1/2 553 1/1 052 1/2 047位移比 x Y 1. 18 1. 12 1.32 1.35 1. 09 1. 09基底跨力 /kN x 91 245. 37 90 671. 53 10 465. 5 88 319. 59 6 009. 2 88 660. 27 4 799.1 11 013. 9基底剪重 x 4.83 - 4. 80比/% Y 4. 86 4. 77 4.8弹性时程分析 弹性时程分析所取地面运动最大加速度为55gal采用7组强震加速度记录作为弹性时程分析的地震波输入，两组人工波RD1，RD2和五组天然波TD1-TD5.输入中考虑了双方向地震动时程输 4.9中震分析 弹塑性时程分析 入的影响两方向加速度时程峰值比为1:0.85. 的结构响应与反应谱法计算结果比较接近，见表4. 对应7条输入地震时程曲线，时程法计算得到 最大层间位移角 基底剪力/kN结果 x y X YTD1 RD1 1/1 425 1/1 611 1/1 121 1/1 351 92 019.8 95 218 101 858. 3 86 583. 3TD2 1/1 385 1/1 512 1/1 105 1/1 019 91 355. 5 96 545. 9 150 423. 7 83 237. 9TD3 1/1 059 1/1 205 111 452. 7 95 906. 5TD4 TD5 1/1 320 1/889 1/1 091 1/1 008 114 193. 9 98 855.1 101 135. 3 92 286.9平均值 1/1 313 1/1 360 1/1 172 1/1 081 99 948. 7 90 671. 53 101 633. 1 91 245. 37反应谱 振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，7条时 每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均大于程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%满足规范的要求. 结果吻合良好，见图5.可知Y向顶部构架时程分 7条波的最大层间位移角平均值与反应谱计算析时位移候大，CQC法计算时，应设置顶塔楼放大系数以保证顶部构架的安全. 震地震影响系数取0.340，取消组合内力调整，荷 中震计算采用CQC法分析主要计算参数同小载作用分项系数取1.0材料强度取标准值，抗震承载力调整系数取1.0.楼板设为弹性膜 向为1/480，Y向为1/382.结构剪重比X向为 中震作用下结构最大层间位移角结果见图6X13.69，Y向为13.77.可知结果合理 为进一步分析结构在罕遇地震下的抗震性能， 注：起始楼层为地下层1图68同. 图5弹性时程与CQC楼层最大层间位移角对比 计算结构在罕遇地震下的整体控制指标（包括最大罕遇地震下的塑性损伤情况，针对结构薄弱部位和 层间位移及最大基底剪力），研究结构关键构件在薄弱构件提出相应的加强措施，对结构进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析. 计算采用PUSH&EPDA软件，为提高计算效率，对模型进行了修改：1）主要去掉顶部塔楼，将上部荷载）可忽略；2）去掉0.000m标高以下的大地库， 构架折算成恒载施加于核心筒上，活载（弧顶无活着重研究高层塔楼在地震作用下的动力特性.根据弹性计算结果地下层1侧向刚度/层1楼层侧向刚度均大于2，满足地下层1可以作为上部结构的嵌固端的条件. 5.1地震波选择 计算选用中国建筑科学研究院提供的强震加速度记录作为动力时程分析的地震波输入，包括一组人工波RH1和两组天然波TH2（SAN FERNANDOEARTHQUAKE FEB 9 1971) TH3 ( SAN JOSE EARTHQUAKE 4-Sep-1955).TH2 地震波波形及加速度谱如图7所示. 计算时采用双向水平地震输入，主次方向地震波峰值比为1：0.85，地震波有效峰值加速度为5-10倍 310cm/s地震波持续时间均超过结构第1周期的 5.2构件模型及整体计算参数 EPDA杆系构件弹塑性模型采用纤维束模型，弹塑性墙元面内刚度的力学模型采用平面应力膜，并可以考虑开洞：钢骨混凝土构件和钢管混凝土构 件分别计算钢骨和混凝土两部分的刚度然后叠加进行处理- 计算时楼板采用弹性膜假定：结构的阻尼比取0.05初始状态采用重力荷载代表值（恒载0.5活 图6中震作用下楼层最大层间位移角 图8罕遇地震作用下结构楼层位移角 拉裂缝）、受力较大的钢梁和裙房框架柱-钢管混凝土柱均未出现塑性较 6 关键构件和关键问题 6.1核心筒剪力墙 图7TH2罕遇地震波加速度谱和时程曲线 计时应确保其性能达到预期目标：1）墙体厚度：核 塔楼核心筒剪力墙为结构第一道抗震防线，设心筒外围400mm，内部200~300mm；2）经计算，底部加强区域剪力墙轴压比小于0.3满足规范要求；3）验算穿层高墙体的稳定满足规范要求：4）剪力墙在中震下墙体剪压比大部分小于0.15，但全部小 于0.2超过0.15的墙设计时应设置型钢暗柱；5）中震下验算剪力墙抗弯不屈服：6）中震下底部加强区墙体出现拉应力，但拉应力约为6.4N/mm²此拉力全部由型钢暗柱承担. 载）.钢材采用了双线性的本构关系；混凝土材料采用考虑退化的三线性本构关系. 5.3弹塑性时程分析结果 大震作用下楼层剪力及楼层位移响应见表5. 地震作用下层间位移响应及剪重比对比 表5 地震液 大震作用下最大层间位移角 xRH1 1/111 1/105TH2 THD 1/157 1/146 1/135 1/134结构总重/kN 平均值 1/138 713 279 1/125地震作用 剪力/kN 剪重比/%小震作用 28 157.82 x 25 486. 96 y 3.95 X 3.57 Y中震作用 大需作用 113 839. 33 75 562.88 104 495. 37 2126 2 10. 59 15. 96 14. 65 10.22 6.2钢管混凝土柱 钢管混凝土柱是重要的竖向构件，设计时按照性能目标及抗震构造进行设计：1）控制柱子常遇地震与设防地震作用下的轴压比满足规范要求；2）按标，并验算门厅穿层柱的长细比：3）中震作用下，底 照高规要求，限制钢管混凝土柱的径厚比、套箍指部区域柱子出现拉力在不考虑混凝土受拉情况下，钢管内应力仅为53N/mm²，处于较低应力水平：4）对重要柱节点采用铸钢件并进行有限元分析使这些节点满足大震不屈服的性能设计目标.图9为某 一节点的应力云图，满足强节点弱构件的设计原则及预定性能目标 注：按照弹型性模型重新计算小震和中震作用下的基底剪力以便对比剪力变化情况. 大弹塑性层间位移角为RH1地震波作用下层8的， 罕遇地震下楼层弹塑性位移角见图8结构最为1/105<1/100，满足规范要求，保证了大震不倒的性能目标要求. 在罕遇地震波输入过程中结构的破坏形态可描述为：核心筒内个别剪力墙出现受拉裂缝；然后混 凝土连梁出现塑性铰随后裙房混凝土梁、柱出现塑性较；随着地震作用的发展，钢框架梁亦出现塑性铰主要为中部楼层核心筒与框架柱相联系的刚接梁.地震波结束时，主要塑性损伤集中在核心筒混凝土连梁、底部加强区墙体及顶部剪力墙（出现受 6.3楼层板设计 应力，设计时应配置足够的钢筋来承担板内拉力钢 同梁内出现拉力的原因相同，楼板内将出现拉梁上应设置足够的抗剪栓钉来传递剪力. 采用MIDAS软件对梁内拉力最大的楼层（层4）楼板进行详细的分析.由恒荷载活荷载作用下的应力云图（图10)可以看出结构梁内拉力部分
