西黃島Y形產(chǎn)權(quán)式度假酒店結(jié)構(gòu)分析
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雷 兵， 張興剛， 張玉明， 王金金， 姚傳國
（1聊城市規(guī)劃建筑設(shè)計院有限公司，聊城252000；
2大連市建筑設(shè)計研究院有限公司，大連116021）
[摘要] 山東大乳山西黃島Y形產(chǎn)權(quán)式度假酒店位于烈度低、風壓大的地區(qū)，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在以下問題：平面為不規(guī)則的Y形，結(jié)構(gòu)抗側(cè)與抗扭剛度不足；由于平面不規(guī)則且中部筒體樓板開設(shè)洞口，導致樓板受力較為復雜；結(jié)構(gòu)設(shè)計中風荷載起控制作用。針對以上的問題，提出了三種結(jié)構(gòu)方案，并通過對比分析優(yōu)選了結(jié)構(gòu)方案；通過采用SATWE，MIDAS/Gen和YJK三種軟件對結(jié)構(gòu)進行的整體分析。結(jié)果表明，所優(yōu)選的結(jié)構(gòu)方案具備較好的抗扭與抗側(cè)剛度；通過采用YJK軟件對樓板進行的應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，各肢結(jié)合部位樓板存在應(yīng)力集中，提出了對此部位的加強措施；根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計提出了結(jié)構(gòu)的抗風性能化設(shè)計，對該結(jié)構(gòu)進行Pushover分析，討論了結(jié)構(gòu)不同階段的受力性能，并采取了相應(yīng)的加強措施。
1 項目概況
西黃島Y形產(chǎn)權(quán)式度假酒店（圖1）位于山東省乳山市大乳山地區(qū)，分為南北兩塔，兩塔呈南北對稱，主體結(jié)構(gòu)布置相同，本文選取北塔進行結(jié)構(gòu)分析。該塔樓平面呈Y形，主體結(jié)構(gòu)地下1層、地上20層，采用剪力墻結(jié)構(gòu)。地下1層層高為6. Om，地上1層層高為6. 6m，地上2層層高均為3.9m，地上3層及以上層高均為3. 6m，標準層平面布置圖如圖2所示，ι/Bmax=0.54>0.35，ι/b=2.04>2.0，為平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)嵌固端選在基礎(chǔ)頂，地下1層至地上3層剪力墻混凝土強度等級為C35，地上4層至頂層剪力墻混凝土強度等級為C30。地上3層至頂層剪力墻厚度為200mm，局部剪力墻厚度為250mm;由于底部商業(yè)的需要，該結(jié)構(gòu)右面一肢地上2層無樓板，左面兩肢地上2層為公寓房間，且剪力墻間布置填充墻，使結(jié)構(gòu)左右部分剛度相差較大，為滿足剛度要求且避免底部出現(xiàn)短肢剪力墻，將地上2層右肢墻體加厚至350mm，左面兩肢墻體厚度仍為200mm;地上1層為空曠空間且層高相對上層較
大，為防止結(jié)構(gòu)上下剛度突變并增加結(jié)構(gòu)底部延性，將地上1層與地下1層剪力墻厚度均設(shè)置為350mm。
本工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本加速度為0. 10g，場地類別為I1類，結(jié)構(gòu)的抗震等級為四級。
對于一般工程，風壓取50年一遇的基本風壓。但本工程位于風荷載較大的沿海地區(qū)，其平面為Y形抗風不利平面，且存在臺風侵襲的可能性（據(jù)報道，1949~2013年，登陸山東的臺風一共有12次，其中4次在山東乳山登陸），因此，盲目地取50年基準期的風壓進行彈性計算可能偏于不安全，而按照100年一遇的基本風壓進行彈性計算則可能造成材料的浪費，故抗風設(shè)計采取如下原則：位移計算時取50年一遇的基本風壓，即0. 65kN/m2；承載力計算時取100年一遇的基本風壓的1.1倍，即0. 825k N／m2。風荷載體型系數(shù)取1.4。
2 結(jié)構(gòu)方案對比分析
對于Y形平面的結(jié)構(gòu)，應(yīng)加強外伸肢端部的剛度，以減小在水平力作用下外伸肢端部的外甩效應(yīng)，減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。另外，在水平力作用下，外伸肢與主體結(jié)構(gòu)之間或外伸肢之間的相對運動使外伸肢與主體連接處角部應(yīng)力集中，此部位容易出現(xiàn)震害，因此結(jié)合，加強本工程外伸肢端部和中部的側(cè)向剛度，以形成結(jié)構(gòu)主要的抗側(cè)力體系。為此，設(shè)計了三種方案以作對比分析，方案1和方案2結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示，方案3的結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。三種方案的區(qū)別主要是在分肢中部過道處設(shè)置不同連梁：方案1每肢中部不設(shè)置連梁；方案2在每肢中部均設(shè)置連梁，形成雙肢剪力墻；方案3在每肢靠近端部的3跨剪力墻處設(shè)置連梁形成雙肢剪力墻。
采用SATWE軟件計算得到三種方案的位移比及扭轉(zhuǎn)周期比如表1所示。由表1可以看出，方案1的抗側(cè)剛度最小，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比高于方案3和方案2；雖然方案2的抗側(cè)剛度最大，但扭轉(zhuǎn)周期比比方案3大；方案3的抗側(cè)剛度介于方案1和方案2之間，但扭轉(zhuǎn)周期比最小，位移比指標接近方案2�？梢钥闯�，對于Y形平面結(jié)構(gòu)，加大外伸肢端部剛度可提
高結(jié)構(gòu)總體剛度并控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。故本工程選擇抗側(cè)剛度和扭轉(zhuǎn)剛度均適宜的方案3。
之所以選擇方案3，也有如下考慮：由端部墻體與連梁構(gòu)成的端部抗側(cè)力構(gòu)件和中部簡體抗側(cè)力構(gòu)件構(gòu)成的主要抗側(cè)力構(gòu)件作為抗側(cè)力的第一道防線；當每肢端部連梁及靠近端部連梁作為耗能構(gòu)件發(fā)生破壞后，端部獨立墻肢與中部剪力墻作為抗側(cè)力的第二道防線，此時結(jié)構(gòu)的受力類似于方案1，結(jié)構(gòu)仍具有較大的剛度，如此形成多道防線；且當結(jié)構(gòu)遭遇罕遇地震或臺風侵襲時，即使每肢端部墻體及過道處連梁發(fā)生破壞，其也易于被修復。
3 結(jié)構(gòu)整體分析與設(shè)計
3.1結(jié)構(gòu)整體分析
由于本工程平面不規(guī)則、底部層高變化較大且中部簡體開設(shè)洞口，故采用SATWE，MIDAS/Gen和YJK三種軟件對結(jié)構(gòu)進行整體分析，圖4為結(jié)構(gòu)計算模型。由于結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的Y形平面，為保證各肢結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋能夠滿足承載力的要求，本工程整體計算按如下思路進行設(shè)計：地震作用與風荷載作用分別按0°，60°，120°三個正交方向進行計算，配筋取這3個角度下計算結(jié)果的包絡(luò)值。
由于結(jié)構(gòu)在3個計算角度下的整體受力性能相似，因此本文僅對00正交方向計算結(jié)果進行討論。表2為采用各軟件計算結(jié)果的對比，可以發(fā)現(xiàn)，周期比均滿足0.90限值的要求，結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)性能較好；最大層間位移比均不超過1.5的限值要求；風荷載和地震作用下，最大層間位移角均滿足1/1 000的限值要求；各軟件整體計算指標相近，說明本工程結(jié)構(gòu)布置及受力合理。
由表2可以發(fā)現(xiàn)，X向風荷載下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的基底剪力約為地震作用下的2. 89倍(SATWE)，y向風荷載下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的基底剪力約為地震作用下的2. 53倍(SATWE)；X向風荷載下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大層間位移角約為地震作用下的2.0倍( SATWE)，Y向風荷載下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大層間位移角約為地震作用下的2. 59倍(SATWE)，由此可知，本工程風荷載明顯強于地震作用，風荷載起控制作用。
由于本工程地上1層較地上2層層高變化較大，本文對底部層間剛度比進行了驗算，表3為采用SATWE，YJK和MIDAS/Gen計算的地上1層和地上2層經(jīng)層高修正后的層間剛度比和層間受剪承載力比�？梢钥闯�，最小層間剛度比不小于1.1，滿足規(guī)范要求，無軟弱層；層間受剪承載力比不小于0.8，滿足規(guī)范要求，無薄弱層；綜上分析，結(jié)構(gòu)在層高變化較大處無薄弱層的存在。
3.2開洞的中部筒體與分肢連接部位的分析
因開設(shè)大洞口導致中部筒體較為空曠，中部簡體與3個外伸肢之間的連接墻肢及拉梁承擔變形協(xié)調(diào)的功能，為了保證風荷載下連接墻體與拉梁的安全性能，采用YJK軟件對是否考慮中部簡體樓板剛度的影響兩種情況下的結(jié)構(gòu)進行分析。
表4為兩種情況下結(jié)構(gòu)周期的對比，可以看出，當中部簡體樓板設(shè)置為零剛度板時，結(jié)構(gòu)自振周期增大，結(jié)構(gòu)變?nèi)�，會導致風荷載效應(yīng)增大，結(jié)構(gòu)位移增大。因此，為了保證剛性樓板的假定，使計算模型與實際相符，應(yīng)對中間筒體及中間簡體與每肢結(jié)合部位的樓板進行加強，本工程將中間簡體及每肢外延一跨樓板厚設(shè)置為150mm，并加強構(gòu)造配筋。
由于中部筒體樓板設(shè)置為零剛度板，因此中部剛度相對各肢端部的剛度有所削弱，但根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)在中部簡體樓板設(shè)置為零剛度板假定下的扭轉(zhuǎn)周期比為0. 855，風荷載下X向最大層間位移角為111 230，y向最大層間位移角為111 022，仍能滿足限值要求；X向最大層間位移比為1. 08，y向最大層間位移比為1. 22，相對考慮中部筒體樓板剛度的影響時，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)降低。
中間簡體與外伸肢之間的連接墻體及拉梁承擔變形協(xié)調(diào)的功能，兩者受力復雜，配筋按照兩種情況下的最不利結(jié)果進行包絡(luò)設(shè)計；當中部筒體設(shè)置為零剛度板時，各肢端部墻體及連梁產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此，每肢端部墻體配筋也應(yīng)按兩種情況下的最不利值進行包絡(luò)設(shè)計。
3.3樓板平面應(yīng)力分析
由于本工程為平面不規(guī)則的Y形建筑，導致外伸肢在地震和風荷載作用下相對中部筒體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，再加上中間簡體樓板大開洞，使樓板應(yīng)力較為復雜，采用YJK軟件，通過計算樓板的應(yīng)力來進行配筋設(shè)計。典型樓層頂板應(yīng)力云圖如圖5所示，可以看出，中間簡體與外伸肢的連接部位存在較大的應(yīng)力集中，每肢中部過道處單向板由于傳遞墻體剪力的也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，對于存在應(yīng)力集中的樓板采取如下計算公式設(shè)計：
受拉區(qū)：
受壓區(qū)：
式中：fv為受力鋼筋的強度設(shè)計值；As為受力鋼筋的截面面積；bi為計算截面的單位寬度，可取1 000mm；Ah,為計算截面的高度，可取板厚的1/2；fc為混凝土的抗壓強度設(shè)計值；σ1為計算所得的樓板應(yīng)力值。
綜合計算結(jié)果和構(gòu)造要求，每肢中部過道處樓板、中部筒體樓板及中部簡體樓板向每肢延伸一跨樓板厚度均采用150mm，雙層雙向配筋，采用計算配筋且配筋率不小于0. 35%。
3.4靜力彈塑性分析及薄弱部位的處理
由于本工程屬于不規(guī)則的Y形平面，因此，按彈性靜力計算方法對結(jié)構(gòu)的薄弱部位難以進行有效的估計并進行加強。為了了解結(jié)構(gòu)在風荷載及地震作用下薄弱部位的分布及損害情況，采用MIDAS/Gen（荷載分布形式為風荷載分布）和EPDA（荷載分布形式為倒三角形分布）軟件對結(jié)構(gòu)進行了Pushover分析。
3.4.1性能目標的確定
由3.1節(jié)的分析可知，本工程由風荷載起控制作用，由于本工程抗震設(shè)防類別屬于丙類，根據(jù)抗震性能化設(shè)計，制定了如下風荷載作用下，結(jié)構(gòu)的性能目標：當結(jié)構(gòu)受到10年一遇的基本風壓作用時，滿足舒適度的要求；當結(jié)構(gòu)受到50年一遇的基本風壓作用時，滿足彈性位移限值的要求，并滿足連梁承載力的要求，此時，連梁的剛度不進行折減；當結(jié)構(gòu)受到100年一遇的基本風壓作用時，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的要求；當結(jié)構(gòu)受到罕遇臺風侵襲時（大體相當于基本風壓1.1 kN／m2），應(yīng)能滿足結(jié)構(gòu)主體不發(fā)生破壞，但允許部分非關(guān)鍵連梁破壞，以作為耗能構(gòu)件，并滿足彈塑性位移角限值的要求。
本工程按100年一遇的基本風壓進行承載力設(shè)計，此時對應(yīng)風荷載下結(jié)構(gòu)整體剛度基本處于彈性狀態(tài)。由于此狀態(tài)下由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》( GB 50009-2012)給出的靜力等效風荷載計算得到的風振響應(yīng)基本可以滿足工程實際的需要。因此，本文通過查看不同基準期的基本風壓對應(yīng)的結(jié)構(gòu)基底剪力下結(jié)構(gòu)的損傷情況來考察結(jié)構(gòu)是否滿足相應(yīng)的抗風性能目標。當風荷載進一步加大時，結(jié)構(gòu)進入彈塑性受力狀態(tài)，靜力等效風荷載對
應(yīng)的結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)偏小，但可以得出結(jié)構(gòu)受力相對的薄弱部位。
本工程抗震性能目標為“小震不壞，中震可修，大震不倒”。
3.4.2靜力彈塑性分析結(jié)果
采用MIDAS/Gen軟件按照風荷載分布的方式對結(jié)構(gòu)進行了X向、y向的Pushover分析。分析得到的基底剪力，頂點位移曲線如圖6所示，可以看出，隨荷載的增加，曲線斜率不斷減小，結(jié)構(gòu)的剛度不斷降低；100年一遇基本風壓下結(jié)構(gòu)的基底剪力約為13 000kN，此風壓以下對應(yīng)Pushover曲線斜率基本為一直線，說明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。圖7為Pushover分析得到的50年一遇的基本風壓下層間位移角曲線，可見，所有樓層的層間位移角均滿足111 000限值的要求。
圖8為100年一遇基本風壓下結(jié)構(gòu)損傷圖，可見，只有少部分非框架梁出現(xiàn)塑性鉸，其他框架梁只是出現(xiàn)開裂但并未破壞，剪力墻基本沒有發(fā)生破壞。隨著荷載的施加，端部過道處連梁以及中部簡體處連梁（框架梁）開始出現(xiàn)塑性鉸，隨后每肢中部連梁（框架梁）開始出現(xiàn)塑性鉸，說明端部過道處連梁以及中部筒體處連梁（框架梁）首先產(chǎn)生破壞以作為耗能構(gòu)件是符合設(shè)計預期的。隨著荷載的施加，個別墻體開始發(fā)生剪切破壞。圖9為罕遇基本風壓下墻體損傷圖，可以看出，墻體破壞主要集中在每肢端部，端部墻體對結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)力貢獻較大；但此時結(jié)構(gòu)整體剛度并沒顯著減小，根據(jù)計算結(jié)果，最大層間位移角為1/423，遠遠小于1/120的限值要求，能滿足結(jié)構(gòu)抗風性能目標。
采用EPDA軟件對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行分析，采用倒三角形加載模式并與MIDAS/Gen軟件的計算結(jié)果進行對比。圖10為結(jié)構(gòu)X向的Pushover曲線，表5為兩種軟件不同性能點處各項指標計算結(jié)果的對比，可知，兩種軟件兩種加載模式下的計算結(jié)果比較相近，均能夠滿足6度(0.1g)大震下的抗震性能目標，并能滿足7度(0.lOg)和7度(0.15g)大震不倒的抗震性能目標。由圖11可知，6度(0. 05g)大震下結(jié)構(gòu)的損傷主要集中在每肢的端部和中部筒體部位（虛線圈起處），與MIDAS /Gen分析所得結(jié)構(gòu)損傷部位大體相同。
通過上面的分析可知，按風荷載起控制作用設(shè)計的結(jié)構(gòu)，其抗震性能有較大幅度的提高；對于Y形平面結(jié)構(gòu)，三肢連接的中部簡體和每肢的端部墻體在罕遇風荷載和大震下為薄弱部位，此外，側(cè)向剛度發(fā)生變化的樓層處墻體損傷也比較嚴重，應(yīng)進行相應(yīng)的加強。本工程采取了如下加強措施：每肢端部墻體抗震等級提高一級，對在局部風荷載下發(fā)生破壞的作為長墻翼墻的小墻肢，按異形柱的要求對邊緣構(gòu)件進行強柱弱梁的調(diào)整；為了保證每肢端部過道處連梁、三肢連接的中部簡體連梁首先破壞并耗能，連梁的抗彎配筋采用100年一遇的基本風壓的1.1倍進行，且不與地震作用進行組合；加強薄弱部位的剪力墻構(gòu)造配筋，每肢端部墻體水平和豎向配筋率不小于0. 3%，三肢結(jié)合部位墻體水平和豎向配筋率不小于0. 5%。
4 結(jié)論
(1)水平力作用下外伸肢端部具有外甩效應(yīng)，通過方案比較，加強每肢端部和各肢結(jié)合部位的剛度，有利于提高結(jié)構(gòu)整體的剛度并控制扭轉(zhuǎn)。
(2)由于中部簡體樓板大開洞，導致中部筒體樓板剛性假定難以保證，對中部簡體樓板考慮剛性樓板的影響和設(shè)置零剛度樓板兩情況進行了對比分析和討論。認為當中間筒體樓板為零剛度板時，各肢端部墻體會產(chǎn)生應(yīng)力集中，對該處墻體應(yīng)采取考慮中間筒體樓板剛度和考慮中間筒體為零剛度板兩種情況的包絡(luò)值進行設(shè)計。
(3)通過Y形平面結(jié)構(gòu)的樓板應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，Y形建筑各肢結(jié)合部位樓板存在應(yīng)力集中，對其進行應(yīng)力分析并采取如下加強措施：每肢中部過道處樓板、中部簡體樓板及中部簡體樓板向每肢延伸一跨樓板厚度均采用150mm，雙層雙向配筋，配筋率不小于0. 35%。
(4)通過Pushover分析可知，由于本工程按風荷載起控制作用設(shè)計，結(jié)構(gòu)抗震性能較強，在6度(0. 05g)大震下結(jié)構(gòu)整體基本處于彈性狀態(tài)，并能滿足7度(0. 15g)大震下不倒的抗震性能目標；另外，在罕遇風荷載下和大震下，結(jié)構(gòu)的損傷主要集中在三肢連接的中部簡體和每肢的端部墻體，此部位為薄弱部位。本文對薄弱部位采取了一定的加強措施，以滿足結(jié)構(gòu)抗風性能和抗震性能。
(5)按風荷載起控制作用設(shè)計的結(jié)構(gòu)，其抗震性能較高，因此，基于經(jīng)濟的目的可否在滿足風荷載設(shè)計的前提下適當降低結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計或抗震措施是一個值得研究的課題；另外，采用Pushover分析方法對處于彈塑性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)進行抗風設(shè)計有待進一步研究。
