西黄岛Y形产权式度假酒店结构分析

  雷  兵，  张兴刚，  张玉明，  王金金，  姚传国

  （1聊城市规划建筑设计院有限公司，聊城252000；

  2大连市建筑设计研究院有限公司，大连116021）

[摘要]  山东大乳山西黄岛Y形产权式度假酒店位于烈度低、风压大的地区，采用剪力墙结构体系。结构设计中存在以下问题：平面为不规则的Y形，结构抗侧与抗扭刚度不足；由于平面不规则且中部筒体楼板开设洞口，导致楼板受力较为复杂；结构设计中风荷载起控制作用。针对以上的问题，提出了三种结构方案，并通过对比分析优选了结构方案；通过采用SATWE，MIDAS/Gen和YJK三种软件对结构进行的整体分析。结果表明，所优选的结构方案具备较好的抗扭与抗侧刚度；通过采用YJK软件对楼板进行的应力分析发现，各肢结合部位楼板存在应力集中，提出了对此部位的加强措施；根据结构抗震性能化设计提出了结构的抗风性能化设计，对该结构进行Pushover分析，讨论了结构不同阶段的受力性能，并采取了相应的加强措施。

1  项目概况

  西黄岛Y形产权式度假酒店（图1）位于山东省乳山市大乳山地区，分为南北两塔，两塔呈南北对称，主体结构布置相同，本文选取北塔进行结构分析。该塔楼平面呈Y形，主体结构地下1层、地上20层，采用剪力墙结构。地下1层层高为6. Om，地上1层层高为6. 6m，地上2层层高均为3.9m，地上3层及以上层高均为3. 6m，标准层平面布置图如图2所示，ι/Bmax=0.54>0.35，ι/b=2.04>2.0，为平面不规则结构。该结构嵌固端选在基础顶，地下1层至地上3层剪力墙混凝土强度等级为C35，地上4层至顶层剪力墙混凝土强度等级为C30。地上3层至顶层剪力墙厚度为200mm，局部剪力墙厚度为250mm;由于底部商业的需要，该结构右面一肢地上2层无楼板，左面两肢地上2层为公寓房间，且剪力墙间布置填充墙，使结构左右部分刚度相差较大，为满足刚度要求且避免底部出现短肢剪力墙，将地上2层右肢墙体加厚至350mm，左面两肢墙体厚度仍为200mm;地上1层为空旷空间且层高相对上层较

大，为防止结构上下刚度突变并增加结构底部延性，将地上1层与地下1层剪力墙厚度均设置为350mm。

本工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计基本加速度为0. 10g，场地类别为I1类，结构的抗震等级为四级。

  对于一般工程，风压取50年一遇的基本风压。但本工程位于风荷载较大的沿海地区，其平面为Y形抗风不利平面，且存在台风侵袭的可能性（据报道，1949~2013年，登陆山东的台风一共有12次，其中4次在山东乳山登陆），因此，盲目地取50年基准期的风压进行弹性计算可能偏于不安全，而按照100年一遇的基本风压进行弹性计算则可能造成材料的浪费，故抗风设计采取如下原则：位移计算时取50年一遇的基本风压，即0. 65kN/m2；承载力计算时取100年一遇的基本风压的1.1倍，即0. 825k N／m2。风荷载体型系数取1.4。

2  结构方案对比分析

  对于Y形平面的结构，应加强外伸肢端部的刚度，以减小在水平力作用下外伸肢端部的外甩效应，减小结构的扭转效应。另外，在水平力作用下，外伸肢与主体结构之间或外伸肢之间的相对运动使外伸肢与主体连接处角部应力集中，此部位容易出现震害，因此结合，加强本工程外伸肢端部和中部的侧向刚度，以形成结构主要的抗侧力体系。为此，设计了三种方案以作对比分析，方案1和方案2结构平面布置如图3所示，方案3的结构平面布置见图2。三种方案的区别主要是在分肢中部过道处设置不同连梁：方案1每肢中部不设置连梁；方案2在每肢中部均设置连梁，形成双肢剪力墙；方案3在每肢靠近端部的3跨剪力墙处设置连梁形成双肢剪力墙。

  采用SATWE软件计算得到三种方案的位移比及扭转周期比如表1所示。由表1可以看出，方案1的抗侧刚度最小，结构扭转周期比高于方案3和方案2；虽然方案2的抗侧刚度最大，但扭转周期比比方案3大；方案3的抗侧刚度介于方案1和方案2之间，但扭转周期比最小，位移比指标接近方案2。可以看出，对于Y形平面结构，加大外伸肢端部刚度可提

高结构总体刚度并控制结构的扭转。故本工程选择抗侧刚度和扭转刚度均适宜的方案3。

  之所以选择方案3，也有如下考虑：由端部墙体与连梁构成的端部抗侧力构件和中部简体抗侧力构件构成的主要抗侧力构件作为抗侧力的第一道防线；当每肢端部连梁及靠近端部连梁作为耗能构件发生破坏后，端部独立墙肢与中部剪力墙作为抗侧力的第二道防线，此时结构的受力类似于方案1，结构仍具有较大的刚度，如此形成多道防线；且当结构遭遇罕遇地震或台风侵袭时，即使每肢端部墙体及过道处连梁发生破坏，其也易于被修复。

3  结构整体分析与设计

3.1结构整体分析

  由于本工程平面不规则、底部层高变化较大且中部简体开设洞口，故采用SATWE，MIDAS/Gen和YJK三种软件对结构进行整体分析，图4为结构计算模型。由于结构为不规则的Y形平面，为保证各肢结构构件配筋能够满足承载力的要求，本工程整体计算按如下思路进行设计：地震作用与风荷载作用分别按0°，60°，120°三个正交方向进行计算，配筋取这3个角度下计算结果的包络值。

  由于结构在3个计算角度下的整体受力性能相似，因此本文仅对00正交方向计算结果进行讨论。表2为采用各软件计算结果的对比，可以发现，周期比均满足0.90限值的要求，结构抗扭转性能较好；最大层间位移比均不超过1.5的限值要求；风荷载和地震作用下，最大层间位移角均满足1/1 000的限值要求；各软件整体计算指标相近，说明本工程结构布置及受力合理。

由表2可以发现，X向风荷载下结构产生的基底剪力约为地震作用下的2. 89倍(SATWE)，y向风荷载下结构产生的基底剪力约为地震作用下的2. 53倍(SATWE)；X向风荷载下结构产生最大层间位移角约为地震作用下的2.0倍( SATWE)，Y向风荷载下结构产生的最大层间位移角约为地震作用下的2. 59倍(SATWE)，由此可知，本工程风荷载明显强于地震作用，风荷载起控制作用。

  由于本工程地上1层较地上2层层高变化较大，本文对底部层间刚度比进行了验算，表3为采用SATWE，YJK和MIDAS/Gen计算的地上1层和地上2层经层高修正后的层间刚度比和层间受剪承载力比。可以看出，最小层间刚度比不小于1.1，满足规范要求，无软弱层；层间受剪承载力比不小于0.8，满足规范要求，无薄弱层；综上分析，结构在层高变化较大处无薄弱层的存在。

3.2开洞的中部筒体与分肢连接部位的分析

  因开设大洞口导致中部筒体较为空旷，中部简体与3个外伸肢之间的连接墙肢及拉梁承担变形协调的功能，为了保证风荷载下连接墙体与拉梁的安全性能，采用YJK软件对是否考虑中部简体楼板刚度的影响两种情况下的结构进行分析。

  表4为两种情况下结构周期的对比，可以看出，当中部简体楼板设置为零刚度板时，结构自振周期增大，结构变柔，会导致风荷载效应增大，结构位移增大。因此，为了保证刚性楼板的假定，使计算模型与实际相符，应对中间筒体及中间简体与每肢结合部位的楼板进行加强，本工程将中间简体及每肢外延一跨楼板厚设置为150mm，并加强构造配筋。

  由于中部筒体楼板设置为零刚度板，因此中部刚度相对各肢端部的刚度有所削弱，但根据计算结果，结构在中部简体楼板设置为零刚度板假定下的扭转周期比为0. 855，风荷载下X向最大层间位移角为111 230，y向最大层间位移角为111 022，仍能满足限值要求；X向最大层间位移比为1. 08，y向最大层间位移比为1. 22，相对考虑中部筒体楼板刚度的影响时，结构的扭转效应降低。

  中间简体与外伸肢之间的连接墙体及拉梁承担变形协调的功能，两者受力复杂，配筋按照两种情况下的最不利结果进行包络设计；当中部筒体设置为零刚度板时，各肢端部墙体及连梁产生应力集中，因此，每肢端部墙体配筋也应按两种情况下的最不利值进行包络设计。

3.3楼板平面应力分析

  由于本工程为平面不规则的Y形建筑，导致外伸肢在地震和风荷载作用下相对中部筒体产生扭转，再加上中间简体楼板大开洞，使楼板应力较为复杂，采用YJK软件，通过计算楼板的应力来进行配筋设计。典型楼层顶板应力云图如图5所示，可以看出，中间简体与外伸肢的连接部位存在较大的应力集中，每肢中部过道处单向板由于传递墙体剪力的也存在应力集中现象。因此，对于存在应力集中的楼板采取如下计算公式设计：

受拉区：

受压区：

式中：fv为受力钢筋的强度设计值；As为受力钢筋的截面面积；bi为计算截面的单位宽度，可取1 000mm；Ah,为计算截面的高度，可取板厚的1/2；fc为混凝土的抗压强度设计值；σ1为计算所得的楼板应力值。

  综合计算结果和构造要求，每肢中部过道处楼板、中部筒体楼板及中部简体楼板向每肢延伸一跨楼板厚度均采用150mm，双层双向配筋，采用计算配筋且配筋率不小于0. 35%。

3.4静力弹塑性分析及薄弱部位的处理

  由于本工程属于不规则的Y形平面，因此，按弹性静力计算方法对结构的薄弱部位难以进行有效的估计并进行加强。为了了解结构在风荷载及地震作用下薄弱部位的分布及损害情况，采用MIDAS/Gen（荷载分布形式为风荷载分布）和EPDA（荷载分布形式为倒三角形分布）软件对结构进行了Pushover分析。

3.4.1性能目标的确定

  由3.1节的分析可知，本工程由风荷载起控制作用，由于本工程抗震设防类别属于丙类，根据抗震性能化设计，制定了如下风荷载作用下，结构的性能目标：当结构受到10年一遇的基本风压作用时，满足舒适度的要求；当结构受到50年一遇的基本风压作用时，满足弹性位移限值的要求，并满足连梁承载力的要求，此时，连梁的刚度不进行折减；当结构受到100年一遇的基本风压作用时，应满足结构构件承载力的要求；当结构受到罕遇台风侵袭时（大体相当于基本风压1.1 kN／m2），应能满足结构主体不发生破坏，但允许部分非关键连梁破坏，以作为耗能构件，并满足弹塑性位移角限值的要求。

  本工程按100年一遇的基本风压进行承载力设计，此时对应风荷载下结构整体刚度基本处于弹性状态。由于此状态下由《建筑结构荷载规范》( GB 50009-2012)给出的静力等效风荷载计算得到的风振响应基本可以满足工程实际的需要。因此，本文通过查看不同基准期的基本风压对应的结构基底剪力下结构的损伤情况来考察结构是否满足相应的抗风性能目标。当风荷载进一步加大时，结构进入弹塑性受力状态，静力等效风荷载对

应的结构风振响应偏小，但可以得出结构受力相对的薄弱部位。

  本工程抗震性能目标为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

3.4.2静力弹塑性分析结果

  采用MIDAS/Gen软件按照风荷载分布的方式对结构进行了X向、y向的Pushover分析。分析得到的基底剪力，顶点位移曲线如图6所示，可以看出，随荷载的增加，曲线斜率不断减小，结构的刚度不断降低；100年一遇基本风压下结构的基底剪力约为13 000kN，此风压以下对应Pushover曲线斜率基本为一直线，说明结构处于弹性工作状态。图7为Pushover分析得到的50年一遇的基本风压下层间位移角曲线，可见，所有楼层的层间位移角均满足111 000限值的要求。

  图8为100年一遇基本风压下结构损伤图，可见，只有少部分非框架梁出现塑性铰，其他框架梁只是出现开裂但并未破坏，剪力墙基本没有发生破坏。随着荷载的施加，端部过道处连梁以及中部简体处连梁（框架梁）开始出现塑性铰，随后每肢中部连梁（框架梁）开始出现塑性铰，说明端部过道处连梁以及中部筒体处连梁（框架梁）首先产生破坏以作为耗能构件是符合设计预期的。随着荷载的施加，个别墙体开始发生剪切破坏。图9为罕遇基本风压下墙体损伤图，可以看出，墙体破坏主要集中在每肢端部，端部墙体对结构抵抗侧力贡献较大；但此时结构整体刚度并没显著减小，根据计算结果，最大层间位移角为1/423，远远小于1/120的限值要求，能满足结构抗风性能目标。

  采用EPDA软件对结构的抗震性能进行分析，采用倒三角形加载模式并与MIDAS/Gen软件的计算结果进行对比。图10为结构X向的Pushover曲线，表5为两种软件不同性能点处各项指标计算结果的对比，可知，两种软件两种加载模式下的计算结果比较相近，均能够满足6度(0.1g)大震下的抗震性能目标，并能满足7度(0.lOg)和7度(0.15g)大震不倒的抗震性能目标。由图11可知，6度(0. 05g)大震下结构的损伤主要集中在每肢的端部和中部筒体部位（虚线圈起处），与MIDAS /Gen分析所得结构损伤部位大体相同。

  通过上面的分析可知，按风荷载起控制作用设计的结构，其抗震性能有较大幅度的提高；对于Y形平面结构，三肢连接的中部简体和每肢的端部墙体在罕遇风荷载和大震下为薄弱部位，此外，侧向刚度发生变化的楼层处墙体损伤也比较严重，应进行相应的加强。本工程采取了如下加强措施：每肢端部墙体抗震等级提高一级，对在局部风荷载下发生破坏的作为长墙翼墙的小墙肢，按异形柱的要求对边缘构件进行强柱弱梁的调整；为了保证每肢端部过道处连梁、三肢连接的中部简体连梁首先破坏并耗能，连梁的抗弯配筋采用100年一遇的基本风压的1.1倍进行，且不与地震作用进行组合；加强薄弱部位的剪力墙构造配筋，每肢端部墙体水平和竖向配筋率不小于0. 3%，三肢结合部位墙体水平和竖向配筋率不小于0. 5%。

4  结论

  (1)水平力作用下外伸肢端部具有外甩效应，通过方案比较，加强每肢端部和各肢结合部位的刚度，有利于提高结构整体的刚度并控制扭转。

  (2)由于中部简体楼板大开洞，导致中部筒体楼板刚性假定难以保证，对中部简体楼板考虑刚性楼板的影响和设置零刚度楼板两情况进行了对比分析和讨论。认为当中间筒体楼板为零刚度板时，各肢端部墙体会产生应力集中，对该处墙体应采取考虑中间筒体楼板刚度和考虑中间筒体为零刚度板两种情况的包络值进行设计。

  (3)通过Y形平面结构的楼板应力分析发现，Y形建筑各肢结合部位楼板存在应力集中，对其进行应力分析并采取如下加强措施：每肢中部过道处楼板、中部简体楼板及中部简体楼板向每肢延伸一跨楼板厚度均采用150mm，双层双向配筋，配筋率不小于0. 35%。

  (4)通过Pushover分析可知，由于本工程按风荷载起控制作用设计，结构抗震性能较强，在6度(0. 05g)大震下结构整体基本处于弹性状态，并能满足7度(0. 15g)大震下不倒的抗震性能目标；另外，在罕遇风荷载下和大震下，结构的损伤主要集中在三肢连接的中部简体和每肢的端部墙体，此部位为薄弱部位。本文对薄弱部位采取了一定的加强措施，以满足结构抗风性能和抗震性能。

  (5)按风荷载起控制作用设计的结构，其抗震性能较高，因此，基于经济的目的可否在满足风荷载设计的前提下适当降低结构抗震设计或抗震措施是一个值得研究的课题；另外，采用Pushover分析方法对处于弹塑性状态下的结构进行抗风设计有待进一步研究。