高层建筑屋顶泳池的抗震设计分析

刘琪，谢谊

（1.华陆工程科技有限责任公司，西安710065；2.中联西北工程设计研究院有限公司，西安710077）

1 工程概述

华海大厦工程位于西安市高新区城市中心地段，为集商场、公寓、娱乐为一体的高层建筑，地下3 层，地上27 层，屋面标高99.650 m。1～2 层为商场，3～13 层为普通公寓，14～27 层为LOFT 公寓。屋顶上设置高空泳池，泳池平面尺寸约22.5 m×21 m，深度约1.5 m，水面标高102.5 m，抗震设防烈度8 度，设计基本加速度0.2 g，场地类别Ⅱ类，设计地震分组第二组。本工程目前已经完成验收，屋面泳池正常使用，结构可靠，可为类似工程提供参考。

2 结构体系与布置

本工程为了满足最大建筑净使用面积和设备管道对建筑的最小影响，采用了“框架-剪力墙”体系。其中，底部3 层采用型钢混凝土框架柱，下部满足商场和车库的大空间，上部能够很好地满足小户型公寓的要求，标准层如图1 所示。

图1 华海大厦标准层平面图

结构屋面高度99.600 m 上设有泳池、水处理风道盖板。本工程除底部加强区及其上一层墙柱外，泳池及大屋面层也定义为关键构件，关键构件抗震等级均为1 级，屋面构件和泳池按照中震不屈服设计。其他构件抗震等级为1 级，地下1 层以下抗震构造措施等级逐层降低。

为保证车位净距和公寓的净面积，本工程无翼墙的框架柱采用型钢混凝土柱。为提高关键部位连梁抗剪承载力及延性，本工程采用框架型钢混凝土连梁；同时，标准层楼板采用现浇混凝土楼板，厚度≥120 mm，长度方向钢筋均上下通长配置，且设置1 道温度后浇带。

本工程地下1 层侧向刚度大于首层的2 倍，以1 层地面为嵌固端，嵌固端的楼板厚度180 mm。底部加强区（7 层）以下使用C60 混凝土，以上每5 层混凝土等级降低一个等级。底部加强区典型墙体厚度为500 mm、400 mm、250 mm，竖向构件截面减小楼层和混凝土等级变化尽量错开。主楼下采用桩基础加承台，单桩承载力特征值3 950 kN，承台厚度1.5～2 m。

3 结构整体分析

3.1 结果弹性分析

结构分析分别采用SATWE 和Sausage 软件进行整体计算，整体分析模型含混凝土冠顶高度为120 m。在分析时，主要采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解法，并考虑偶然偏心，小震分析时结构阻尼比为0.05。

结果显示，结构自振周期T1=2.671 3（Y 向基本周期）、T2=2.523 6（X 向基本周期）、T3=1.964 1（T 扭转周期），周期比0.77，地震作用下结构X、Y 向最大层间位移角分别为1/873和1/1041。剪重比3.08%＜[3.20%]，按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）（以下简称《抗规》）5.2.5 条要求调整地震剪力。此外，需考虑偶然偏心的最大层间位移比X 向1.03、Y 向1.30。

在规定的水平力作用下，结构底层框架承受地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩的26.6%（X 向）、13.3%（Y 向）。弹性动力时程分析采用满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》4.3.5 条的7 组波验算，地震作用按照时程分析的结果对CQC（扭转偶联的振型分期法）计算进行调整。

本工程50 a 重现期的风荷载0.35 kN/m2，风荷载体型系数1.4，构件强度计算风荷载放大系数1.1。在风荷载作用下，全楼最大层间位移角Y 向为1/3 526、X 向为1/11 992，远小于地震作用下位移角，因此，风荷载工况对结构不起控制作用。

为了保证结构的安全性和经济性，经多种方案对比后，决定采用300 m3水池，水深1.2 m、池深1.5 m，将水池重量作为恒荷载建立结构模型，且在结构设计时不考虑水池作为调谐液体阻尼器的减震作用，而屋顶的总体指标均满足《抗规》5.5.5 条的要求。

3.2 大震弹塑性时程分析

采用Sausage 程序进行弹塑性时程分析，以计算结构总体变形评估结构抗震性能。对于梁、柱节点，采用的是塑性铰来进行模拟，而剪力墙则采用纤维束进行模拟；同时，在大震工况下，以结构阻尼比增大0.01 考虑，连梁刚度折减系数为0.3。

7 组地震波位移角2 个方向平均值为1/120、1/140，均小于《抗规》要求的1/100。大震作用时，在典型地震波下关键构件（底部加强区、泳池周边构件）截面的受剪截面满足剪压比条件，结构不发生脆性破坏。

就整体结构而言，本工程在大震作用与典型地震波下，前8 s 基本处于弹性状态，接着连梁出现塑性铰，框架梁少量出现塑性铰。随着时间推移，底部加强区较多的框架梁进入塑性阶段，参与整体耗能，但未出现整体竖向贯通的塑性铰。在建筑和高区，除泳池外，主体部分有极少结构框架柱和框架梁开裂进入了屈服状态，而地震输入结束时绝大部分剪力墙未进入屈服状态，交通核心区域剪力墙仅有少量损伤。

由此可见，当底部加强区受到较大剪力时，墙剪切纤维应变也会较大。针对此，要对这些区域采取增加配筋的同时，还要设置型钢等加强措施。值得注意的是，当地震波结束时，塑性铰也未有明显的增加。也就是说，在大震作用下，可符合结构抗震大震不倒的概念设计要求。

3.3 屋顶泳池的设计

泳池置于屋面支起的1 个混凝土支架上，泳池底板高于大屋面2.0 m，泳池下部走管道及风管。池壁及悬挑处底板为透明亚克力板，内部底板为250 mm 厚的混凝土板。对于泳池与周边不在1 个平面内的梁，需进行加腋处理，以保证水平力的传递。另外，泳池周边的构件要采取包络设计，并通过加强局部的概念设计来加强配筋，同时还应设置足够钢筋，以更好地保证结构的安全。

3.4 屋顶泳池作为TLD 的可行性

调谐液体阻尼器（TLD）基本原理是指，当建筑结构在产生位移时，液体由于惯性与结构主体产生相对的液体晃动，而晃动时对侧壁产生压力差，该压力差与地震作用相反，从而对结构产生的减震作用。泳池盛满水作为结构的调谐液体阻尼器，被相关工程实践证明对结构有一定减震效果。也就是说，当泳池的自身频率与主体频率近似时，往往会取得较好的减震效果；反之，则可能与泳池作为荷载的模型计算结果基本相同。

如果需要进一步增加TLD 的作用，即可在屋面另一侧也设置调谐液体阻尼器，从而在增加阻尼器质量的同时，改变水池构造，如调整水池大小、设置隔板等来改变水池频率等，这不仅能增大作为阻尼器的有利作用，还能起到减震效果。

3.5 结构加强措施

在本工程中，考虑到悬挑泳池破坏后不易修复，会对下部公寓产生影响，加之屋顶泳池使主体结构不规则与应力集中，因此很有必要采取加强措施：

1）泳池构件均按照中震不屈服设计，遵循4 个验算准则：（1）泳池周边构件及下一层内力计算时构件内力放大1.3 倍；（2）在地震验算时，要满足中震水平地震和竖向地震下不屈服；（3）竖向构件轴压比控制在0.5 以内，梁计算配筋在1.5%以内；（4）中震剪力下均应保证构件弹性。

2）泳池池底板需保证厚250 mm，而屋面板则要达到150 mm，同时配筋双层双向，且钢筋间距≤100 mm，内力计算时按照弹性板计算且对屋面板作适当加强。

4 结语

结合工程实例，本文使用Sausage 程序创建结构模型，对其进行模态分析，探究动力特性，采用反应谱法、弹性时程分析法分别计算，对带泳池结构在不同工况下的地震反应进行了比较。其结论如下：

1）在高烈度地区，屋顶泳池的设置对结构局部刚度分布、位移比以及泳池支撑梁的影响显著，需要在实际工程中按多个工况反复核算，以便采取合适的加强措施。

2）泳池作为TLD 时，需要水体达到一定质量时才能起到效果，地震作用下TLD 可以作为安全储备。

3）带有屋顶泳池的高层建筑，通过准确地计算和合理地设计，针对性地采取抗震措施，可以满足建筑抗震设防的“三个水准”（小震不坏、中震可修、大震不倒）的设计目标。