世茂深坑酒店鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

哈敏強(qiáng)，陸道淵，陸益鳴，任 濤，季 俊，黃 良

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002）

0 引 言

世茂深坑酒店主體建筑位于地質(zhì)深坑內(nèi)，依崖壁建造。建筑分為地上部分、地下至水面部分以及水下部分。其中地上建筑2層（局部帶1層地下室），高度約10m；地下至水面建筑共14層，高度約53.6m；坑內(nèi)水下部分建筑2層。工程于2008年開始設(shè)計(jì)，目前處于基礎(chǔ)施工階段。

坑內(nèi)地基為碎石層及弱風(fēng)化基巖。坑頂2層裙房（局部帶1層地下室）以首層樓板作為嵌固端；坑內(nèi)主體建筑通過分塊箱形基礎(chǔ)和堆石混凝土基礎(chǔ)坐落在坑底弱風(fēng)化基巖上，同時(shí)在坑頂通過跨越鋼桁架支撐在坑口巖石基礎(chǔ)上，提供豎向和水平約束。因此結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的變形形態(tài)不是普通的懸臂結(jié)構(gòu)特征，而是較為特殊的底部固接頂部簡(jiǎn)支的特征。世茂深坑酒店主體結(jié)構(gòu)采用帶支撐鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，本文中筆者重點(diǎn)介紹了其鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)布置與結(jié)構(gòu)類型比選

1.1 結(jié)構(gòu)布置

地下至水面的建筑依崖壁建造，坑內(nèi)各樓層建筑平面中部為豎向交通單元，兩側(cè)均為圓弧形曲線客房單元?？觾?nèi)建筑平面狹長(zhǎng)且呈現(xiàn)“L型”，抗震計(jì)算時(shí)位移比等參數(shù)較難控制，因此設(shè)計(jì)中將豎向交通單元和左側(cè)圓弧形曲線客房單元連成整體，與另一個(gè)圓弧形曲線客房單元通過設(shè)置抗震縫分開，將坑內(nèi)建筑分成2個(gè)平面相對(duì)規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。兩側(cè)圓弧形曲線客房單元沿徑向的豎向剖面也呈現(xiàn)不同的曲線形態(tài)，主體結(jié)構(gòu)下部坐落于坑底基巖上，上部與坑頂基巖及部分裙房相連。地下至水面的建筑形成了多塔的結(jié)構(gòu)形式，地面以上連成一體。圖1為建筑效果圖，圖2為設(shè)縫后的1，2號(hào)塔的典型樓層平面，圖3為1，2號(hào)塔典型剖面。

1.2 結(jié)構(gòu)類型比選

關(guān)于結(jié)構(gòu)類型是采用鋼結(jié)構(gòu)還是混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)過比選最終選擇了鋼結(jié)構(gòu)，表1為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)2種體系的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

2 結(jié)構(gòu)分析

圖3 1，2號(hào)塔典型剖面（單位：mm）Fig.3 Typical Profiles of Towers 1，2（Unit：mm）

安全評(píng)價(jià)報(bào)告提出，該工程時(shí)程分析應(yīng)采用多點(diǎn)輸入方法，坑底和坑頂部位分別采用存在幅值差但無相位差的地震時(shí)程波。對(duì)于有幅值差的多點(diǎn)輸入地震分析問題，抗震分析在小震、中震下采用“反應(yīng)譜＋支座位移”作為抗震分析工況，在大震下進(jìn)行多點(diǎn)位移輸入的彈塑性時(shí)程分析。反應(yīng)譜分析采用ETABS，MIDAS軟件，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響的振型分解反應(yīng)譜法并考慮偶然偏心、荷載－位移（P－Δ）效應(yīng)，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.035?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，抗震設(shè)防類別為丙類，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，水平地震影響系數(shù)αmax等參數(shù)由地震安全評(píng)價(jià)確定。地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)層間位移均遠(yuǎn)小于規(guī)范要求。

基本風(fēng)壓w0＝0.55kPa（取用50年一遇），風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)由“數(shù)值風(fēng)洞報(bào)告”給出。結(jié)構(gòu)位于坑內(nèi)，結(jié)構(gòu)頂部與底部均和巖石基礎(chǔ)相連，溫度變化會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，因此溫度應(yīng)力成為設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮的問題。

表1 鋼結(jié)構(gòu)體系和混凝土結(jié)構(gòu)體系的比較Tab.1 Comparisons of Steel Structure System and Concrete Structure System

鑒于該工程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、特殊，進(jìn)行了性能化抗震設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵部位提出了較高的性能目標(biāo)：坑頂支座“大震不屈服”；坑頂轉(zhuǎn)換桁架、多塔結(jié)構(gòu)連接部分鋼梁、坑內(nèi)結(jié)構(gòu)主構(gòu)件（柱、支撐、主梁）“中震彈性”；多塔結(jié)構(gòu)連接部分樓板“抗剪中震彈性”。具體分析參見文獻(xiàn)［1］，［2］。

3 主體鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

主體結(jié)構(gòu)采用帶支撐鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，其中帶支撐框架中的框架柱采用了受力性能和經(jīng)濟(jì)性較好的鋼管混凝土柱［3－9］。這種結(jié)構(gòu)體系提供了多種傳力途徑，形成了由鋼支撐、鋼管混凝土柱－鋼梁框架等組成的多道抗震防線。

坑內(nèi)結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傾斜，存在一定的P－Δ效應(yīng)，結(jié)構(gòu)頂部和底部均受到約束，受力特點(diǎn)較為特殊，坑內(nèi)結(jié)構(gòu)主構(gòu)件“中震彈性”?？觾?nèi)框架梁不僅承受彎矩，而且承受較大的軸力，需要按壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)主要的鋼管混凝土柱截面尺寸為Φ500～Φ600mm，鋼板厚度為25～30mm，鋼管混凝土柱、鋼框架梁鋼材材質(zhì)分別采用Q345B及Q345C，管內(nèi)填充混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50～C80。按照文獻(xiàn)［10］中附錄F圓形鋼管混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)方法，編制Excel計(jì)算表格。圓鋼管混凝土柱在地下室部分外包混凝土，采用鋼管混凝土疊合柱（圖4）的形式，這樣既解決了鋼結(jié)構(gòu)防腐及防水問題，又方便與混凝土梁的連接。圖4中，L為栓釘長(zhǎng)度。框架梁和鋼支撐均采用焊接H型鋼，鋼支撐和鋼管混凝土柱在坑底混凝土部分的節(jié)點(diǎn)采用構(gòu)造鋼梁連接段和內(nèi)錨板以傳遞水平分力（圖5）。構(gòu)造鋼梁兩端均連接鋼管混凝土柱，其腹板和翼緣設(shè)置栓釘；在鋼管混凝土柱內(nèi)部的錨板和鋼支撐腹板對(duì)齊。

為加強(qiáng)坑頂在兩側(cè)圓弧形曲線客房單元和中部的豎向交通單元連接處樓板的環(huán)向剛度，保證結(jié)構(gòu)的整體性能，加大樓板配筋并設(shè)置水平鋼桁架（圖6），局部力較大的樓板采用帶肋鋼鋪板組合樓板。

4 坑頂跨越桁架設(shè)計(jì)

4.1 桁架主結(jié)構(gòu)

在坑頂采用鋼桁架作為跨越結(jié)構(gòu)支撐上部2層裙房的部分結(jié)構(gòu)，部分鋼桁架為轉(zhuǎn)換構(gòu)件。設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)桿件保持“中震彈性”設(shè)計(jì)，其上弦所在樓層處相應(yīng)的樓板加厚到180mm，并且雙層雙向配筋。桁架構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)須取不同樓板剛度模型的計(jì)算結(jié)果包絡(luò)值，嚴(yán)格控制框支鋼管混凝土柱的承載力。

圖6 水平支撐節(jié)點(diǎn)Fig.6 Joints of Horizontal Braces

坑頂跨越鋼桁架一端和坑內(nèi)的酒店主體結(jié)構(gòu)相連，另一端在下弦（B1層）采用鉸接支座支撐在坑口的基礎(chǔ)梁上，并且在下弦（B1層）設(shè)置180mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆組合樓板和坑口的基礎(chǔ)梁連成整體，基礎(chǔ)梁和坑頂外圍地下室底板連成整體，為酒店主體結(jié)構(gòu)提供水平方向約束。

B1層部分桁架腹桿影響建筑走道寬度，為滿足建筑功能，局部位置的桁架設(shè)計(jì)為再分式腹桿體系桁架（圖7）。

圖7 再分式腹桿體系桁架（單位：mm）Fig.7 Truss of Subdivided Web System （Unit：mm）

4.2 桁架鋼支座

結(jié)構(gòu)在坑頂部位受到很強(qiáng)的約束，坑頂支座安全性對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能產(chǎn)生很大的影響，因此需要對(duì)坑頂支座特別加強(qiáng)安全儲(chǔ)備，對(duì)支座按“大震不屈服”設(shè)計(jì)。支座內(nèi)力除需考慮恒載、活載等常規(guī)組合外，還應(yīng)考慮大震作用（含大震支座強(qiáng)迫位移）進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋼支座選用了可同時(shí)承受較大豎向荷載和水平荷載的固定鋼鉸支座（圖8）。

圖8 桁架端部固定鋼鉸支座Fig.8 Fixed Steel Hinge Support of Truss in the End

5 樓板設(shè)計(jì)

5.1 樓板剛度對(duì)結(jié)構(gòu)主構(gòu)件受力的影響分析

分析中將結(jié)構(gòu)中的樓板設(shè)計(jì)為彈性樓板，建立樓板面內(nèi)剛度為實(shí)際剛度和樓板剛度取5%實(shí)際剛度的2個(gè)計(jì)算模型，對(duì)跨越桁架中典型構(gòu)件在恒載＋活載設(shè)計(jì)值下的內(nèi)力進(jìn)行比較（表2）。5%實(shí)際樓板剛度下，桁架弦桿內(nèi)力較大，實(shí)際樓板剛度下，桁架腹桿內(nèi)力較大。相應(yīng)地，構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)須取不同樓板剛度模型計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值。

表2 不同樓板剛度模型下的桁架桿件內(nèi)力比較Tab.2 Comparisons of Internal Forces of Truss Members Under Different Slab Stiffness kN

5.2 樓板構(gòu)造

鋼框架普通樓層區(qū)域采用140mm厚組合樓板。鑒于結(jié)構(gòu)平面較為狹長(zhǎng)，為了提高結(jié)構(gòu)的整體性能及樓板平面內(nèi)的剛度，組合樓板應(yīng)能滿足樓板雙向受力和配筋的要求。這點(diǎn)和通常鋼結(jié)構(gòu)體系中樓板為單向受力的組合樓板有較大差異，因此，樓板選用可雙向受力的鋼桁架樓板。

結(jié)構(gòu)在地下2層及以下部分被抗震縫分割為2個(gè)單體，嵌固層設(shè)在B1層和B14層。分析模型中將嵌固層連接部分的樓板設(shè)為彈性板，采用膜單元模擬，計(jì)算板厚度180mm，取帶有中震的效應(yīng)組合進(jìn)行樓板設(shè)計(jì)。樓板設(shè)計(jì)時(shí)考慮此處的受剪承載力，并另加抗剪鋼筋以滿足中震作用下的抗剪要求。

連接樓層即B14層、B1層和首層均采用加強(qiáng)構(gòu)造措施，樓板采用厚度180mm的鋼桁架樓板，雙層雙向鋼筋網(wǎng)，保證配筋率大于0.4%。坑頂2層及屋面局部樓板開洞較大，對(duì)周邊樓板及洞邊構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

5.3 帶肋鋼鋪板組合樓板

如圖9，10所示，在豎向荷載作用下，樓板拉應(yīng)力較大的位置主要分布在首層樓面各榀桁架斜向匯交的位置，主拉應(yīng)力達(dá)到5MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土自身的抗拉強(qiáng)度［11］。

圖10 首層樓板局部主拉應(yīng)力分布（單位：MPa）Fig.10 Principal Tensile Stress Distributions of Slab of the First Floor（Unit：MPa）

將帶肋鋼鋪板組合樓板應(yīng)用于首層各榀桁架匯交處樓板的設(shè)計(jì)（圖9中陰影處即采用帶肋鋼鋪板組合樓板）。帶肋鋼鋪板組合樓板可承擔(dān)施工階段混凝土自重荷載，起到壓型鋼板的作用，同時(shí)鋼板可承擔(dān)樓板中出現(xiàn)的較大拉應(yīng)力。帶肋鋼鋪板組合樓板的構(gòu)造如圖11所示。帶肋鋼鋪板組合樓板和普通組合樓板之間的板跨設(shè)置水平鋼支撐。

6 施工過程分析

施工過程分析應(yīng)考慮以下荷載工況：①鋼框架和組合樓板自重；②施工活載1.0kPa。根據(jù)上述條件確定結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下所需考慮的荷載，并計(jì)算結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合下的變形和應(yīng)力比。

通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架施工整體分析可知，在施工過程無側(cè)向支撐的情況下，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)最大位移幅值達(dá)到66mm，將對(duì)上部結(jié)構(gòu)安裝帶來很大的困難，故必須在安裝過程中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理加固，控制結(jié)構(gòu)變形，確保安裝順利進(jìn)行?？紤]到該工程施工現(xiàn)場(chǎng)的情況，通過加設(shè)鋼管對(duì)結(jié)構(gòu)和坑壁巖石進(jìn)行連接，分段對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形控制。通過結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，結(jié)構(gòu)位移最大幅值不超過20mm（圖12），超過90%的節(jié)點(diǎn)位移均在10mm之內(nèi)，滿足上部結(jié)構(gòu)安裝要求，應(yīng)力比都在安全允許范圍內(nèi)，因此采用鋼管分段支撐是可行的。

圖11 帶肋鋼鋪板組合樓板Fig.11 Composite Slabs with Ribbed Steel Decking

圖12 設(shè)置水平支撐后的結(jié)構(gòu)變形云圖（單位：mm）Fig.12 Structural Deformation Nephogram After Horizontal Struts Setted Up（Unit：mm）

7 結(jié)語

（1）該工程主體建筑依崖壁建造，結(jié)構(gòu)特征是底部固接、頂部簡(jiǎn)支，力學(xué)特性極為特殊，使得主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜、具有一定的難度。

（2）結(jié)構(gòu)上端有很強(qiáng)的約束，剛度較大，因此結(jié)構(gòu)體系選取了延性較好的鋼框架－支撐結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土的采用減小了柱截面。

（3）坑頂跨越桁架為整體結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)大的水平支撐作用，必須重點(diǎn)加強(qiáng)。

（4）樓板剛度對(duì)構(gòu)件受力有顯著影響，設(shè)計(jì)時(shí)須取不同樓板剛度模型的計(jì)算結(jié)果包絡(luò)值。

（5）采用帶肋鋼鋪板組合樓板可有效解決混凝土板受拉的問題。

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