某超限鋼結(jié)構(gòu)酒店項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃衛(wèi)挺

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

1 工程概況

彼友商務(wù)中心項(xiàng)目位于大虹橋區(qū)域,屬西虹橋商務(wù)區(qū)板塊,包括1～23#甲級(jí)多層辦公樓,24～26#甲級(jí)高層辦公樓,27#酒店及會(huì)議中心和28#多層商業(yè),是一個(gè)綜合體建筑群。其中27#酒店及會(huì)議中心高度38.55 m,建筑平面形狀為L(zhǎng)型平面,同時(shí)豎向存在局部縮進(jìn),屬于超限高層建筑。

本工程±0.000 m相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高5.300 m(吳淞高程系統(tǒng)),27#酒店地下為2層整體地下室,地下室底板相對(duì)標(biāo)高-11.400 m,主塔樓地上9層,室內(nèi)外高差0.30 m,上部酒店層層高3.75 m,地面以上結(jié)構(gòu)的總高度為38.55 m。本工程上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu),首層為酒店大堂,同時(shí)存在一個(gè)挑空的宴會(huì)廳,宴會(huì)廳屋面最大跨度為24 m；樓上3～9層為豪華酒店,酒店單間面積60 m2左右,標(biāo)準(zhǔn)間開間6 m,鋼梁跨度12 m。2層地下室局部與大商場(chǎng)聯(lián)通,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),地下1層層高6.4 m,底層為3.8 m,梁最大跨度達(dá)15 m。

酒店建筑的外立面效果圖及yjk軟件下的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型見圖1、圖2。

圖1 建筑外立面效果圖

圖2 結(jié)構(gòu)模型

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本參數(shù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)體系及超限項(xiàng)分析

3.1 結(jié)構(gòu)體系及主要構(gòu)件

本工程上部結(jié)構(gòu)共有9層,1～2層為酒店大堂及宴會(huì)廳,3～9層為酒店,為鋼框架結(jié)構(gòu)體系,宴會(huì)廳屋蓋最大跨度24 m，為大跨度鋼結(jié)構(gòu),屋蓋采用主次梁結(jié)構(gòu)。本工程酒店品質(zhì)高,單間面積大,鋼梁標(biāo)準(zhǔn)跨度為12 m,局部最大跨度可達(dá)14.4 m,鋼梁采用工字鋼[1],主梁主要截面H800 mm×350 mm×16 mm×32 mm,次梁主要截面為H800 mm×300 mm×16 mm×30 mm,宴會(huì)廳大跨鋼結(jié)構(gòu)梁主要截面為H1 400 mm×350 mm×24 mm×32 mm。鋼柱采用箱型截面,1～2層灌注混凝土提高框架抗側(cè)剛度,柱子截面主要為800 mm×800 mm×38 mm×38 mm(鋼管混凝土),3～9層為700 mm×700 mm×35 mm×35 mm(純鋼結(jié)構(gòu)),鋼結(jié)構(gòu)框架除特殊加強(qiáng)處外抗震等級(jí)均為四級(jí)。

本工程塔樓相關(guān)范圍內(nèi)含有兩層地下室,地下室與底層商業(yè)互通,局部樓層設(shè)防類別為乙類。鋼結(jié)構(gòu)首層柱子插入地下室1層,故地下室柱局部截面為1 200 mm×1 200 mm,其余常規(guī)地下室柱截面為600 mm×600 mm。地下1層建筑功能復(fù)雜,荷載較大且局部梁跨度可達(dá)14 m,故主梁截面較高,大部分主梁截面為400 mm×1 000 mm,局部大跨主梁截面為400 mm×1 200 mm,次梁主要以300 mm×800 mm和300 mm×700 mm截面為主,框架抗震等級(jí)為三級(jí)。

塔樓主要構(gòu)件參見表2。

本工程采用樁筏基礎(chǔ),底板頂標(biāo)高為-10.4 m,柱間最大距離達(dá)14 m,存在局部抗浮問題,適當(dāng)增加底板厚度。灌注樁為承壓兼抗拔樁,樁徑600 mm,樁長(zhǎng)31 m。底板采用彈性地基梁法進(jìn)行設(shè)計(jì),底板厚度800 mm,通過柱底局部加厚方式滿足抗沖切要求,柱底承臺(tái)局部最大加厚至1.5 m。

3.2 結(jié)構(gòu)超限判別

按照上海市超限高層的判斷標(biāo)準(zhǔn)[2-3],本工程涉及的主要超限項(xiàng)目如下：

1)一般不規(guī)則項(xiàng) ①扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,位移比X向1.2(3層),Y向1.4(5層)大于限值1.2；

②平面凹凸不規(guī)則,建筑平面為L(zhǎng)型,3～9層Y向凹進(jìn)深度20.8 m,該方向總寬度42.2 m,寬度比為49.3%大于30%；

③樓板局部不連續(xù),為了建筑效果2層樓板局部大開洞,有效寬度僅為典型寬度的27%，小于規(guī)定限值50%；

④豎向剛度不規(guī)則,裙房高度12.3 m,主樓高度38.55 m,高度比為31.9%大于20%,同時(shí)3～9層寬度20.4 m,1～2層寬度44.4 m，縮進(jìn)寬度比45.9%大于25%。

2)特別不規(guī)則項(xiàng) 無。

根據(jù)以上判定結(jié)果可知,本鋼結(jié)構(gòu)酒店單體含4項(xiàng)小超,超過了規(guī)定的3項(xiàng)，為超限高層建筑。

4 結(jié)構(gòu)超限處理措施

4.1 計(jì)算和分析手段

1)多軟件對(duì)比計(jì)算 運(yùn)用兩個(gè)獨(dú)立開發(fā)的分析軟件進(jìn)行比較分析,通過比較反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體性能的各個(gè)主要指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果來判定結(jié)構(gòu)分析是否可靠。

2)彈性時(shí)程分析 進(jìn)行彈性時(shí)程補(bǔ)充分析,取包絡(luò)值。

3)靜力彈塑性分析 本結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu),且存在剛度突變及豎向收進(jìn),需考察大震下結(jié)構(gòu)的抗震性能,保證結(jié)構(gòu)延性。本工程樓層高度不大,較為均勻,可采用靜力推覆分析方法,分析時(shí)考慮P-Δ二階效應(yīng)。

4.2 設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施

1)全樓嚴(yán)格按照規(guī)范相關(guān)抗震要求設(shè)計(jì)。

2)在下部?jī)蓪訉痈咻^高箱形鋼柱內(nèi)灌注混凝土以減少層高引起的剛度突變的影響,在純鋼結(jié)構(gòu)柱剛度比滿足不小于上層0.5的情況下增加更多的剪切剛度,同時(shí)對(duì)于底下2層對(duì)應(yīng)的地震剪力放大1.25倍。

3)通過周邊增加梁高和柱子尺寸增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。位移比控制在1.4以下,周期比控制在0.90以下。

4)2 層和3層樓板采用鋼筋桁架板,使樓板應(yīng)力分析時(shí)的計(jì)算厚度與實(shí)際情況相符；采用彈性膜對(duì)該薄弱樓板進(jìn)行詳細(xì)分析,按中震彈性目標(biāo)控制應(yīng)力,配筋率大于0.25%。

5)結(jié)構(gòu)在豎向有縮進(jìn)的位置,即3層樓面的上、下各兩層范圍內(nèi)周圍的豎向構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)做一定的加強(qiáng),鋼管混凝土柱的壁厚加厚至38 mm,框架柱抗震等級(jí)提高到三級(jí)。

6)塔樓首層標(biāo)高與地庫頂高差1.5 m,小于地下一層層高5 m的1/3。結(jié)構(gòu)在此高低跨位置處：①嵌固端相關(guān)框架柱抗震等級(jí)取為二級(jí)；②設(shè)置角度不大于45°板加腋措施進(jìn)行加強(qiáng)處理以利于水平力的傳遞；③加強(qiáng)高差處框架柱及水平構(gòu)件的抗剪鋼筋配置。通過以上加強(qiáng)措施,可認(rèn)為高低差位置處樓板傳力是連續(xù)的。在設(shè)計(jì)中將地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端。

7)在塔樓相關(guān)范圍內(nèi)局部增設(shè)300 mm厚混凝土墻,使得地下室兩個(gè)方向的剛度更加均勻,同時(shí)滿足剪切剛度比(地下一層/首層)大于1.5。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析結(jié)果

5.1 小震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)分析

采用三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SATWE V3.2和Midas building V2018進(jìn)行比較分析,對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 主要結(jié)構(gòu)特征參數(shù)比較(統(tǒng)計(jì)至嵌固端)

如表3所示,兩種不同軟件計(jì)算的周期和質(zhì)量基本一致,各項(xiàng)指標(biāo)也都相差不大,由此可初步判定模型的分析結(jié)果是準(zhǔn)確可信的。主要結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的控制項(xiàng)目也均能滿足之前設(shè)定的控制指標(biāo)。

5.2 彈性時(shí)程分析

根據(jù)規(guī)范規(guī)定,補(bǔ)充小震下彈性時(shí)程分析,分析結(jié)果見表4。

表4列出了多遇地震下彈性動(dòng)力時(shí)程分析的最大基底剪力,根據(jù)計(jì)算結(jié)果地震波選取符合規(guī)范規(guī)定,同時(shí)取三者包絡(luò)設(shè)計(jì),即地震力放大系數(shù)取1.02。

5.3 大震作用下結(jié)構(gòu)分析

本工程運(yùn)用PKPM軟件的EPDA&PUSH程序,通過兩種最為常用的受力方式(倒三角、彈性CQC地震力),進(jìn)行Pushover分析,得出性能點(diǎn)。再通過性能點(diǎn)相應(yīng)得出的結(jié)構(gòu)各層變形即可反映結(jié)構(gòu)在罕遇地震下各層的位移。Pushover計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 小震下基底剪力對(duì)比

表5 罕遇地震計(jì)算結(jié)果

由表5可知,大震下兩個(gè)方向最大層間位移角均小于1/50,滿足規(guī)范要求。另外,從塑性鉸的產(chǎn)生過程看,隨著推覆的進(jìn)行首先出現(xiàn)梁鉸,直至性能點(diǎn)附近時(shí),在結(jié)構(gòu)豎向收進(jìn)處出現(xiàn)少量柱鉸,其中X向推覆時(shí)柱鉸出現(xiàn)的時(shí)間比Y向更早,設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)豎向縮進(jìn)處首先出現(xiàn)柱鉸的箱型柱壁厚適當(dāng)增加,同時(shí)將該層柱抗震等級(jí)提高為二級(jí)。

5.4 平面薄弱部位樓板應(yīng)力分析

樓板作為結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件,除承擔(dān)豎向荷載外,還需要傳遞和分配水平力。本工程2層局部開洞面積較大,樓板傳力體系受到破壞,須對(duì)本層樓板的可靠性進(jìn)行重點(diǎn)分析。樓板采用鋼筋桁架板,采用彈性膜對(duì)該薄弱樓板進(jìn)行詳細(xì)分析,按中震彈性目標(biāo)控制應(yīng)力,對(duì)大開洞的周邊適當(dāng)增大板厚,保證傳遞水平力的有效傳遞。中震下分析結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 X地震單工況下首層樓板面內(nèi)最大應(yīng)力

圖4 Y地震單工況下首層樓板面內(nèi)最大應(yīng)力

由上述計(jì)算結(jié)果可知,在X(Y)向地震單工況作用下,首層樓板除了局部洞口角部、樓層轉(zhuǎn)角處外,其余部位樓板最大應(yīng)力基本都在0.6 MPa以下,遠(yuǎn)小于ftk=2.2 MPa,同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于樓板應(yīng)力較大部位局部將板厚增至130 mm。

6 結(jié) 語

本工程為L(zhǎng)型平面建筑,同時(shí)存在豎向縮進(jìn)和樓板大開洞,屬于結(jié)構(gòu)抗震超限項(xiàng)目。根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震特點(diǎn)和建筑布置,對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對(duì)性的計(jì)算分析,對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利位置進(jìn)行了有效的加強(qiáng)。本工程結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的基本要求,結(jié)構(gòu)抗震安全可靠。