三亞國(guó)際免稅城酒店項(xiàng)目復(fù)雜混合超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

趙博堯, 徐福江, 盛 平, 張沫洵, 馮 巖, 盧 帥, 湯林墨, 侯舒樂

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

三亞國(guó)際免稅城一期二號(hào)地酒店項(xiàng)目位于海南省三亞市海棠灣A8片區(qū)A8-04地塊,整體用地面積為10.9萬(wàn)m2。項(xiàng)目東側(cè)臨海,西側(cè)為一期商業(yè)項(xiàng)目和已建成的中免海棠灣免稅店,北側(cè)為洲際酒店,南側(cè)為威斯汀酒店。項(xiàng)目地下2層,地上32層,建筑高度約為160m。1～2層為裙房,主要功能為酒店大堂、餐廳、宴會(huì)廳等;3～10層為英迪格酒店,10層以上為麗晶酒店。地下2層主要功能為車庫(kù)及設(shè)備用房。建筑效果圖及建筑剖面圖見圖1、2。

圖1 結(jié)構(gòu)模型圖

圖2 建筑剖面圖

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類,設(shè)計(jì)使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲類。抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類。50年一遇基本風(fēng)壓為0.85kN/m2,由于本工程體型比較特殊,為確保結(jié)構(gòu)安全,進(jìn)行了風(fēng)洞模型試驗(yàn),以獲得更為準(zhǔn)確的風(fēng)荷載。

2 結(jié)構(gòu)選型與桁架布置

2.1 結(jié)構(gòu)選型

工程平面呈圓弧形,平面邊緣最大尺寸約為200m×50m。主樓共5個(gè)核心筒,每個(gè)核心筒尺寸約為10m×20m,核心筒之間跨度約為28m。兩側(cè)設(shè)有懸挑,最大懸挑尺寸為28m左右。低區(qū)英迪格酒店兩個(gè)核心筒之間設(shè)6個(gè)開間,柱跨約4.5m,如圖3所示;高區(qū)麗晶酒店核心筒之間設(shè)4個(gè)開間,柱跨約7m,如圖4所示。

圖3 3～10層英迪格酒店典型結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 10層以上麗晶酒店典型結(jié)構(gòu)平面圖

主體結(jié)構(gòu)僅有5個(gè)核心筒落地,核心筒間由多個(gè)體塊構(gòu)成,各體塊之間上下斷開,交錯(cuò)布置,上下體塊之間為室外平臺(tái)空間。同時(shí),兩端的核心筒兩側(cè)還存在較大的懸挑。結(jié)合平面功能和立面布置,在各體塊頂部或底部的設(shè)備層設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架和懸挑桁架。圖3、4中軸桁架稱為面海側(cè)桁架,軸桁架稱為背海側(cè)桁架,圖5、6分別為面海側(cè)桁架和背海側(cè)桁架立面示意圖,圖7為懸挑桁架及轉(zhuǎn)換桁架平面布置示意圖。

圖5 面海側(cè)桁架立面圖

圖6 背海側(cè)桁架立面圖

圖7 懸挑桁架及轉(zhuǎn)換桁架平面布置示意圖

英迪格酒店客房柱均為吊柱或托柱,豎向荷載通過轉(zhuǎn)換桁架和懸挑桁架傳遞至5個(gè)核心筒上。英迪格酒店客房X向框架梁與核心筒連接采用鉸接,X向框架梁與吊柱或托柱采用剛接?？头扛魤ι系膬筛撝g的Y向鋼梁為兩端剛接,使得客房在Y向形成框架,具有一定的抗側(cè)剛度。結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)構(gòu)件主要包括5個(gè)核心筒和核心筒之間的轉(zhuǎn)換桁架。在Y向水平荷載作用時(shí),主要通過5個(gè)核心筒抗側(cè);在X向水平荷載作用時(shí),5個(gè)核心筒和轉(zhuǎn)換桁架共同抗側(cè),核心筒起到了主要抗側(cè)作用。

核心筒結(jié)構(gòu)作為本工程的主要抗側(cè)力構(gòu)件,對(duì)于工程的安全可靠性、施工工藝難易程度及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)都起到至關(guān)重要的作用。抗側(cè)問題是本項(xiàng)目的重點(diǎn)及難點(diǎn)問題之一,在早期的方案選型中,對(duì)5個(gè)核心筒的結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了細(xì)致研究及多方案對(duì)比試算,主要有以下3種方案:1)核心筒由鋼管混凝土柱和中心支撐組成;2)核心筒由雙鋼板-混凝土組合剪力墻組成;3)核心筒由鋼筋混凝土剪力墻組成。結(jié)構(gòu)方案對(duì)比分析主要計(jì)算結(jié)果見表1。

計(jì)算結(jié)果表明,三種結(jié)構(gòu)體系層間位移角均能滿足規(guī)范要求。鋼管混凝土柱+中心支撐核心筒結(jié)構(gòu)體系成熟,施工簡(jiǎn)單,但支撐布置需與專業(yè)洞口協(xié)調(diào),抗側(cè)剛度及經(jīng)濟(jì)性相比其他兩種方案均較差。雙鋼板-混凝土組合剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)混凝土及鋼板共同參與抗側(cè),具有良好的承載能力及延性耗能能力[4-5],抗側(cè)效率相比其他兩種方案高,墻體厚度相對(duì)鋼筋混凝土核心筒薄,但施工難度較大,工程案例較少[6],組合墻體的鋼板厚度較薄且焊接工作量較大,現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)需采取措施保證焊接質(zhì)量,當(dāng)?shù)厝狈ο嚓P(guān)施工經(jīng)驗(yàn),較難保證施工質(zhì)量。鋼筋混凝土剪力墻核心筒抗側(cè)剛度好,經(jīng)濟(jì)性在三種方案中最優(yōu),并且由于本工程抗側(cè)主要由風(fēng)荷載控制,地震作用較小,鋼筋混凝土核心筒剛度更大,對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形、抗傾覆、風(fēng)振舒適度等更為有利。綜合考慮,本項(xiàng)目最終采用鋼筋混凝土筒體+轉(zhuǎn)換桁架的混合結(jié)構(gòu)形式。

2.2 桁架布置

數(shù)量眾多及形式各異的轉(zhuǎn)換桁架和懸挑桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的又一重難點(diǎn)問題。

圖8、9分別為典型下掛轉(zhuǎn)換桁架和典型上托轉(zhuǎn)換桁架示意圖。標(biāo)準(zhǔn)層客房柱采用箱形截面□330×330×14×14等,X向客房樓面梁截面為H 300×200×6×12,Y向客房樓面梁截面為HN650×300、HN500×200等。為避讓房間管井,轉(zhuǎn)換桁架和懸挑桁架的弦桿和腹桿均為400mm寬。弦桿和腹桿承載力需求較小的位置采用H形截面,承載力需求較大的位置采用了箱形截面,截面高度500～800mm,壁厚為20～80mm。

圖8 典型下掛轉(zhuǎn)換桁架

圖9 典型上托轉(zhuǎn)換桁架

下部英迪格酒店的兩側(cè)懸挑跨度較小,均采用10層懸挑桁架下掛的方式。在懸挑最外側(cè),設(shè)置了封邊桁架,以加強(qiáng)懸挑區(qū)域的整體性,如圖10所示。麗晶客房23～26層的懸挑較為特殊,上下均無(wú)桁架。利用背海側(cè)客房隔墻入戶門的位置設(shè)置了人字形桁架,作為主受力桁架。面海側(cè)無(wú)法設(shè)置斜撐,采用了空腹桁架形式。在客房分戶墻位置設(shè)置了斜向支撐,協(xié)調(diào)人字形桁架和空腹桁架的變形。同時(shí),在體塊頂部、底部樓面設(shè)置水平支撐,在懸挑端部設(shè)置封邊桁架,加強(qiáng)懸挑體塊的整體性,如圖11所示。

圖10 英迪格酒店懸挑桁架

圖11 麗晶客房23～26層懸挑桁架

11層為麗晶酒店和英迪格酒店的泳池層,從主體向外懸挑了12m左右。由于懸挑尺度較大,且荷載較大,采用了整層外挑桁架的結(jié)構(gòu)形式,懸挑泳池桁架向內(nèi)延伸一跨,如圖12所示。

圖12 泳池層懸挑桁架

3 結(jié)構(gòu)超限情況及對(duì)應(yīng)措施

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況

工程采用鋼筋混凝土筒體+轉(zhuǎn)換桁架的混合結(jié)構(gòu)形式,現(xiàn)行規(guī)范暫沒有相關(guān)結(jié)構(gòu)體系,其屬于特殊類型高層建筑。主樓兩側(cè)部分樓層外挑9～28m,屬于大懸挑結(jié)構(gòu)或豎向構(gòu)件不連續(xù)。結(jié)構(gòu)在考慮偶然偏心情況下,扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.34,大于1.2,屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。樓層最大偏心率為25.97%,大于相應(yīng)邊長(zhǎng)的15%,屬于偏心布置。在客房層,平面結(jié)構(gòu)相對(duì)筒體凹進(jìn)35%,平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長(zhǎng)的30%,屬于凹凸不規(guī)則。海棠之窗樓層(17～21層)存在樓板不連續(xù)情況。避難層、機(jī)電層整層均為轉(zhuǎn)換桁架和懸挑桁架,存在剛度突變、受剪承載力突變、構(gòu)件間斷情況。

綜上,本項(xiàng)目建筑高度為160m,參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3](簡(jiǎn)稱高規(guī)),屬B級(jí)高度結(jié)構(gòu)。并且同時(shí)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)、剛度突變、承載力突變、豎向構(gòu)件不連續(xù)等多項(xiàng)不規(guī)則,屬于特殊類型的超限高層建筑。

3.2 超限措施

針對(duì)本工程的超限情況,提出以下措施:1)采用PKPM-SATWE、MIDAS Gen等多軟件進(jìn)行空間模型整體計(jì)算校核,確保結(jié)構(gòu)分析的可靠性。分析時(shí)采用考慮樓板實(shí)際平面內(nèi)剛度的模型,并考慮扭轉(zhuǎn)和偶然偏心的作用,控制周期比和扭轉(zhuǎn)位移比。2)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇水平地震計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與采用振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。3)考慮到樓板長(zhǎng)寬比較大以及中部開大洞的情況,承載力分析時(shí)樓板按彈性樓板考慮。將轉(zhuǎn)換桁架、懸挑桁架上下弦樓板厚度加大到150mm,并按照中震樓板應(yīng)力分析的結(jié)果進(jìn)行配筋,配筋雙層雙向拉通,配筋率不小于0.25%。4)將轉(zhuǎn)換桁架和懸挑桁架的抗震等級(jí)提高為三級(jí),同時(shí),轉(zhuǎn)換桁架和懸挑桁架分析時(shí)考慮豎向地震作用。承載力設(shè)計(jì)時(shí),忽略樓板的作用。5)將薄弱層、軟弱層的由小震工況引起的地震內(nèi)力放大1.25倍。6)在筒體底部加強(qiáng)區(qū)、連接桁架樓層及上下層設(shè)置鋼骨,方便桁架與筒體的連接,同時(shí)加強(qiáng)筒體的抗震性能。7)控制中震時(shí)雙向水平地震下墻肢全截面的平均名義拉應(yīng)力不超過2倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,當(dāng)拉應(yīng)力σ>1.0ftk時(shí),剪力墻暗柱中設(shè)置型鋼,剪力墻拉力由型鋼承擔(dān)。8)對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、轉(zhuǎn)換桁架、懸挑桁架、客房隔墻支撐等關(guān)鍵構(gòu)件以及客房吊柱、托柱等按照中震彈性、大震不屈服的性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。9)對(duì)轉(zhuǎn)換桁架、懸挑桁架進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析,提高和驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。10)采用彈塑性分析驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足設(shè)定的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)。

4 轉(zhuǎn)換桁架、懸挑設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本項(xiàng)目采用了大量的不同形式的大跨度轉(zhuǎn)換桁架及懸挑桁架,這種情況在工程實(shí)踐中較少遇見。設(shè)計(jì)中不僅需對(duì)轉(zhuǎn)換桁架、懸挑桁架的傳力途徑、承載能力、抗震性能、抗風(fēng)性能進(jìn)行分析,確保結(jié)構(gòu)承載安全;同時(shí)還應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換桁架和懸挑桁架進(jìn)行典型桁架受力分析[7]、樓板應(yīng)力分析、抗連續(xù)倒塌分析、施工順序分析[8]、樓蓋舒適度分析、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析、懸挑體塊在側(cè)向極值風(fēng)壓工況下的承載能力分析、懸挑體塊側(cè)向位移及舒適度分析,才能保證結(jié)構(gòu)在正常使用階段的整體安全、適用和施工方案的可行性。

4.1 懸挑桁架整體分析

12～15層懸挑桁架結(jié)構(gòu)布置如圖13、14所示,懸挑跨度為4跨總長(zhǎng)28m左右,利用避難層設(shè)置懸挑桁架,為加強(qiáng)懸挑體塊整體剛度,13～15層采用同麗晶客房懸挑體塊相同的結(jié)構(gòu)布置形式,即背海側(cè)設(shè)置人字形桁架,面海側(cè)設(shè)置空腹桁架,為了協(xié)調(diào)兩榀桁架的變形,利用客房隔墻位置布置了人字形支撐,整個(gè)懸挑體塊形成懸挑桁架上托人字形桁架+空腹桁架的混合懸挑桁架,此桁架剛度更強(qiáng),受力更合理,經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。計(jì)算分析時(shí),懸挑端施工順序采用一次性加載,考慮懸挑體塊整體作用。

圖13 背海側(cè)懸挑桁架示意

圖14 面海側(cè)懸挑桁架示意

計(jì)算結(jié)果表明:背海側(cè)懸挑桁架上弦桿受拉、下弦桿受壓,桁架腹桿呈現(xiàn)依次受拉、受壓,軸力自筒體向懸挑端逐漸有規(guī)律減小,無(wú)明顯受力突變,桁架整體受力形態(tài)符合力學(xué)規(guī)律,桁架整體性較好。在考慮樓板的情況下,恒載+活載標(biāo)準(zhǔn)組合工況下背海側(cè)懸挑桁架端部最大位移組合值為82.75mm(撓跨比為1/676),滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[9](簡(jiǎn)稱鋼規(guī))要求。面海側(cè)懸挑桁架下部2層形成的整層實(shí)腹桁架為主要重力傳力體系,桁架各桿件的受力規(guī)律與背海側(cè)相同,且13～15層形成了一定空腹桁架效果,與下部桁架共同協(xié)調(diào)豎向變形。在考慮樓板的情況下,恒載+活載標(biāo)準(zhǔn)組合工況下面海側(cè)懸挑桁架端部最大位移組合值為99.44mm(撓跨比為1/535),滿足鋼規(guī)要求。背海側(cè)、面海側(cè)兩榀桁架變形差僅16.69mm,滿足L/400要求(L為兩桁架間距離)。當(dāng)不考慮樓板作用時(shí),在恒載、活載、風(fēng)荷載及小震(考慮豎向地震)工況的共同作用下,此懸挑體塊關(guān)鍵鋼構(gòu)件應(yīng)力比均不大于0.85,滿足《海南省超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)(2021年版)》[10]要求,并且具有一定的安全冗余度。由于此懸挑桁架懸挑尺度較大,Y向迎風(fēng)面情況較為復(fù)雜,應(yīng)考慮懸挑體塊平面外風(fēng)振舒適度,經(jīng)計(jì)算此懸挑體塊最大加速度為0.23m/s2,小于高規(guī)[3]限值0.25m/s2。

4.2 懸挑桁架關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元分析

本工程轉(zhuǎn)換桁架、懸挑桁架節(jié)點(diǎn)受力大、構(gòu)件尺寸大、板件較厚、與鋼筋混凝土墻內(nèi)鋼骨柱連接關(guān)系復(fù)雜。對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析,建立復(fù)雜節(jié)點(diǎn)仿真模型,分析構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)板件在復(fù)雜受力情況下的應(yīng)力狀態(tài),驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)傳力的可靠性。選取12～15層面海側(cè)懸挑桁架下弦桿及端部斜腹桿與鋼筋混凝土墻內(nèi)鋼骨柱連接節(jié)點(diǎn),如圖15所示。混凝土墻體采用實(shí)體單元C3D8R模擬,型鋼柱、梁采用殼單元S4R模擬。由于結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)荷載控制,地震作用較小,控制工況為1.3DL+1.5LL±0.9W,施加該工況下的軸力、剪力和彎矩。加載共分兩步:第一步為重力荷載的施加,第二步為結(jié)構(gòu)荷載施加。圖16為節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果,除局部區(qū)域由于應(yīng)力集中進(jìn)入屈服狀態(tài)外,節(jié)點(diǎn)區(qū)域總體處于彈性范圍。

圖15 懸挑桁架下弦端部典型節(jié)點(diǎn)

圖16 墻肢豎向正應(yīng)力/Pa

圖17 鋼結(jié)構(gòu)von Mises綜合應(yīng)力/Pa

5 彈塑性分析

采用Paco-SAP軟件對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析。彈塑性時(shí)程分析采用2條天然波和1條人工波,峰值加速度調(diào)整為125gal。彈塑性時(shí)程分析中,分別沿X向、Y向作為主輸入方向輸入上述地震動(dòng),主次方向地震動(dòng)峰值按1∶0.85設(shè)置,豎向地震動(dòng)峰值按0.65比例設(shè)置,阻尼比取5%。根據(jù)彈塑性時(shí)程的計(jì)算結(jié)果,對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能主要評(píng)價(jià)如下:

(1)3組罕遇地震波、三向作用下的彈塑性時(shí)程分析結(jié)果表明,X向最大位移值為303mm,最大層間位移角為1/240;Y向最大位移值為325mm,最大層間位移角為1/298。所有工況下塔樓層間位移角均未超過限值1/120,滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

(2)在罕遇地震各工況下,轉(zhuǎn)換桁架、懸挑桁架及客房吊柱、托柱鋼材應(yīng)力比均小于1.00,性能水平均為無(wú)損壞,滿足大震不屈服的目標(biāo);剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)性能水平均為無(wú)損壞,滿足大震不屈服的性能目標(biāo)。

(3)絕大部分上部剪力墻處于無(wú)損壞狀態(tài);絕大部分框架梁無(wú)損壞,僅少部分框架梁屈服,均滿足性能水平要求。除個(gè)別樓板出現(xiàn)損壞外,整體結(jié)構(gòu)大部分樓板均未出現(xiàn)損壞

計(jì)算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性反應(yīng)和破壞機(jī)制符合結(jié)構(gòu)抗震工程的概念設(shè)計(jì)要求,抗震性能可達(dá)到預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。

6 結(jié)語(yǔ)

三亞國(guó)際免稅城酒店項(xiàng)目為復(fù)雜混合結(jié)構(gòu),屬于超限高層建筑。本項(xiàng)目?jī)H有5個(gè)核心筒落地,抗側(cè)問題是本項(xiàng)目的重點(diǎn)及難點(diǎn)問題之一,通過多方案對(duì)比,最終采用鋼筋混凝土筒體+轉(zhuǎn)換桁架混合結(jié)構(gòu)形式。筒體間各體塊交錯(cuò)布置、相互斷開;同時(shí),兩端筒體外側(cè)還存在較大跨度的懸挑。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)緊密結(jié)合,利用避難層設(shè)置不同形式的轉(zhuǎn)換桁架及懸挑桁架,解決了本項(xiàng)目的又一重點(diǎn)難點(diǎn)問題。大量的計(jì)算分析工作為高難度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和懸挑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供支持,確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。