某超限鋼結構酒店項目結構設計

黃衛挺

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092)

1 工程概況

彼友商務中心項目位于大虹橋區域,屬西虹橋商務區板塊,包括1～23#甲級多層辦公樓,24～26#甲級高層辦公樓,27#酒店及會議中心和28#多層商業,是一個綜合體建筑群。其中27#酒店及會議中心高度38.55 m,建筑平面形狀為L型平面,同時豎向存在局部縮進,屬于超限高層建筑。

本工程±0.000 m相當于絕對標高5.300 m(吳淞高程系統),27#酒店地下為2層整體地下室,地下室底板相對標高-11.400 m,主塔樓地上9層,室內外高差0.30 m,上部酒店層層高3.75 m,地面以上結構的總高度為38.55 m。本工程上部結構采用鋼結構,首層為酒店大堂,同時存在一個挑空的宴會廳,宴會廳屋面最大跨度為24 m；樓上3～9層為豪華酒店,酒店單間面積60 m2左右,標準間開間6 m,鋼梁跨度12 m。2層地下室局部與大商場聯通,為鋼筋混凝土結構,地下1層層高6.4 m,底層為3.8 m,梁最大跨度達15 m。

酒店建筑的外立面效果圖及yjk軟件下的結構整體計算模型見圖1、圖2。

圖1 建筑外立面效果圖

圖2 結構模型

2 結構設計基本參數

結構設計基本參數見表1。

表1 設計基本參數

3 結構體系及超限項分析

3.1 結構體系及主要構件

本工程上部結構共有9層,1～2層為酒店大堂及宴會廳,3～9層為酒店,為鋼框架結構體系,宴會廳屋蓋最大跨度24 m，為大跨度鋼結構,屋蓋采用主次梁結構。本工程酒店品質高,單間面積大,鋼梁標準跨度為12 m,局部最大跨度可達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,宴會廳大跨鋼結構梁主要截面為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(純鋼結構),鋼結構框架除特殊加強處外抗震等級均為四級。

本工程塔樓相關范圍內含有兩層地下室,地下室與底層商業互通,局部樓層設防類別為乙類。鋼結構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,其余常規地下室柱截面為600 mm×600 mm。地下1層建筑功能復雜,荷載較大且局部梁跨度可達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,框架抗震等級為三級。

塔樓主要構件參見表2。

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

3.2 結構超限判別

按照上海市超限高層的判斷標準[2-3],本工程涉及的主要超限項目如下：

1)一般不規則項 ①扭轉不規則,位移比X向1.2(3層),Y向1.4(5層)大于限值1.2；

②平面凹凸不規則,建筑平面為L型,3～9層Y向凹進深度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,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%，小于規定限值50%；

④豎向剛度不規則,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3～9層寬度20.4 m,1～2層寬度44.4 m，縮進寬度比45.9%大于25%。

2)特別不規則項 無。

根據以上判定結果可知,本鋼結構酒店單體含4項小超,超過了規定的3項，為超限高層建筑。

4 結構超限處理措施

4.1 計算和分析手段

1)多軟件對比計算 運用兩個獨立開發的分析軟件進行比較分析,通過比較反應結構整體性能的各個主要指標的計算結果來判定結構分析是否可靠。

2)彈性時程分析 進行彈性時程補充分析,取包絡值。

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

4.2 設計和構造措施

1)全樓嚴格按照規范相關抗震要求設計。

2)在下部兩層層高較高箱形鋼柱內灌注混凝土以減少層高引起的剛度突變的影響,在純鋼結構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,同時對于底下2層對應的地震剪力放大1.25倍。

3)通過周邊增加梁高和柱子尺寸增加結構的抗扭剛度。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,使樓板應力分析時的計算厚度與實際情況相符；采用彈性膜對該薄弱樓板進行詳細分析,按中震彈性目標控制應力,配筋率大于0.25%。

5)結構在豎向有縮進的位置,即3層樓面的上、下各兩層范圍內周圍的豎向構件在設計時做一定的加強,鋼管混凝土柱的壁厚加厚至38 mm,框架柱抗震等級提高到三級。

6)塔樓首層標高與地庫頂高差1.5 m,小于地下一層層高5 m的1/3。結構在此高低跨位置處：①嵌固端相關框架柱抗震等級取為二級；②設置角度不大于45°板加腋措施進行加強處理以利于水平力的傳遞；③加強高差處框架柱及水平構件的抗剪鋼筋配置。通過以上加強措施,可認為高低差位置處樓板傳力是連續的。在設計中將地下室頂板作為上部結構嵌固端。

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

5 結構計算及分析結果

5.1 小震及風荷載作用下結構分析

采用三維結構設計軟件SATWE V3.2和Midas building V2018進行比較分析,對比結果見表3。

表3 主要結構特征參數比較(統計至嵌固端)

如表3所示,兩種不同軟件計算的周期和質量基本一致,各項指標也都相差不大,由此可初步判定模型的分析結果是準確可信的。主要結構特征參數的控制項目也均能滿足之前設定的控制指標。

5.2 彈性時程分析

根據規范規定,補充小震下彈性時程分析,分析結果見表4。

表4列出了多遇地震下彈性動力時程分析的最大基底剪力,根據計算結果地震波選取符合規范規定,同時取三者包絡設計,即地震力放大系數取1.02。

5.3 大震作用下結構分析

本工程運用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),進行Pushover分析,得出性能點。再通過性能點相應得出的結構各層變形即可反映結構在罕遇地震下各層的位移。Pushover計算結果見表5。

表4 小震下基底剪力對比

表5 罕遇地震計算結果

由表5可知,大震下兩個方向最大層間位移角均小于1/50,滿足規范要求。另外,從塑性鉸的產生過程看,隨著推覆的進行首先出現梁鉸,直至性能點附近時,在結構豎向收進處出現少量柱鉸,其中X向推覆時柱鉸出現的時間比Y向更早,設計時對豎向縮進處首先出現柱鉸的箱型柱壁厚適當增加,同時將該層柱抗震等級提高為二級。

5.4 平面薄弱部位樓板應力分析

樓板作為結構的重要構件,除承擔豎向荷載外,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,須對本層樓板的可靠性進行重點分析。樓板采用鋼筋桁架板,采用彈性膜對該薄弱樓板進行詳細分析,按中震彈性目標控制應力,對大開洞的周邊適當增大板厚,保證傳遞水平力的有效傳遞。中震下分析結果見圖3、圖4。

圖3 X地震單工況下首層樓板面內最大應力

圖4 Y地震單工況下首層樓板面內最大應力

由上述計算結果可知,在X(Y)向地震單工況作用下,首層樓板除了局部洞口角部、樓層轉角處外,其余部位樓板最大應力基本都在0.6 MPa以下,遠小于ftk=2.2 MPa,同時設計時對于樓板應力較大部位局部將板厚增至130 mm。

6 結 語

本工程為L型平面建筑,同時存在豎向縮進和樓板大開洞,屬于結構抗震超限項目。根據結構的抗震特點和建筑布置,對整體結構進行了針對性的計算分析,對結構抗震不利位置進行了有效的加強。本工程結構的抗震性能滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的基本要求,結構抗震安全可靠。