某超限钢结构酒店项目结构设计

黄卫挺

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092)

1 工程概况

彼友商务中心项目位于大虹桥区域,属西虹桥商务区板块,包括1～23#甲级多层办公楼,24～26#甲级高层办公楼,27#酒店及会议中心和28#多层商业,是一个综合体建筑群。其中27#酒店及会议中心高度38.55 m,建筑平面形状为L型平面,同时竖向存在局部缩进,属于超限高层建筑。

本工程±0.000 m相当于绝对标高5.300 m(吴淞高程系统),27#酒店地下为2层整体地下室,地下室底板相对标高-11.400 m,主塔楼地上9层,室内外高差0.30 m,上部酒店层层高3.75 m,地面以上结构的总高度为38.55 m。本工程上部结构采用钢结构,首层为酒店大堂,同时存在一个挑空的宴会厅,宴会厅屋面最大跨度为24 m；楼上3～9层为豪华酒店,酒店单间面积60 m2左右,标准间开间6 m,钢梁跨度12 m。2层地下室局部与大商场联通,为钢筋混凝土结构,地下1层层高6.4 m,底层为3.8 m,梁最大跨度达15 m。

酒店建筑的外立面效果图及yjk软件下的结构整体计算模型见图1、图2。

图1 建筑外立面效果图

图2 结构模型

2 结构设计基本参数

结构设计基本参数见表1。

表1 设计基本参数

3 结构体系及超限项分析

3.1 结构体系及主要构件

本工程上部结构共有9层,1～2层为酒店大堂及宴会厅,3～9层为酒店,为钢框架结构体系,宴会厅屋盖最大跨度24 m，为大跨度钢结构,屋盖采用主次梁结构。本工程酒店品质高,单间面积大,钢梁标准跨度为12 m,局部最大跨度可达14.4 m,钢梁采用工字钢[1],主梁主要截面H800 mm×350 mm×16 mm×32 mm,次梁主要截面为H800 mm×300 mm×16 mm×30 mm,宴会厅大跨钢结构梁主要截面为H1 400 mm×350 mm×24 mm×32 mm。钢柱采用箱型截面,1～2层灌注混凝土提高框架抗侧刚度,柱子截面主要为800 mm×800 mm×38 mm×38 mm(钢管混凝土),3～9层为700 mm×700 mm×35 mm×35 mm(纯钢结构),钢结构框架除特殊加强处外抗震等级均为四级。

本工程塔楼相关范围内含有两层地下室,地下室与底层商业互通,局部楼层设防类别为乙类。钢结构首层柱子插入地下室1层,故地下室柱局部截面为1 200 mm×1 200 mm,其余常规地下室柱截面为600 mm×600 mm。地下1层建筑功能复杂,荷载较大且局部梁跨度可达14 m,故主梁截面较高,大部分主梁截面为400 mm×1 000 mm,局部大跨主梁截面为400 mm×1 200 mm,次梁主要以300 mm×800 mm和300 mm×700 mm截面为主,框架抗震等级为三级。

塔楼主要构件参见表2。

本工程采用桩筏基础,底板顶标高为-10.4 m,柱间最大距离达14 m,存在局部抗浮问题,适当增加底板厚度。灌注桩为承压兼抗拔桩,桩径600 mm,桩长31 m。底板采用弹性地基梁法进行设计,底板厚度800 mm,通过柱底局部加厚方式满足抗冲切要求,柱底承台局部最大加厚至1.5 m。

3.2 结构超限判别

按照上海市超限高层的判断标准[2-3],本工程涉及的主要超限项目如下：

1)一般不规则项 ①扭转不规则,位移比X向1.2(3层),Y向1.4(5层)大于限值1.2；

②平面凹凸不规则,建筑平面为L型,3～9层Y向凹进深度20.8 m,该方向总宽度42.2 m,宽度比为49.3%大于30%；

③楼板局部不连续,为了建筑效果2层楼板局部大开洞,有效宽度仅为典型宽度的27%，小于规定限值50%；

④竖向刚度不规则,裙房高度12.3 m,主楼高度38.55 m,高度比为31.9%大于20%,同时3～9层宽度20.4 m,1～2层宽度44.4 m，缩进宽度比45.9%大于25%。

2)特别不规则项 无。

根据以上判定结果可知,本钢结构酒店单体含4项小超,超过了规定的3项，为超限高层建筑。

4 结构超限处理措施

4.1 计算和分析手段

1)多软件对比计算 运用两个独立开发的分析软件进行比较分析,通过比较反应结构整体性能的各个主要指标的计算结果来判定结构分析是否可靠。

2)弹性时程分析 进行弹性时程补充分析,取包络值。

3)静力弹塑性分析 本结构属于复杂结构,且存在刚度突变及竖向收进,需考察大震下结构的抗震性能,保证结构延性。本工程楼层高度不大,较为均匀,可采用静力推覆分析方法,分析时考虑P-Δ二阶效应。

4.2 设计和构造措施

1)全楼严格按照规范相关抗震要求设计。

2)在下部两层层高较高箱形钢柱内灌注混凝土以减少层高引起的刚度突变的影响,在纯钢结构柱刚度比满足不小于上层0.5的情况下增加更多的剪切刚度,同时对于底下2层对应的地震剪力放大1.25倍。

3)通过周边增加梁高和柱子尺寸增加结构的抗扭刚度。位移比控制在1.4以下,周期比控制在0.90以下。

4)2 层和3层楼板采用钢筋桁架板,使楼板应力分析时的计算厚度与实际情况相符；采用弹性膜对该薄弱楼板进行详细分析,按中震弹性目标控制应力,配筋率大于0.25%。

5)结构在竖向有缩进的位置,即3层楼面的上、下各两层范围内周围的竖向构件在设计时做一定的加强,钢管混凝土柱的壁厚加厚至38 mm,框架柱抗震等级提高到三级。

6)塔楼首层标高与地库顶高差1.5 m,小于地下一层层高5 m的1/3。结构在此高低跨位置处：①嵌固端相关框架柱抗震等级取为二级；②设置角度不大于45°板加腋措施进行加强处理以利于水平力的传递；③加强高差处框架柱及水平构件的抗剪钢筋配置。通过以上加强措施,可认为高低差位置处楼板传力是连续的。在设计中将地下室顶板作为上部结构嵌固端。

7)在塔楼相关范围内局部增设300 mm厚混凝土墙,使得地下室两个方向的刚度更加均匀,同时满足剪切刚度比(地下一层/首层)大于1.5。

5 结构计算及分析结果

5.1 小震及风荷载作用下结构分析

采用三维结构设计软件SATWE V3.2和Midas building V2018进行比较分析,对比结果见表3。

表3 主要结构特征参数比较(统计至嵌固端)

如表3所示,两种不同软件计算的周期和质量基本一致,各项指标也都相差不大,由此可初步判定模型的分析结果是准确可信的。主要结构特征参数的控制项目也均能满足之前设定的控制指标。

5.2 弹性时程分析

根据规范规定,补充小震下弹性时程分析,分析结果见表4。

表4列出了多遇地震下弹性动力时程分析的最大基底剪力,根据计算结果地震波选取符合规范规定,同时取三者包络设计,即地震力放大系数取1.02。

5.3 大震作用下结构分析

本工程运用PKPM软件的EPDA&PUSH程序,通过两种最为常用的受力方式(倒三角、弹性CQC地震力),进行Pushover分析,得出性能点。再通过性能点相应得出的结构各层变形即可反映结构在罕遇地震下各层的位移。Pushover计算结果见表5。

表4 小震下基底剪力对比

表5 罕遇地震计算结果

由表5可知,大震下两个方向最大层间位移角均小于1/50,满足规范要求。另外,从塑性铰的产生过程看,随着推覆的进行首先出现梁铰,直至性能点附近时,在结构竖向收进处出现少量柱铰,其中X向推覆时柱铰出现的时间比Y向更早,设计时对竖向缩进处首先出现柱铰的箱型柱壁厚适当增加,同时将该层柱抗震等级提高为二级。

5.4 平面薄弱部位楼板应力分析

楼板作为结构的重要构件,除承担竖向荷载外,还需要传递和分配水平力。本工程2层局部开洞面积较大,楼板传力体系受到破坏,须对本层楼板的可靠性进行重点分析。楼板采用钢筋桁架板,采用弹性膜对该薄弱楼板进行详细分析,按中震弹性目标控制应力,对大开洞的周边适当增大板厚,保证传递水平力的有效传递。中震下分析结果见图3、图4。

图3 X地震单工况下首层楼板面内最大应力

图4 Y地震单工况下首层楼板面内最大应力

由上述计算结果可知,在X(Y)向地震单工况作用下,首层楼板除了局部洞口角部、楼层转角处外,其余部位楼板最大应力基本都在0.6 MPa以下,远小于ftk=2.2 MPa,同时设计时对于楼板应力较大部位局部将板厚增至130 mm。

6 结 语

本工程为L型平面建筑,同时存在竖向缩进和楼板大开洞,属于结构抗震超限项目。根据结构的抗震特点和建筑布置,对整体结构进行了针对性的计算分析,对结构抗震不利位置进行了有效的加强。本工程结构的抗震性能满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的基本要求,结构抗震安全可靠。