2014特色酒店结构设计案例(二)——广州番禺某酒店
无需多言
2015年02月09日 09:45:16
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1、工程概况 本工程是位于广州市番禺区,地面以上17层,其中裙楼共5层,为酒店大堂、银行、办公、会议及餐饮等;6层以上为酒店标准客房。地面以下1层,为六级人防地下室,平时用作地下立体停车库。总建筑面积约20000m2,其中地下室建筑面积3780m2,结构总高度为66.02m。 本工程设计使用年限为50年;基本风压0.6kN/m2,地面粗糙类别B类;安全等级为二级,结构重要性系数γo=1.0;抗震设防类别为丙类,工程所在地区抗震设防烈度为7度,地震分组为第1组,基本加速度值为0.1g,按7度抗震构造措施设防;场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.35s,不存在液化土层。


1、工程概况
本工程是位于广州市番禺区,地面以上17层,其中裙楼共5层,为酒店大堂、银行、办公、会议及餐饮等;6层以上为酒店标准客房。地面以下1层,为六级人防地下室,平时用作地下立体停车库。总建筑面积约20000m2,其中地下室建筑面积3780m2,结构总高度为66.02m。
本工程设计使用年限为50年;基本风压0.6kN/m2,地面粗糙类别B类;安全等级为二级,结构重要性系数γo=1.0;抗震设防类别为丙类,工程所在地区抗震设防烈度为7度,地震分组为第1组,基本加速度值为0.1g,按7度抗震构造措施设防;场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.35s,不存在液化土层。


2、场地地质情况

根据地质报告提供,本工程地下水对混凝土无腐蚀,基本稳定水位埋深为约 0.9~2.7m,场地岩土分布情况见表一。


3、地基基础设计

本工程地基基础设计等级为乙级,基础构件承载力计算重要性系数γo= 1.0。根据本工程的层数初步估算,基础柱底轴力较大(最大轴力设计值约30000kN,换算为标准组合24000kN)。 地质勘察报告揭示的场地岩土分布情况,以强风化花岗岩为持力层的预应力管桩或以中、微风化花岗岩为持力层的钻(冲)孔灌注桩均是可能方案。

为此我们对两种桩型进行了经济技术分析,从表二可见,以微风化花岗岩为持力层的钻(冲)孔灌注桩比预应力管桩在造价上略有优势。尽管预应力管桩也具有施工和检测周期短、质量容易保证等优点,但其单桩承载力偏低,在本工程中需要布置桩数多,不得不采用筏形承台,其基坑开挖深度必然增大,钻(冲)孔灌注桩的经济技术优势更明显了。


因此选用了冲(钻)孔灌注桩基础,Φ800~Φ1200以中风化花岗岩层为持力层,Φ1400~Φ1800以微风化花岗岩层为持力层,单桩竖向抗压承载力特征值5000~25100kN。

地下室结构设计受到以下客观条件限制:

(1)开挖深度范围内主要是填土和淤泥,地下水位较高;
(2)东面和北面地下室边线紧靠市政道路、西面临近河涌、南面距已建的小学教学楼不足10m;
(3)停车位数量紧张,建筑设计考虑了机械式双层立体停车设施。一方面为了减少基坑支护结构造价、有利地下室施工安全,必须尽量减少地下室的开挖深度,另一方面要保证地下室有足够的净空。解决这个矛盾的办法是尽量减少地下室底板、顶板结构高度。
由于地下室底板标高处于淤泥层,采用了无梁平板底板式底板,既便于施工又减少了开挖深度。设计时考虑了地下水的浮托作用,抗浮设防水位取至室外地坪,底板板厚为450mm,板面结构标高均为-5.550m,底板与桩承台砼整体浇注。

4、上部结构设计

4.1 结构设计的难点
(1)裙楼的正交柱网和标准层的鱼骨式斜交柱网各成体系,除作为电梯井的核心筒上下连通外,其余竖向抗侧力构件不连续,必须在第五层进行高位转换,而且转换层的结构布置比较复杂。
(2)某些楼层层高有较大变化,容易造成侧向刚度不规则。
(3)核心筒在裙楼平面偏置,在地震作用下裙楼容易产生严重的扭转。若在裙楼周边设置一定数量的抗侧力构件,由于地下室周边外伸,裙楼周边下方正好是地下室车库的车道,这类抗侧力构件无法直接伸入地下室底板基础。
故本工程整个结构布局比较复杂,使其具备良好的抗震性能是本工程结构设计的重点。

四层结构平面
标准层结构平面

4.2、结构体系与结构布置

根据使用功能的需要,标准层采用了短肢剪力墙-核心筒结构,在满足要求的前提下尽量使标准层的侧向刚度与下部结构接近,并将短肢剪力墙的抗震等级按规范[3]提高一级。标准层为了配合转换层结构布置,局部悬挑跨度较大,为了减少结构高度采用悬臂空腹桁架,并增加了其刚度。

由负一至四层按使用功能要求采用了框架-核心筒结构,为减少柱截面、增加地下车库的有效使用面积,柱砼采用C50。为增加下部结构的侧向刚度,一方面增加了核心筒外壁的厚度(由300增至400),另一方面在E~F轴X 3轴和E~F轴X 9轴处各设一片剪力墙。

由于核心筒在裙楼平面中偏置,周边抗侧力构件数量少,最初试算发现,最大层间位移与平均层间位移的比值(以下称“位移比”)的最大值达到1.82(出现在第二层),远超过规范[3]的限值1.4。这说明结构底部抗扭刚度小(尤其是Y向),在地震作用下裙楼会产生严重的扭转。

最有效的解决方法是在裙楼边缘1轴和9轴处Y向各设一片剪力墙,但如前所述此处布置的剪力墙不能直接伸入地下室底板基础,而必须在地下室顶板进行转换。这样一来,既增加了地下室顶板结构高度、不符合前述的地下室顶板结构设计原则,又使整个结构存在两次转换,增加了整个结构设计的复杂性。经分析比较,最后在C~D轴X 1轴和C~D轴X 9轴(1—4层)处各设一道人字钢支撑,很好的解决了这个问题。最后一至四层形成了框架-核心筒+钢支撑的结构形式。

结构转换层布置方面,灵活采用了传力直接、可靠经济梁式转换体系,连接上部鱼骨式斜交轴网和下部正交轴网的竖向构件。由于上部短肢剪力墙大部分可以布置在接近轴线的位置,因此转换梁尽量根据下部正交柱网布置,并充分利用轴线上框架梁的强度和刚度,部分转换主梁采用宽扁梁。部分无法由转换主梁直接支承的,采取了平行双梁转换的形式,这样的优点是避免斜梁造成梁端与框架梁或框支柱相交而构造复杂,在构造上充分注意将双梁连接起来,使共同工作,将梁支座设计成刚性块体,避免对正交的框架梁产生过大扭矩(图四)。

五层(转换层)结构平面

4.3、整体结构分析计算

本工程主体结构采用中国建筑科学院PKPM软件系列软件SATWE进行计算。经计算,所有钢支撑截面均取HW400x400后,位移比最大值降至1.48(出现在第六层),虽然仍略超出规范[3]的限值1.4,但其对应的最大层间位移角为1/2393,小于规范[3]的限值1/2,按参考文献[9]建议的处理办法(P199)可认为符合抗扭设计要求。


4.4、消能减震设计

在转换层下部加设的钢支撑对结构底部的抗扭有很重要的作用,钢支撑弹性刚度大,抵抗多遇地震有效,但在罕遇地震下支撑斜杆反复拉压,一旦杆件受压屈服,杆件产生压屈塑性变形,重新受拉后变形不能完全恢复,杆件不能完全拉直,再次受压时承载力降低,容易在罕遇地震时首先破坏而成了第一道防线。

保证钢支撑在罕遇地震下的工作性能、提高其延性是保证转换层以下底部加强区结构安全的主要技术措施之一。经与建设单位协商,决定采用复合型铅粘弹性阻尼器,将阻尼器安放在下部两侧1、9轴(1—4层)钢支撑处,在每个支撑上加两个阻尼器。

4.4.1、分析与计算:

在多遇地震下采用振型分解反应谱法分析和非线性动力时程分析,罕遇地震情况下采用非线性动力时程分析,采用ETABS大型建筑结构有限元分析设计软件进行计算分析。计算分析中采用的地震烈度为7度,所选时程曲线(二类土)为EL-Centro波、唐山波、广州波。在多遇地震情况下层间变形比较小,采用粘弹性回复力模型;在罕遇地震情况下层间位移较大,直接采用试验所得的金属屈服性恢复力模型数据(图五)。


取前18个振型,各种工况参与质量比达到97%以上,结构Y方向位移刚度较弱,加阻尼器后结构在各种工况荷载作用下的变形曲线相对比较平缓。

主要分析结果:




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无需多言
2015年02月09日 09:46:48
2楼
本帖最后由 无需多言 于 2015-2-9 09:48 编辑

4.4.2、消能减震设计结论:

本工程加入阻尼器后有效地改善了结构裙楼抗侧刚度和抗扭刚度,减少了裙楼的侧向变形及不利的扭转效应,有效地消耗裙楼的地震能量;在罕遇地震作用下,结构的顶点位移和层间位移角均满足规范[3]和规范[4]的要求;同时结构的最大层间角位移或最大层间扭转角没有明显放大,对抗震有利。

加入阻尼器后本工程可满足“中震不屈服、罕遇地震可修”的抗震性能目标,比规范[4]所要求的“中震可修,罕遇地震不倒”在使用性能上提高了一个档次。

4.5、耗能减震替代方案的设计

当本工程施工完地下室侧壁、尚未施工顶板时,建设单位一方面进行阻尼器的产品市场调查,一方面要求设计方面提出耗能减震技术的替代方案。

在考虑替代方案时,我们考虑提高钢支撑、相关构件及其连接的承载能力,使其在罕遇地震作用下不首先破坏:一方面调整钢支撑的截面,使之具备足够的承载力,以“中震下钢支撑不屈服”为设计目标;另一方面在钢支撑相连的框架构件中加入型钢,形成型钢混凝土框架+钢支撑方案,以增加结构的延性,并便于钢支撑的连接固定,简化节点构造。

4.5.1、型钢混凝土框架+钢支撑的方案

钢支撑按中心支撑设计(即型钢混凝土梁、型钢混凝土柱和钢斜撑中心线交会于一点)。首先为了提高钢支撑的抗侧刚度,将每层人字形支撑改为每两层X形支撑,按照规范[4]和[8]对中心支撑杆件长细比和板件宽厚比(超过12层)的要求适当调整了钢支撑的截面。最后选定1轴支撑截面H580X350X22X28,9轴支撑截面H 300X350X22X25。

调整钢支撑截面时,考虑到1轴的钢支撑与结构刚度中心距离较短,有意识地调整1轴钢支撑截面大于9轴钢支撑截面。经计算,在多遇地震作用下的位移比最大值略微减少至1.46(在第六层,最大层间位移角为1/2190),说明经过优化调整钢支撑截面后结构抗扭性能有所改善。

经计算在多遇地震作用下支撑斜杆的稳定应力与强度设计值之比最大值为0.5。考虑到支撑斜杆受压屈曲后产生较大变形、并使体系的抗剪能力发生较大退化,按照规范[8]的要求,在多遇地震作用下钢支撑的内力应乘以增大系数1.5。按此要求换算后支撑斜杆的稳定应力与强度设计值之比为0.75,满足规范要求。

为了稳妥起见,还复核了中震作用下钢支撑的内力情况,在中震时支撑斜杆的稳定应力与强度设计值之比为0.84,满足“中震下钢支撑不屈服”的设计目标。

对与钢支撑相连的框架,保持其柱截面和梁高不变,按规范[3]、[5]和[6]要求的型钢含钢率加入型钢,型钢截面满足规范的板件宽厚比要求。经计算,柱的最大轴压比由原来的0.66降至0.41,延性相应增加。

4.5.2、方案的比较

(1)耗能减震技术和型钢混凝土框架+钢支撑结构均能达到保证本工程转换层以下底部加强区结构安全的目的。
(2)两种技术措施分别体现了“抗”和“放”两种不同的设计理念。耗能减震技术主要体现了“放”的设计理念,通过在罕遇地震时阻尼器产生较大的变形,相应降低了钢支撑内力,避免了其首先破坏。而型钢混凝土框架+钢支撑结构则从“抗”的设计理念出发,即提高钢支撑构件及其连接的承载能力,使其在罕遇地震作用下抗力大于外力。
(3)耗能减震技术新颖,在目前国内应用较少,缺少工程相关的震害情况调查。型钢混凝土框架+钢支撑结构技术相对成熟,在国内应用较广,且有2个行业标准指导工程实践(规范[5]、[6])。
(4)造价方面,型钢混凝土框架+钢支撑结构的型钢总估算用量44.23吨,造价约35万元;按建设单位的市场调查,阻尼器总造价约60万元。
(5)经综合考虑,本工程改用了型钢混凝土框架+钢支撑结构方案。


4.5.3、型钢混凝土框架+钢支撑结构设计

型钢混凝土梁柱截面受力纵筋放于截面角部,中部另加构造筋。梁柱的配箍率满足规范要求,梁柱节点内柱箍为封闭箍,必须穿过梁内型钢的腹板。首层型钢混凝土柱中的型钢向下埋入地下室混凝土柱内锚固,在每层型钢混凝土柱中的型钢设栓钉。
型钢混凝土框架-钢支撑结构中,合理的型钢骨架节点构造尤其重要,主要措施如下:

(1)钢支撑两端与钢梁柱采用刚接构造,钢梁柱与支撑连接处设置加劲肋,支撑与框架连接处,支撑杆端做成圆弧。
(2)型钢混凝土柱与型钢混凝土梁、钢筋混凝土梁的连接,柱内型钢采用贯通型,柱内型钢的拼接构造和梁柱连接构造满足钢结构的连接要求, 在对应于型钢梁的上、下翼缘处设置水平加劲肋,保证内力可靠传递;柱上加劲板留气孔,便于水平加劲肋下表面混凝土与加劲肋紧密粘结。梁柱节点中控制纵筋穿过型钢腹板的数量,且不宜穿过型钢翼缘。

5、结语

综上所述,本工程的结构设计具有四大特点:

(1) 灵活采用了梁式转换连接上部鱼骨式斜交轴网和下部正交轴网的竖向构件,获得传力直接、可靠经济的转换层体系;
(2) 比较了耗能减震钢支撑和型钢混凝土框架+钢支撑的两种设计方案,解决了结构抗扭的关键问题;
(3) 对以强风化花岗岩为持力层的预应力管桩和以中、微风化花岗岩为持力层的钻(冲)孔灌注桩进行了经济技术分析,实施了最优的基础方案;
(4) 局部优化措施:无梁平板底板减少开挖量和开挖深度,增加净空;悬臂空腹桁架减少结构高度,增加刚度等等。
通过本工程的结构设计,体会到工程无论规模大小,结构优化没有止境,关键是要有精益求精的态度。
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设计小兵
2015年02月09日 10:46:26
3楼
方案比选有参考价值,谢谢楼主分享
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起名真难
2015年02月09日 11:14:59
4楼
路过,学习了
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yy594435395
2015年02月09日 15:13:40
5楼
路过学习下哈
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无间道
2015年02月09日 15:38:38
6楼
看看可以开开眼界。
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rzxzb
2015年02月09日 21:10:24
7楼
谢谢楼主的分享
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龙江嘉雪
2015年02月10日 09:04:03
9楼
好资料,学习
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guoxu0408
2015年02月10日 09:33:45
10楼
学习学习学习学习学习学习学习学习
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doushengf
2015年02月10日 10:20:02
11楼
看看可以开开眼界,谢谢楼主分享
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haiyangzhilan33
2015年02月10日 11:45:02
12楼
还没有遇到过这样的工程,学习一下吧,多谢楼主分享。
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