重慶萬達艾美酒店超限結構分析與設計

余向前

(重慶市設計院，重慶 400015)

重慶萬達艾美酒店超限結構分析與設計

余向前

(重慶市設計院，重慶 400015)

在高層五星級酒店建筑中，由于功能需要，結構采用大跨度、大開洞、通高柱等形成大空間，導致結構超限的情況較為普遍。文章結合重慶萬達艾美五星級酒店結構設計工程實例，提出了此類大空間結構進行設計時應注意的一些問題和宜采取的結構措施，提及了此類結構的施工要點。并指明在高層星級酒店超限結構中采用斜交網狀梁樓蓋、大跨預應力樓蓋能夠有效降低層高，控制裂縫及撓度，確保建筑功能，且通過對超限部分抗震分析、對比，采取一定抗震加強措施后，能夠保證結構安全。

高層建筑； 大跨度； 斜交網狀梁； 預應力； 結構超限； 抗震措施

1 工程概況

重慶萬達艾美五星級酒店位于重慶市五大商圈之一的南坪商圈中心。酒店建筑面積為5.5×104m2，為帶裙房的單塔結構，地下2層，地上裙房6層，地下層及裙房為車庫、宴會廳、夜總會、咖啡館、雪茄吧等酒店配套用房(層高5.00～7.80 m不等)，裙房以上塔樓為15層(層高3.40 m)客房。塔樓與裙房之間為高2.20 m的設備轉換夾層。結構從地下室地坪起算，主體高度為101.50 m，為A級高度鋼筋混凝土高層建筑。結構相關信息見表1。

表1 項目結構相關信息

2 結構分析及設計

2.1 結構平面及豎向布置特點

本工程結構設計具有如下幾個特點：

(1) 酒店二層為入口大堂，為讓大堂顯得雄偉大氣，左側第1～4跨在二～三層為兩層通高，導致酒店三層(結構四層)出現樓板大開洞，形成薄弱層。大堂抽去了一根框架柱，導致酒店四～五層(結構五～六層)裙房形成了16.40 m×19.90 m的大跨度空間。

(2) 酒店五層大宴會廳部分，為體現豪華星級酒店的空間要求，抽掉了中間的8根框架柱，且兩層空間貫通，形成長×寬×高為40.0 m×32.60 m×10.40 m的大跨度空間，給結構設計帶來一定的困難，并導致酒店六層(結構七層)出現樓板大開洞，形成薄弱層。

(3) 酒店裙房頂層與塔樓中間為總高2.20 m的設備轉換夾層，此層柱截面為0.80 m×0.80 m以上，極易形成剪跨比小于2的短柱或剪跨比小于1.5超短柱，對結構抗震不利。且因層高較小，故此層剛度較大，導致裙房頂層及下一層成為結構薄弱層。

2.2 結構設計、結構計算及措施

本工程采用中國建筑科學研究院PKPM·CAD工程部研發的多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件SATWE進行整體結構計算及構件配筋。對上節所述結構特點及難點，分別采用不同設計措施進行處理。

2.2.1 斜交網狀梁設計

對結構五～六層形成的16.40 m×19.90 m的大跨度空間，采用斜交網狀梁結構形式(圖1)。這樣能使大矩形的四個角點處的較短次梁起一定的支撐作用，讓大跨跨中樓板上荷載產生的力通過次梁逐步傳到邊框主梁上，有效減小長梁跨中撓度及裂縫，且由中間樓蓋傳給周邊結構的力較為均勻，樓蓋整體剛度較好，在一定程度上減小了周邊主梁所受扭矩，更符合結構設計原則。邊框梁設計成0.60 m×0.80 m、0.70 m×0.90 m等寬扁梁,以便次梁鋼筋的錨固。中間次梁截面為0.3 m×0.75 m等高，次梁等截面設計的目的是即使不吊頂，也顯得較為美觀(圖2)。次梁的內力按周邊簡支的情況計算，但次梁的端部配置必要的構造鋼筋。面板配置雙層雙向通長鋼筋，且配筋率不小于0.25%，確保大跨度樓蓋的整體性。結果表明，跨度較大時采用斜放布置，周邊主梁和中間次梁的截面均有所減小，有效增加凈高，且網狀梁系布置較有建筑美感，結構虛實得當，顯得較輕盈，兼具結構的力量、理性之美和建筑的韻律之美，即使不吊頂，也有很好的視覺效應。

圖1 斜交網狀梁示意

圖2 斜交網狀梁實景

2.2.2 大跨后張有粘結預應力次梁設計

對宴會廳部分因抽柱在結構七層、八層形成的長×寬×高為40.0 m×32.60 m×10.40 m的大跨度空間，屋蓋考慮采用預應力混凝土結構。預應力結構抗裂性好、剛度大，大大推遲了裂縫的出現，增加了結構的耐久性。且節省材料，減小自重，對大跨度結構有著明顯的優越性。

先張法與后張法的比較與思考。先張法是在混凝土構件預制過程中對其預先施加應力，施工簡單，靠粘結力自錨，臨時錨具可以重復使用，質量穩定，適用于中小型構件工廠化生產。不足之處是需要較大的臺座或成批的鋼模、養護池等固定設備，一次性投資較大；預應力筋布置多數為直線型，曲線布置比較困難。相比之下，后張法的預應力效果更好，因為先張法在混凝土凝固后撤消預應力時，混凝土與鋼筋間還有一個受力的平衡過程，會損失一部分預應力，而后張法在錨固后預應力損失很小。如采用有粘結預應力應先澆混凝土，待混凝土達到設計強度75 %以上，再張拉鋼筋(鋼筋束)，其主要張拉程序為：埋管制孔→澆混凝土→抽管→養護穿筋張拉→錨固→灌漿(防止鋼筋生銹)，其傳力途徑是依靠錨具阻止鋼筋的彈性回彈，使截面混凝土獲得預壓應力，這種做法使鋼筋與混凝土結為整體。應注意的是有粘結預應力混凝土由于粘結力(阻力)的作用使得預應力鋼筋拉應力降低，導致混凝土壓應力降低，所以應設法減少這種粘結。這種方法設備簡單，不需要張拉臺座，生產靈活。

綜上所述，本工程屋蓋采用后張法有粘結預應力筋次梁的作法能有效控制裂縫及撓度。次梁間距根據受力需要為1.50 m、1.65 m、1.80 m不等，截面等高為0.3 m×1.70 m(YL1)、0.45 m×1.70 m(YL2)兩種，跨度為32.60 m，垂直于次梁方向每隔4.0 m設置一道截面為0.3 m×0.70 m的聯系梁(L1)，以加強樓蓋的橫向剛度。邊框梁截面為0.7 m×1.50 m，跨度為8.40 m、11.50 m兩種(圖5)。為避免次梁對主梁產生的扭矩太大，預應力次梁采用橡膠支座支撐在主梁上，次梁按簡支計算。預應力鋼筋采用高強低松弛鋼鉸線,抗拉強度標準值為1 860 N/mm2。錨具采用夾片式群錨。張拉控制應力σcom=0.75fptk，要求梁混凝土強度達到百分之百設計強度方可進行預應力張拉。按規范對大跨度預應力次梁進行承載力計算和撓度、裂縫寬度和應力等進行驗算，均滿足規范要求(圖3～圖7)。

圖3 有粘結預應力次梁布置

圖4 預應力梁下鉸結支座

2.2.3 薄弱層分析及設計措施

從前述可知，星級酒店功能復雜，因開洞和通高等導致結構抗側剛度在第四層、七層、八層相對較弱，形成對結構抗震非常不利的薄弱層。

2.2.3.1 結構第四層采取的措施

結構計算時將此層強制指定為薄弱層，地震剪力放大系數取1.15，按計算結果進行配筋設計，以提高此層的抗震能力。

2.2.3.2 結構第七層、八層處理措施

JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》(以下簡稱《高規》)5.1.14條要求，將第七層、八層地震剪力放大系數取1.15，同時，結合《高規》5.1.13條進行計算分析，現將分析結果及采取的相應結構措施分列如下：

圖5 YL1、YL2預應力筋束形

圖6 預應力次梁樓蓋實景

圖7 預應力次梁錨固端

(1)采用建筑結構通用分析與設計軟件廣廈GSSAP程序進行整體結構內力位移復核計算，結果表明與SATWE計算結果各項指標基本吻合，均滿足規范要求。抗震計算時，振型數取24，滿足《高規》5.1.13條第2小條相應要求。按設防烈度為6度，分小震彈性、中震彈性和中震不屈服三種采用SATWE程序進行計算，發現層間位移角和層平均位移基本保持了與地震作用的線性比例關系，說明地震作用下原結構能夠達到預定的設計目標。同時采用EPDA動力彈塑性時程分析法進行補充計算(選用天然波1、天然波2和人工波4計算)，根據補充計算結果，整體計算時將結構第21～26層地震作用系數按1.15放大。按照時程分析結果，從梁、柱、墻塑性鉸以及墻體開裂統計情況可以看出，本結構主要抗側力構件——電梯處核心筒在罕遇地震下的塑性發育還很有限，基本處于彈性階段，柱子出鉸數量較少且剛度退化普遍不是很嚴重(以剛度退化至0.1來控制，柱鉸數量為零)，僅有個別局部關鍵構件需要進行人為加強。罕遇地震下最大層間位移角為1/664，遠小于規范允許的結構薄弱層彈塑性層間位移限制1/100，因此罕遇地震作用下本結構主要抗側力構件的破壞程度不是很嚴重，尚可繼續耗散地震能量，可以滿足6度區罕遇地震作用下彈塑性變形的要求，能夠實現“大震不倒”抗震設防目標(表2、圖8、圖9)。

表2 最大層間位移角

(2)將結構第七層、八層、九層柱抗震等級定義為二級進行計算配筋，同時柱箍筋全高加密，增強地震時對混凝土的約束，以改善此三層柱的受力性能。第七層、八層大跨周邊框架柱按雙偏壓進行驗算配筋，按計算結果的較大值對柱進行配筋。第九層的框架梁設計為寬扁梁，梁高控制在0.5 m，保證此層短柱的剪跨比大于1.5，不致形成受力極為不利的超短柱。個別跨度較大的梁設計為跨中0.6 m高、端部0.5 m高的變截面梁(圖10)，以保證柱子的凈高不致太小。同時將此層柱全部加芯柱(滿足芯柱配筋要求，見圖11)，以加強短柱的變形能力，提高其抗震性能。

(a) X向地震作用下

(b) Y向地震作用下圖8 層間位移角示意

(a) X向地震作用下

(b) Y向地震作用下圖9 層平均位移示意

圖10 變截面梁大樣

圖11 第9層短柱加芯柱

(3)結構第一～八層(裙房)柱、墻按活荷載不折減進行計算配筋， 第九層(塔樓)以上按活荷載折減進行計算配筋，提高受力較大的裙房部分豎向構件安全儲備。結構第六層、八層板厚取為150 mm，配筋為雙層雙向拉通，且配筋率不小于0.3 %，以加強薄弱層的抗震能力。

3 施工要點

本工程結構較為復雜，有大跨斜放網狀梁、大跨后張法預應力梁、通高柱、芯柱、變截面梁等非常規結構構件，跨度大，工序多，施工難度較大，故施工時在模板支撐、鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養護等方面均應引起足夠重視，采取相應措施。

3.1 大跨斜放網狀梁施工要點

(1)提前做好施工支撐方案，一般采用滿堂支撐，梁底加設木頂柱等措施，模板的緊固件必須牢固。支模時應按設計要求進行起拱，且待混凝土強度達到100 %后才拆模。

(2)鋼筋綁扎時要注意短跨次梁底筋應在長跨次梁下面，梁頂筋也是一樣，與雙向板配筋相同，確保短跨梁作為長跨梁的有效支承。

(3)大跨混凝土不宜留設施工縫，宜一次性澆筑混凝土。對斜交梁與框架柱搭接時柱節點處鋼筋較多的情況，宜采用細石混凝土澆筑，控制好坍落度，采用小型振搗棒，確保混凝土密實。

(4)大跨斜交樓蓋屬較大體積混凝土，澆筑后應采取專人定時養護。混凝土表面二次搓壓加塑料布覆蓋，適時灑水，確保不因混凝土收縮產生裂縫。

3.2 大跨后張法預應力次梁施工要點

(1)采用后張有粘結預應力筋時，注意留設灌漿孔道和排氣孔，在距梁端2 m處各留孔道一個。留設方法為在每根波紋管上開洞，覆蓋海綿墊和塑料弧形壓板并與波紋管扎牢，再用增強塑料管插在弧形壓板的接口上，且伸出構件頂面不小于0.5 m。

(2)本工程預應力筋為曲線布筋，其矢高控制尤為重要。定位馬凳與波紋管交叉點應焊接牢固，避免澆筑混凝土時波紋管中心矢高偏移變位。每束預應力筋張拉端長度應基本相同，外露長度不小于0.4 m。

(3)此部分為大體積混凝土澆筑，澆筑前應對混凝土早、中、后期強度及坍落度、和易性等進行綜合比較，摻入早強 劑、粉煤灰等，有效降低中心混凝土溫度和提高可泵性。從梁跨中間向兩邊對稱澆筑，梁端0.5m范圍應特別注意振搗密實，振動棒盡量不要接觸預應力筋和波紋管。

(4)本工程有多根(24根)預應力次梁，應分批、對稱進行張拉，避免張拉時構件截面呈過大的偏心受壓狀態。分批張拉時，應考慮后批預應力筋張拉時產生的混凝土彈性壓縮會對先批張拉的預應力筋張拉應力產生影響，為此先批張拉的預應力筋的控制應力應適當增加。

4 綜合經濟效益

從該工程完工后的效果來看，酒店入口大堂抽柱后視野開闊，采用斜放網狀梁樓蓋有效控制結構高度，受力合理、經濟性好，且給裝飾設計留下較大的發揮空間，大堂整體效果大氣簡潔，空間感非常好。五層大宴會廳采用預應力次梁部分，抽柱后形成1 300 m2的無柱區域，兩層空間貫通，跨度接近33 m，結構梁下凈高達8.7 m，可容納1 000余人同時就餐，成為婚慶、宴會等的理想場所。投入使用后，結構設計及整體效果得到業主方及社會較高評價，取得較好社會經濟效益。

5 結束語

對建筑功能復雜、內部空間多變的高層星級酒店，結構采用大跨度、通高柱等形成大空間后常導致結構抗震超限。結合艾美酒店結構設計工程實例，提出在此類超限結構不同區域，針對性地采用斜交網狀梁樓蓋、大跨預應力樓蓋等能夠能有效提高凈空、控制裂縫及撓度，確保建筑空間效果。且通過抗震分析、對比，采取芯柱、變截面梁、全高加密柱箍筋、按雙偏壓驗算并適當增大柱計算配筋等抗震加強措施，能夠保證結構安全。并提及了此類結構的施工要點，可供類似結構設計和施工參考。

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[定稿日期]2017-08-14

余向前(1976～)，男，碩士，高級工程師，國家一級注冊結構師，主要從事房屋建筑結構設計、審查等方面工作。

TU31

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