某酒店高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)超限設計分析

郭科騁

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著城市化建設不斷發(fā)展，城市建設中的高層多功能建筑大量出現(xiàn)，由于建筑功能的復雜性，建筑底部可能需要無柱或少柱的大空間，如果大空間樓層位于3層以上，上部樓層部分豎向構(gòu)件不能直接連續(xù)貫通落地，需要設置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，此時為高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。本文以廈門某超限高層酒店為例，系統(tǒng)介紹高位巨型單跨轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設計分析要點。

1 項目概況

該工程位于福建省廈門市仙岳路與嘉禾路交叉地帶，酒店主樓長87.6m，寬18.3m，主體結(jié)構(gòu)地上18層，地下3層。建筑總高度85.6m，總建筑面積30 582m2。項目效果圖如圖1所示。

圖1 酒店效果圖

該工程地上主體為一棟獨立塔樓，五層為多功能廳，五層和六層之間為設備層，層高2.19m。酒店采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，屋蓋及樓蓋結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。結(jié)構(gòu)平面為“一”字長條型，結(jié)構(gòu)正立面兩端局部外傾。

為滿足建筑五層多功能廳的需要，該工程局部平面需抽取框架柱，并在六層增設結(jié)構(gòu)柱，因此結(jié)構(gòu)利用設備層設置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，形成了單跨高位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換柱采用鋼管混凝土柱，并對設備轉(zhuǎn)換層及設備層上一層均采取加強措施。設備轉(zhuǎn)換層平面如圖2所示，轉(zhuǎn)換層剖面如圖3所示。

圖2 設備層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 轉(zhuǎn)換層剖面示意圖

2 結(jié)構(gòu)超限情況分析

2.1 結(jié)構(gòu)超限情況

該工程抗震設防類別丙類，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度值0.15g。設計地震分組第3組，建筑場地類別II類，基本風壓w0=0.8kN/m2，建筑物地面粗糙度類別B類，承載力設計時按基本風壓的1.1倍采用。

該工程具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、豎向構(gòu)件不連續(xù)(高位轉(zhuǎn)換)和局部不規(guī)則(斜柱、穿層柱)，根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點(建質(zhì)〔2015〕67號)》[2]，屬于超限工程。

2.2 結(jié)構(gòu)超限整體分析

(1)多遇地震分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》[2])(JGJ3-2010)第5.1.12條、第4.3.5條規(guī)定[1]，該工程分別采用北京盈建科軟件有限責任公司開發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)設計軟件及設計軟件MIDAS GEN兩個不同力學模型軟件進行計算分析。從盈建科軟件的地震波庫中篩選出5條天然波，根據(jù)設防烈度、地震分組、場地特征周期等參數(shù)生成2條人工波進行多遇地震彈性時程分析，計算結(jié)果相近、分析結(jié)果可靠。通過地震譜與振型分解反應譜的比較可知，七組地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應譜所采用的地震影響系數(shù)曲線，在統(tǒng)計意義上相符。

(2)多遇地震、罕遇地震分析

該工程根據(jù)前面所述超限情況，根據(jù)《高規(guī)》3.11節(jié)規(guī)定[1]，選用D級性能目標，設定結(jié)構(gòu)各部位受力構(gòu)件的性能目標如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件的抗震性目標

說明：表中剪力v為重力荷載代表值和地震作用標準值組合的構(gòu)件剪力。

根據(jù)構(gòu)件性能目標，進行多遇地震、罕遇地震等效彈性分析，并根據(jù)分析結(jié)果對相應部位進行加強。根據(jù)《高規(guī)》第3.11.4條規(guī)定[1]，采用中國建筑研究院的PUSH(PKPM系列)對罕遇地震(大震)作用下結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性(PUSHOVER)分析，并根據(jù)分析結(jié)果對塑性鉸出現(xiàn)加多的電梯間及樓梯間剪力墻，提高其配筋率或設置型鋼，增加其延性。

3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件性能化驗算與設計

該工程設計在設備層設置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，由于框支柱采用鋼管混凝土柱，如以鋼筋混凝土梁進行轉(zhuǎn)換，則轉(zhuǎn)換梁內(nèi)大量的鋼筋難以錨入框支柱內(nèi)，且轉(zhuǎn)換梁的自重很大，對抗震不利。因此，設計采用箱型鋼梁和型鋼混凝土梁進行轉(zhuǎn)換。對設備轉(zhuǎn)換層及設備層上一層的樓板均采取加強措施。設備轉(zhuǎn)換層以上5層的框架梁柱內(nèi)均設置通長型鋼，形成桁架效應，作為結(jié)構(gòu)安全儲備，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

3.1 轉(zhuǎn)換層樓板應力分析(多遇地震)

酒店的轉(zhuǎn)換層位于五層和六層之間，轉(zhuǎn)換層樓板作為重要的傳力構(gòu)件，需滿足抗剪，平面內(nèi)抗彎承載力要求。該工程采用了通用有限元軟件對轉(zhuǎn)換層進行樓板應力分析，分析結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)換層樓板X向地震有效應力分布

圖5 轉(zhuǎn)換層樓板Y向地震有效應力分布

轉(zhuǎn)換層樓板應力，除樓梯間開洞處框架柱與樓板交接位置應力集中較大外，全樓層樓板應力不大于混凝土抗拉強度設計值1.57N/mm2。考慮到樓板的重要性，轉(zhuǎn)換層樓板厚度為200mm，采用雙層雙向配筋，應力較大的區(qū)域，根據(jù)樓板實際計算結(jié)果加強配筋。

3.2 單跨轉(zhuǎn)換梁應力分析及變形

由于轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換梁受力復雜，且重要性程度高，是保證整個結(jié)構(gòu)抗震性能的重要構(gòu)件。現(xiàn)以14軸處轉(zhuǎn)換梁為例進行分析。

采用通用有限元軟件進行建模和網(wǎng)格劃分，完成有限元計算及最終結(jié)果顯示。節(jié)點采用三維實體單元，其二次位移模式，可以更好地模擬模型。

模型采取模擬混凝土柱放置于轉(zhuǎn)換梁上，將轉(zhuǎn)換柱頂?shù)资┘觴yz方向約束，在混凝土柱上施加豎向荷載，將豎向荷載轉(zhuǎn)化為面荷載施加于模型上，模擬轉(zhuǎn)換梁工作時的應力情況。荷載大小如表2所示。

表2 荷載值

圖6 三維實體單元示意圖

圖7 轉(zhuǎn)換梁模型約束及荷載布置

圖8 轉(zhuǎn)換梁模型應力分布情況

圖9 轉(zhuǎn)換梁模型位移情況

本次模型分析結(jié)果如圖6～圖9所示。

由圖6～圖9可知，在轉(zhuǎn)換梁工作時，應力值在102～300MPa之間，局部應力峰值在410MPa左右，均不大于Q420鋼材料屈服強度，但是在開洞處、邊緣交接點位置均出現(xiàn)了一定程度的應力集中現(xiàn)象。根據(jù)應力集中理論，對于由塑性材料制成的構(gòu)件，由于局部峰值應力往往超過屈服極限，將會造成應力的塑性重分配，在塑性重分配的情況下，結(jié)構(gòu)實際的峰值應力往往低于按彈性力學計算得到的理論峰值應力。局部應力集中處設置加勁肋進行加強，并要求在制作過程采用避免尖角出現(xiàn)的工藝，采用圓弧過渡，并采取孔邊局部加強措施。轉(zhuǎn)換梁在工作時撓度最大值在22.6mm左右，滿足規(guī)范規(guī)定的不大于計算跨度的1/400，如圖9所示。

3.3 轉(zhuǎn)換構(gòu)件主要構(gòu)件設計要點

該工程轉(zhuǎn)換柱采用鋼管混凝土柱，鋼材料等級為Q420C,混凝土為無收縮自流型，強度等級為C60。

根據(jù)相關(guān)研究顯示,鋼管內(nèi)未設置構(gòu)造措施的矩形鋼管混凝土柱，鋼管與混凝土之間的共同工作性能較差，核心混凝土承擔軸向荷載的比例較小，故當鋼管橫截面滿足承載力要求時，為滿足規(guī)范對管壁局部屈曲限制的要求，應設置加勁肋。然而，密集的橫向加勁肋易造成混凝土澆筑困難，且該工程鋼柱截面較大，因此改為鋼管內(nèi)側(cè)設置縱向加勁肋[3]。同時，在高度上每隔3～4m及樓層處設置橫向加勁肋板。通過在管壁內(nèi)側(cè)設置T形縱向加勁肋，保證了管壁不發(fā)生局部屈曲，同時加強了鋼管與混凝土的聯(lián)系，提高柱的安全度。柱典型截面如圖10所示。

圖10 鋼管混凝土柱

轉(zhuǎn)換梁采用箱型鋼梁，鋼材料等級為Q420c,箱型梁的閉合薄壁截面抗扭剛度大，能有效地抵抗正負彎矩并滿足配筋需要，具有良好的動力特性和小的收縮變形。為了控制鋼箱梁的側(cè)向穩(wěn)定，于梁上翼緣兩側(cè)各加一道平行的混凝土梁，同時在下翼緣設置若干道垂直的型鋼砼梁，約束下翼緣的平面外變形，并于下層樓板內(nèi)設置拉接短筋與轉(zhuǎn)換梁機械錨固連接；于轉(zhuǎn)換梁洞口上下及兩側(cè)，根據(jù)有限元分析結(jié)果，設置補強板及加勁肋。做法如圖11～圖12所示。

圖11 轉(zhuǎn)換梁與樓板連接大樣圖

圖12 轉(zhuǎn)換梁開洞補強圖

4 結(jié)語

該工程的計算結(jié)果表明，在地震作用下的變形等各項指標符合相關(guān)規(guī)范的要求，重要受力構(gòu)件具有較好的安全儲備。根據(jù)分析的結(jié)果，采用合理的構(gòu)造加強措施，從而得到安全、合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)設計。