论文指导

厦门市某酒店建筑的结构设计探析

  摘    要: 厦门某酒店平面尺寸为边长约53 m x53 m的L形平面,地上14层,高56.19m,附带一部分裙房,酒店主体采用框架-剪力墙结构体系,酒店裙房采用框架结构。该酒店存在扭转不规则、小面积夹层、竖向体型收进等不利因素,通过专家会议评审后,该酒店不属于超限结构。项目通过对薄弱位置加强,采取适当的构造措施等对策,保证了结构的安全可靠与经济性。
  
  关键词 :      25m跨度屋盖;钢结构夹层;屋顶构架;竖向体型收进;
  
  1 、工程概况
  
  项目位于厦门市思明区。主要包括办公主楼、酒店和商业裙楼三部分。上述三个部分结构在地下室连结为一体,半地下室地面以上通过结构缝将主体结构分为四个独立的结构单元,分别为:高层办公主楼、酒店、商业裙楼(高层部分)和商业裙楼(多层部分)。
  
  本工程结构设计使用年限为50年,建筑结构安全等级为二级。酒店为标准设防类。结构抗震设计设防烈度为7度,设计基本地震加速度值0.15g,所属的设计地震分组为第二组,建筑场地类别为Ⅱ类,基本风压取50年一遇为0.80k Pa。地基基础设计等级为甲级。酒店的抗震等级为框架二级,剪力墙二级。建筑整体效果图如图1所示。
  
  2 多功能厅25m跨度屋盖设计
  
  酒店多功能厅顶部为跨度25.2m的种植屋面,层高12m,建筑要求使用净空达10m。为了使结构尽可能优化,并满足建筑使用功能的要求,给出预应力混凝土梁、型钢梁、钢梁三种结构形式的方案进行比选[1]。
  
  多功能厅顶板板厚为150mm,种植屋面,恒载标准值14.9KN/m2,活载标准值取3.0KN/m2。在柱网与荷载一致的条件下,通过PKPM软件对三种方案进行计算,并进行施工图绘制,得到三种方案的单根梁的钢筋及混凝土用量,如表1所示。
  
  表1 三种方案单根梁钢筋用量与砼用量汇总
  
  从表1的数据可知,砼用量方面,钢梁方案砼用量最少,钢筋用量方面,预应力梁方案最少,型钢梁方案最多,故综合造价方面,型钢梁方案最高,预应力梁方案最低。从梁高方面看,钢梁高度最小,对建筑空间使用最有利。
  
  从三种方案的特点考虑,对比钢梁方案,预应力梁与型钢混凝土梁方案都有梁自重大,对于大跨度结构传力效率较低的缺点,且对周圈部位的梁扭矩较大,钢梁方案可与周圈梁铰接连接,对边梁的扭矩就可以减小。从施工角度看,预应力梁施工工艺较复杂,需要一定的专用设备,型钢梁因梁内有型钢兼梁受力钢筋,在梁柱节点处钢筋交接复杂,施工困难,钢梁施工因采用铰接节点,无钢筋交叉的问题,施工简便迅速,且预应力梁与型钢梁方案都需要屋面现浇高支模,施工不便,若采用钢梁方案,屋面楼板可采用钢筋桁架楼承板,无需搭设满堂脚手架支撑屋面模板,减少了施工工期,提高了安全性。综合考虑,结合项目特点,最终选择钢梁方案。
  
  此钢梁方案中钢梁皆为钢次梁,与周边混凝土梁或框架柱皆为铰接,统一采用锚板铰接节点[2],避免了与其相连的框架柱内设置型钢的问题,减少了成本,也便于施工。屋盖的楼板采用钢筋桁架楼承板,钢梁与楼板的栓钉皆设置为构造栓钉,钢梁截面保守设计,非按组合梁考虑设置。
  
  3、 设备夹层设计
  
  该酒店在4层以上为酒店客房,4层以下为酒店功能房间,在4层与5层之间设备需要增加设备夹层进行设备管线的转换,设备夹层层高仅2.19m,客房层高3.6m,故4层楼板面到5层楼板面高度为5.79m,5层以上皆为标准层,层高3.6m,3层到4层的层高为6m。
  
  根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[3](JGJ-2010)3.5.2、3.5.3条正文内容及其条文说明,我们知道合理设计的高层建筑下部楼层的侧向刚度宜大于上部楼层的侧向刚度,若上部楼层刚度过大,则变形会集中于刚度小的下部楼层进而形成结构软弱层,根据《高规》(JGJ-2010)3.5.7条,还应尽量避免结构在同一楼层同时出现软弱层与薄弱层。
  
  进行模型计算后结果分析,由于酒店设备夹层的层高突变,导致第4层与第5层的侧向刚度比仅为0.61,小于规范限值,且第4层与第5层的承载力之比仅为0.54,不满足规范的0.65的限值要求。也就是说,若将酒店设备夹层按正常标准楼层设计,将会导致第4层同时为结构薄弱层与结构软弱层,按规范要求,不宜采用,故需采取措施对设备夹层的结构方案进行调整,避免第4层同时出现结构薄弱层与软弱层。
  
  首先通过与建筑设计进行协商,由于建筑面积限值与房屋高度限值,设备夹层的高度无法进行增加,第四层的高度由于建筑功能房间需要,亦无法进行减小,故调整层高的方案无法成立。经过反复研究,考虑到夹层面积为整层面积,面积较大,故最终采用将设备夹层的楼板与结构主体竖向构件脱开的方案,使其仅作为附加荷载落于第4层楼面的方案[4],这样处理后,将没有2.19m的设备突变夹层,计算时就可以用4层到5层的合并高度5.79m进行计算。按新方案处理后,第4层的软弱层与薄弱层得到解决,第5层虽然层高比第6层高,但是通过对结构竖向构件的截面调整,亦可以解决第5层的薄弱层与软弱层问题。
  
  设备夹层原定为钢楼板夹层方案,考虑到夹层下方为设备走管空间,上方为酒店客房房间,为了保证楼板防水性及使用舒适性,故楼板由钢楼板调整为现浇混凝土楼板,楼板与主体竖向构件之间设置50mm的变形缝,采用柔性填充连接,结构梁依然为钢梁。由于大部分酒店柱跨为8.4m以上,柱跨较大,为了保障设备夹层的使用高度,梁高不宜太高,故在柱跨内增加1到2排柱,可减小梁高。酒店竖向构件预埋连接板,夹层钢梁与连接板铰接处理,采用高强螺栓连接,连接螺栓孔采用长圆孔,这样就可以保证使钢梁仅传递竖向荷载给酒店竖向构件,避免夹层对酒店竖向构件产生约束,竖向构件计算就可以不用考虑夹层钢梁的影响,工程实际情况就能与计算假定对应上。
  
  4 、屋顶女儿墙位移角控制
  
  该酒店屋顶构架层外围设置玻璃幕墙女儿墙,由于规划原因,屋顶构架层仅外圈位置的结构竖向构件能设置,内部竖向构件无法从屋面延伸至构架层,故构架层仅酒店外圈一圈能设置框架梁拉结,故对外圈大部分框架柱,无法设置双向框架梁拉结,由此导致屋顶构架层的位移角显着增加,根据《高规》(JGJ3-2010)3.7.3条,框架-剪力墙结构的位移角控制限值为1/800,因厦门风压较大,达到0.80k Pa,地震力也较大,为7度(0.15g)地区,且酒店屋顶东侧存在一层退台,最高女儿墙高度达到6.7m,按原设计仅外圈设置框架女儿墙方案,地震工况与风荷载工况下最大位移角皆大于1/500,皆难以满足《高规》的位移角要求,因此如何控制女儿墙的位移角满足规范要求成为项目难点。
  
  众所周知,应变=应力/刚度,故控制位移角,可以从两个角度分析,一种是减小结构受力,还有一种是增大结构刚度,从而考虑以下方案。方案一,减小结构受力,故可以考虑玻璃幕墙采取镂空的建筑设计,主要为减小屋顶玻璃幕墙的风荷载,但无法解决地震工况下的位移限值问题,故此方案被否决。方案二,增加屋顶外圈构架的结构刚度,仅增大外圈框架柱截面,依然无法满足位移角的限值,故考虑在框架柱平面外增加斜撑,从而提高外圈框架结构的刚度,效果明显,但空中俯视角度看,屋顶构架美观度不足,被建筑否决。方案三,依然从增加屋顶外圈构架的结构刚度的角度考虑,在框架柱平面外增加一道300mmx1500mm的钢筋混凝土扶壁墙,且在片墙顶部增加一道框架梁,从而形成小框架体系,如图2所示,此方案大大增大了外圈结构的刚度,从而很好的控制了屋顶构架层的位移角,比加斜撑方案美观,建筑也同意此方案,从而最终采用此方案。
  
  图2 屋顶构架方案局部布置图
  
  5 、竖向体型收进
  
  该项目因酒店带裙房多功能厅,在多功能厅顶部收进,4层以下为53mx53m的矩形平面,4层以上为53 m x53 m的L形平面,第4层的标高大于总标高的0.2,故4层位置标高17.900m处存在竖向体型收进,竖向体型收进造成了结构在竖向位置尺寸与刚度突变,会导致突变附近楼层变形和应力集中,对抗震不利。
  
  在方案布置阶段,应尽量避免出现体型收进的情况,可设缝将酒店多功能厅与酒店主体脱开,但本项目酒店若将酒店多功能厅与酒店主体脱开,多功能厅与多层裙房连在一起,将存在需设置斜撑的大悬挑,单排柱纯悬挑等问题,故最终采用酒店带裙房多功能厅的方案,依据《高规》与朱炳寅的《高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析》[5],采取相应结构措施处理竖向体型收进的问题。
  
  根据《高规》10.6.2条的要求,该酒店第4层楼板板厚取150mm,楼板配筋为双层双向10@200通长布置再加附加筋的形式,酒店第3层和第5层板厚取120mm,楼板配筋为双层双向8@200通长布置再加附加筋的形式,这样就满足了规定,确保了突变部位及上、下层楼板的变形协调作用。
  
  根据《高规》10.6.5条1款,从收进层以下所有楼层中取最大的层间位移角,与第5层进行比较,通过调整竖向构件截面,提高上部结构刚度,从而满足了位移角的相关规范要求。
  
  根据《高规》10.6.5条2款,将2~6层之间的酒店L形周圈竖向构件的抗震等级从二级提高为一级。根据《高规》10.6.5条3款,因改酒店为偏心收进,故将2~4层之间的结构周边竖向构件的抗震构造措施提高一级,按一级考虑。
  
  6、 结论
  
  该项目酒店是一个体型较复杂的高层建筑。对于25m跨度的多功能厅屋盖的难点,采用单向钢梁的结构布置方案,合理的实现了建筑的大空间无柱多功能厅的要求。对于设备转换夹层,通过设置钢结构夹层脱开主体竖向构件的方案,避免了整体模型薄弱层和软弱层的不规则情况。对于屋顶构架位移角控制的难点,通过设置钢筋混凝土片墙,提高了构架的刚度和稳定性,按规范要求控制住了构架的变形。对于竖向体型收进的情况,通过《高规》相应的条文要求,对薄弱部位制定了合理的加强措施,满足了规范的相应要求。项目通过PKPM的软件计算,针对项目的各个难点,采取适当的结构处理措施,实现了建筑功能,并有效的保证了结构的可靠安全。
  
  参考文献
  
  [1]陈福熙某30米大跨度楼盖结构方案比较[J]中华建设,2012,8:252-253.
  
  [2]混凝土结构设计设计规范GB50010-2010[S].北京中国建筑工业出版社,2011.
  
  [3]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010[S].北京 中国建筑工业出版社,2011
  
  [4]李银文楼层中部设备夹层的结构优化设计[J]规划与设计.2017,27:96-96.
  
  [5]朱炳寅高层建筑混凝士结构技术规程应用与分析JGJ3-2010[M].2013年版北京中国建筑工业出版社,2013.
在线客服