三亚海棠湾七星级酒店超高层结构设计.pdf

第 43 卷 第 10 期 2013 年 5 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 10 May 2013 三亚海棠湾七星级酒店超高层结构设计 贾勇， 蔡文杰， 彭肇才 中建国际深圳设计顾问有限公司，深圳 518000 ［摘要］三亚海棠湾七星级酒店为框架剪力墙结构， 高度为 144. 2m;结构最大悬挑 30m， 平面狭长， 存在扭转不规 则、 结构偏心率大于 0. 15、 楼板不连续、 尺寸突变等超限情况。根据本项目特点进行了时程分析、 罕遇地震下的 Pushover 分析， 采用 SAP2000 进行施工模拟分析， 并采用 ABAQUS 对结构的关键节点进行了有限元分析， 证明了结 构的合理性， 并提出了相应的抗震加强措施。 ［关键词］超高层结构; 大悬挑; 时程分析; 施工模拟分析; Pushover 中图分类号TU973． 1 6 文献标识码A文章编号1002- 848X201310- 0045- 05 Structure design on super high- rise building of Sanya Haitangwan seven- star hotel Jia Yong，Cai Wenjie，Peng Zhaocai China Construction Shenzhen Design International Co．，Ltd．，Shenzhen 518000， China AbstractSanya Haitangwan seven-star hotel is a frame-shear wall structure with the height of 144. 2m． The hotel has some out-of-codes properties， such as the largest cantilever of 30m，a long and narrow plane，the irregular torsion under earthquake，the structure eccentricity larger than 0. 15，discontinuous floors，and the size mutation．The time-history analysis，Pushover analysis under rare earthquake and construction simulation analysis of SAP2000 were taken to analyze the super high-rise building． Key joints were analyzed by ABAQUS software． The rationality of the structure was proved and corresponding seismic strengthening measures were put forward． Keywordssuper high-rise building; large cantilever; time-history analysis; construction simulation analysis; Pushover 作者简介贾勇， 硕士， 工程师， Email342657480 QQ． com。 1工程概况 本项目位于海南省三亚市海棠湾开发区， 东临 大海。本工程由高层塔楼及裙楼组成。塔楼为酒 店， 裙房为地下车库及娱乐设施。地上共 30 层， 总高 144. 2m 不含出屋面， 为形成坡地景观， 地 下室 3 层从原地面堆土而成， 嵌固端设在基础顶。 主楼标准层层高 3. 8m、 大堂层高 10m;主楼地下 4 层， 层 高 6. 0m， 总 高 24m; 裙 房 地 下 3 层， 层 高 6. 0m， 总高 18m。结构设计基准期为 50 年， 建筑 场地类别为Ⅲ类， 安全等级为二级， 抗震设防烈度 为 6 度， 场 地 的 特 征 周 期 为 0. 45s 安 评 值 为 0. 4s， 基本地震加速度为 0. 15g， 抗震设防类别为 丙类， 设计分组为一组。其效果图如图 1 所示， 目 前土建主体基本完工。 结构形式为框架剪力墙结构， 梁、 板混凝土强度 等级为 C30， 柱、 墙为 C55 ～ C30;墙厚下部 600， 500，中部 400， 顶部 300;主梁截面尺寸 800 700， 500 700， 次梁截面尺寸 250 600， 200 400;柱截 面尺寸部分为型钢混凝土柱1 200 800， 800 1 100， 800 1 000， 900 900。剖面图及结构三维模 型图见图 2。 2结构体系选型 由于本工程的特点为悬挑最大 30m， 平面狭 图 1建筑效果图 长， 地处海边， 风荷载较大， 且风荷载在常遇地震组 合下起控制作用， 因此如何合理解决大悬挑的结构 布置、 提高结构的抗侧刚度和抗扭刚度是结构设计 的关键。 2. 1 大悬挑结构选型 由于结构最大悬挑为 30m， 初选方案是悬挑剪 力墙结构， 其支点为两端的核心筒， 受力类似于搭接 柱方案， 典型的结构立面如图 3a所示， 结构的各 项指标都满足结构设计要求， 但是由于太影响建筑 的使用功能而被甲方否决。方案二为斜柱支撑结构 图 3b， 其传力比较顺畅， 对建筑功能的影响也 不大， 因此选择此方案。 建筑结构2013 年 图 2剖面图及三维平面图 图 3大悬挑结构方案 2. 2 大长宽比结构选型 本塔楼平面呈长条形， 长度方向最大尺寸约为 170m， 宽 度方 向最 大尺 寸约为 20m， 长 宽 比 约 为 8. 5， 大大超过高规 ［1］小于或等于 6 的要求， 属于平 面狭长的建筑。并且由于其平面呈圆弧形， 结构的 质量中心和抗侧刚度中心偏离较远， 导致结构的位 移比难以通过， 最后根据高规 ［1］第 3. 4. 5 条的解释， 由于结构的层间位移角小于规范限值的 40 ， 与审 查专家沟通后位移比控制在 1. 5 以下。 3结构的超限判断及抗震设防标准 本项目初步设计阶段为超 A 类建筑， 存在高度 超限、 扭转不规则位移比为 1. 47、 结构偏心距大 于 0. 15、 楼板不连续、 尺寸突变逐步收进悬挑超过 30m、 并有局部的穿层柱等超限情况， 根据性能化 抗震设计的概念进行设计。结构抗震性能目标整体 达到抗规 ［2］性能 C 的要求， 具体见表 2。 3. 1 计算软件的选择 弹性计算是结构设计的重要部分， 初步设计结 结构抗震性能目标表 2 地震烈度小震中震大震 抗震性能 水准 第 1 水准 完好、 无损坏 第 3 水 准 轻 度 损坏， 一 般 修 理 后可继续使用 第 4 水 准 中 度 损 坏， 修 复 或 加 固后可继续使用 构 件 性 能 剪力墙弹性状态不屈服 底部加强区轻度 损 坏， 部 分 进 入 塑性 框架柱弹性状态不屈服 抗弯部分进入塑 性 框架梁弹性状态 抗剪 不 屈 服， 抗 弯部分进入塑性 抗弯部分进入塑 性 连梁弹性状态 抗剪 不 屈 服， 抗 弯部分进入塑性 抗弯大量进入塑 性 悬挑部位弾性状态弹性状态不屈服 构布置的优与劣很大程度上决定了结构在中震及罕 遇地震下的弹塑性变形的性能;对于这种复杂的结 构， 规范要求采用至少两种不同力学模型的结构分 析软件进行整体分析。在设计中采用 ETABS 软件、 SATWE 软件和 MIDAS 软件。表 3 给出了 3 种软件 前 3 阶周期的计算结果。 从表 3 的比较结果可见， 各软件的计算结果较 为接近， 结构主要振型以平动为主， 扭转为主的第 1 自振周期与平动为主的第 1 自振周期之比均小于 0. 85， 满足规范的要求， 各软件的计算结果相近， 说 明结构模型和分析的准确性。3 种软件计算得到的 第 1 阶振型的形态基本一致图 4。 结构周期 /s 表 3 周期ETABSMIDASSATWE T1 2. 712. 682. 77 T22. 322. 422. 39 T3 2. 202. 152. 23 图 4不同软件分析得到的第 1 阶振型 3. 2 计算结果对比 SATWE 和 ETABS 两种软件计算结果对比见表 4。由表 4 可知， 两种不同的计算软件计算结果相 近， 且在风荷载及地震荷载控制下， 最大层间位移角 满足规范 1 /800 的限值要求。 64 第 43 卷 第 10 期贾勇， 等． 三亚海棠湾七星级酒店超高层结构设计 两种软件计算结果对比表 4 软件SATWEETABS 重力荷载代表值 /kN2 969 554. 53 040 992 方向XYXY 地震 作用 小震 风荷载 100 年 风荷载 100 年 地震 作用 小震 基底总剪力 /kN21 00423 46025 135 25 005 基底剪重比 /0. 670. 750. 83 0. 83 基底总倾覆力矩 / 103kNm 1 4731 3391 4381 291 基底总剪力 /kN26 20069 98823 842 64 552 基底总倾覆力矩 / 103kNm 2 2115 7811 5684 129 最大层间位移角1 /3 2841 / 8611 /3 1401 /881 所在楼层15211522 顶点最大位移 /mm3411831118 最大层间位移角1 /3 5311 /2 5211 /4 0631 /2 652 所在楼层31303021 顶点最大位移 /mm24. 2432. 04 4专项计算分析 4. 1 小震弹性时程分析 用于本工程塔楼分析的时程波曲线包括 2 条天 然波和 1 条人工波。按规范要求， 采用弹性时程分 析对结构进行补充计算。 地震波拟合的标准反应谱与规范反应谱的对比 如图 5 所示。从图中可以看出， 2 条天然波和 1 条 人工波相对规范反应谱都较小。且时程分析与反应 谱分析得到的楼层剪力、 层间位移角等也相符合， 表 明采用规范反应谱能很好地反映地震作用。 图 5地震波拟合的反应谱与规范反应谱对比 4. 2 悬挑部分及施工模拟分析 沿建筑外立面造型设置斜向型钢混凝土柱， 其 优点如下1避免了设置巨型的悬挑构件梁、 墙、 桁架等对建筑功能造成的影响， 能够较好地满足 建筑功能;2斜柱传力直接， 更易实现“强柱弱梁， 强剪弱弯， 更强节点” 的抗震设计原则;3斜柱式结 构的竖向构件的侧向刚度变化均匀， 可避免结构在 大震下形成薄弱层;4 结构造价相对较低;5 可以 将型钢混凝土梁柱中的型钢作为混凝土模板的支 架， 避免了高空支模， 减少了施工费用。 但其缺点是部分与斜柱相连的梁及楼板的应 力非常大， 尤其是悬挑部位的楼板， 在正常的施工荷 载和温度荷载共同作用下应力非常大， 需要改变施 工措施， 如在悬挑的位置设置长期通缝的后浇带来 释放应力， 最终的应力需通过施工模拟分析来确定。 4. 2. 1 悬挑部分的分析 图 6 为结构左、 右悬挑位置三维计算模型， 图 7 为悬挑结构斜柱传力路径简化分析图。 1 考虑楼板平面内抗拉刚度时， 在 1. 2 恒载 1. 4 活载作用下梁、 板的受力分析。 由图 8 可知， 板最大拉应力 σmax 5. 5MPa;最 大轴力 Tmax 1 454kN。梁、 板的轴力在左侧斜柱完 成位置H 55. 6m 标高最大， 梁的轴力在设计的 范围以内， 板的拉应力太大， 超过设计范围， 需要通 过施工措施减小。 2 不考虑楼板平面内抗拉刚度时， 在 1. 2 恒 载 1. 4 活载作用下梁、 板的受力分析。 考虑到楼层在中震或大震下， 板会出现裂缝， 板 的刚度会退化， 模拟施工状态下， 现以恒载 活载 地震的最不利的情况分析， 即假设板的刚度为零， 梁 的拉力最大达到 4 200kN图 9。可见在悬挑部位 后浇带为通缝的情况下， 梁的轴力是板参与受力的 3 倍左右， 需加设型钢抗拉。鉴于此处的轴拉力比 较大， 采取以下措施保证安全梁的型钢和柱的型钢 连接节点处， 梁的腹板和翼缘都与型钢柱熔透焊接， 并考虑 0. 85 左右的净截面面积折减， 应力比在常遇 地震下控制在 0. 7 左右、 设防烈度地震下控制在 0. 85 左右、 大震下控制在 1. 05 左右， 接近屈服。 4. 2. 2 施工模拟分析 施工过程的模拟假定1 地下室施工至标高 0. 000m 地面用时 90d;2地面以上各层设 4 ～ 6 条 后浇带;3 每层施工时间假定 10d， 每个月施工 3 层;后浇带在主体完工后 60d 封闭;4 整个施工过 程共计 480d。 温度效应的模拟假定1从 2012 年 3 月份开始 施工地下室， 按每月计算温差;2 施工阶段温差计 算方法为该层施工时， 经历整体温差为当月最低温 度 － 开始施工月平均温度;其他楼层施工时， 该层经 历整体温差为当月平均温度 － 上月平均温度。 边界条件的模拟1采用 SAP2000 建立三维分 析模型， 楼板用 Shell 单元模拟;2设置 1m 宽的后浇 带， 后浇带按照施工模拟假定在主体完工后进入模 型;3考虑到地面嵌固实际增大了首层竖向构件的约 束， 因此模型包含地下室， 取地下室底板为嵌固端。 由图 10， 11 分析可得1本楼层施工的当月， 该 74 建筑结构2013 年 图 6塔楼悬挑区 图 7斜柱传力路径示意图 图 8考虑楼板平面内抗拉刚度时 塔楼左侧悬挑区板应力及梁轴力 图 9不考虑楼板平面内抗拉刚度 时塔楼左侧悬挑区板应力及梁轴力 图 10标高 0. 0m 处楼板应力 /MPa 图 11标高 59. 4m 处悬挑位置楼板应力 /MPa 层楼板承受前 30d 的收缩应力和当月可能发生的降 温过程， 在此条件下， 各层楼板拉应力为 0 ～ 1MPa; 2随着时间推移， 主体施工完而后浇带尚未封闭 时， 各层楼板拉应力为 0. 5 ～ 1. 5MPa， 在竖向构件 墙、 柱边缘有应力集中现象， 楼板拉应力局部达 2. 0 ～ 2. 5MPa;3后浇带封闭， 对楼板应力分布影响 不大;4后浇带封闭后 60d， 楼板应力分布规律与之 前相似， 大部分区域楼板拉应力小于 1. 5MPa， 局部 应力集中处则接近 3MPa， 需局部配置加强的钢筋。 分析说明设置后浇带对释放板的应力是有效的。 4. 3 节点有限元分析 节点有限元网格划分及计算结果见图 12。由 于建筑造型的特殊要求， 主体结构的两端悬挑区域 采用了由型钢混凝土斜柱构成的框架结构体系， 主 体结构采用部分型钢混凝土框架-剪力墙结构体系， 斜柱在地面高度以上与主体结构汇交。斜柱与直柱 相交处是荷载传递方向转变的重要节点， 分析采用 了 ABAQUS 有限元软件。计算模型选用实际型钢 84 第 43 卷 第 10 期贾勇， 等． 三亚海棠湾七星级酒店超高层结构设计 图 12节点有限元网格划分及计算结果 图 13X 向塑性铰云图 图 14Y 向塑性铰云图 混凝土设计节点， 考察节点处荷载传递是否流畅、 应 力集中发生区域、 各种材料的应力和应变值是否满 足规范的强度和变形要求。 经分析， 型钢在基本组合情况下的最大拉应力 为 σmax 118. 3MPa ＜ 295 MPa， 混凝土结构最大压 应力为 σmax 22. 5MPa ＜ 25. 5MPa， 直立钢筋的最大 拉应力为 σmax 156. 2MPa ＜ 300 MPa， 能满足设计 要求。 4. 4 基于性能的弹塑性静力 Pushover 分析 静力弹塑性分析采用 MIDAS/Gen V7. 8. 0 软 件。Pushover 的 分 析 方 法 主 要 基 于 ATC- 40［3］和 FEMA 273 /274 /356［4- 6］。 在 MIDAS/Gen 中 使 用 ATC- 40 和 FEMA273 提 供 的 能 力 谱 法 Capacity Spectrum ， CSM来评价结构的抗震性能。 采用模态作为侧向荷载模式， 结构性能点取两 工况的最大值进行分析。在定义 Pushover 工况时， 除了考虑上述水平荷载外， 应首先定义初始荷载作 用作为 Pushover 第一工况， 初始荷载作用为 1. 0 恒 载 0. 5 活载， 各种水平力与其组合作为其他工况， 荷载均取标准值。计算时首先计算 Pushover 第一工 况 下 的 内 力 和 变 形，其 他 工 况 下 的 计 算 是 在 Pushover 第一工况下的内力和变形的基础上施加水 平荷载， 水平荷载不断增加， 结构侧移不断增大， 直 到结 构 进 入 破 坏。分 别 进 行 两 个 水 平 方 向 的 Pushover 分析初始荷载 模态Y 向和初始荷载 模态X 向， 图 13， 14 为 X， Y 向塑性铰发展情 况。基于性能的分析结果如表 5 所示。由表可知， 在大震作用下， X 向、 Y 向的最大层间位移角分别为 1 /35219 层和 1 /21217 层， 满足规范小于1 /100 的要求; 其 处 于 弹 性 状 态 的 构 件 的 比 例 分 别 为 83. 4 和 80. 6 ， 坍塌的比例为 0. 4 和 0. 7 ， 且 多为连梁和框架梁， 能够满足大震不倒的性能要求。 基于 FEMA 和中国规范的性能指标表 5 FEMA 构件比例 / 弹性状态IO 状态LS 状态CP 状态坍塌状态 X 向 83. 40. 30. 200. 4 Y 向 80. 60. 70. 30. 10. 7 中国 规范 最大层间 位移角 基底剪力 小震 /kN大震 /kN 大震 /小震 备注 X 向 1 /35220 96398 3204. 69满足 Y 向 1 /21223 27787 9903. 78要求 5抗震构造加强措施 5. 1 针对框架- 剪力墙结构及 B 级高度的加强措施 1加强底部加强区剪力墙配筋， 减小竖向构 件的轴压比， 大部分竖向构件的轴压比采用比规范 低 0. 1 的要求。 2全楼按中震不屈服控制配筋， 悬挑部分的 斜柱和拉梁按中震弹性控制配筋。 3根据静力弹塑性分析结果对薄弱部位进行 加强， 满足“大震不倒” 。 下转第 40 页 94 建筑结构2013 年 图 14算例二截面示意图 由于图 14 中柱为异形柱， 故在计算混凝土部分 的承载 力 时， 采 用了 文献［ 3］的公 式 2 和 公 式 4。表 2 列出了各截面采用本文方法得到的承载 力理论值与试验所得的试验承载力 ［4- 6］对比情况。 承载力对比表 2 构件本文方法 Mu1试验结果 Mu2 Mu1/Mu 2 梁 1 弯矩 /kNm483609 0. 793 梁 2 弯矩 /kNm271324 0. 836 柱轴力 /kN2 446 3 5000. 727 从对比结果看出， 本文方法较试验结果保守， 两 者比例与文献［ 7］ 中规范方法与试验结果对比结果 接近， 说明本文方法与规范方法得到的承载力理论 值比较符合， 在实际设计中具有相当可行性。 4结论与展望 1规程 给出的承载力计算公式只适用于工 字钢-混凝土组合截面在强轴平面内偏压的情况， 对 于其他受力状况均没有给出现成的设计公式。本文 方法利用内力等于截面承载力的思想， 基本适用于 任意的受力情况。 2本文方法适用于钢材为任意形状的钢-混凝 土组合截面， 若钢材的外包线或内部空洞轮廓线存 在弧线， 可近似将弧线划分成若干直线， 以线段为依 据进行单元离散， 进行截面设计。 3本文方法按照材料的本构关系进行推导， 经与规程 方法、 试验结果比较后， 得出本文方法 偏于保守， 具有可行性， 且计算简单。给出了配筋量 计算方程中的每个参数的解析式， 便于电算化程序 的编写。 参考文献 ［1］ 董建菲， 魏巍， 辛欣． 型钢混凝土结构的研究发展及应 用［J］． 陕西建筑， 20092 5- 7． ［2］ JGJ 1382001 型钢混凝土组合结构技术规程［S］． 北 京中国建筑工业出版社， 2001． ［3］ 管仲国， 黄承逵， 王丹， 等． 钢筋混凝土异形柱双向偏 心承载力高效算法与程序设计［J］． 工程力学， 2006， 234 134- 139． ［4］ 蔡健， 郑宇， 杨春， 等． 箱形型钢混凝土梁的试验研究 ［J］． 华南理工大学学报自然科学版， 2002， 307 52- 56． ［5］ 中野昭郎． 非对称型钢混凝土梁的试验［J］． 谢大璋， 译． 铁道建筑， 19952 27- 33． ［6］ 王宇航， 樊健生， 郭亚飞， 等． 异形型钢混凝土柱承载 能力的试验及分析［J］． 清华大学学报自然科学版， 2010， 506 810- 814． ［7］ 薛永林， 王新亭． 钢骨混凝土梁抗弯承载力计算的规 范比较［J］． 低温建筑技术， 2005145- 46． 上接第 49 页 5. 2 针对平面不规则的加强措施 1对于平面形状狭长的情况。按整楼弹性楼 板假定计算内力;分析楼板的温度应力与混凝土的 收缩徐变产生的应力;对薄弱部位进行加强。 2对于扭转位移比大于 1. 2、 扭转不规则的情 况。控制层间位移角小于规范限值的 40 ， 并且相 关的构件均为型钢混凝土构件， 增加结构构件的 延性。 3对于楼板局部不连续的情况。1 层夹层大 厅上空全开洞;1 层夹层弹性楼板假定和分块刚度 假定计算内力。 4对于建筑两端有大悬挑楼面、 斜柱负担端 部凸出部分的情况。16 层以上逐层收进;悬挑部分 的斜柱和拉梁及相邻剪力墙的框架均为型钢混凝 土， 增加关键构件的承载力和延性;控制型钢截面的 应力比;斜柱的控制性能目标为中震弹性。 参考文献 ［1］ JGJ 32010 高层建筑混凝土结构设计技术规程［S］． 北京中国建筑工业出版社， 2011． ［2］ GB 500112010 建筑抗震设计规范［S］． 北京中国建 筑工业出版社， 2010． ［3］ ATC- 40Seismicuationandretrofitofexisting concretebuildings ［S ］．RedwoodCityApplied Technology Council，1996． ［4］ FEMA 273NENHRPguidelinesfortheseismic rehabilitation of buildings ［S］．Washington， D． C． Federal Emergency Management Agency，1996． ［5］ FEMA 274 NENHRP commentary on the guidelines for the seismic rehabilitation of buildings［S］． Washington， D． C． Federal Emergency Management Agency，1996． ［6］ FEMA 356 Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings ［S］．Washington， D． C． Federal Emergency Management Agency， 2000． 04