三亚国际免税城酒店项目复杂混合超限结构设计要点

赵博尧, 徐福江, 盛 平, 张沫洵, 冯 岩, 卢 帅, 汤林墨, 侯舒乐

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概况

三亚国际免税城一期二号地酒店项目位于海南省三亚市海棠湾A8片区A8-04地块,整体用地面积为10.9万m2。项目东侧临海,西侧为一期商业项目和已建成的中免海棠湾免税店,北侧为洲际酒店,南侧为威斯汀酒店。项目地下2层,地上32层,建筑高度约为160m。1～2层为裙房,主要功能为酒店大堂、餐厅、宴会厅等;3～10层为英迪格酒店,10层以上为丽晶酒店。地下2层主要功能为车库及设备用房。建筑效果图及建筑剖面图见图1、2。

图1 结构模型图

图2 建筑剖面图

结构抗震设防类别为标准设防类,设计使用年限为50年,建筑结构安全等级为二级,地基基础设计等级为甲类。抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类。50年一遇基本风压为0.85kN/m2,由于本工程体型比较特殊,为确保结构安全,进行了风洞模型试验,以获得更为准确的风荷载。

2 结构选型与桁架布置

2.1 结构选型

工程平面呈圆弧形,平面边缘最大尺寸约为200m×50m。主楼共5个核心筒,每个核心筒尺寸约为10m×20m,核心筒之间跨度约为28m。两侧设有悬挑,最大悬挑尺寸为28m左右。低区英迪格酒店两个核心筒之间设6个开间,柱跨约4.5m,如图3所示;高区丽晶酒店核心筒之间设4个开间,柱跨约7m,如图4所示。

图3 3～10层英迪格酒店典型结构平面图

图4 10层以上丽晶酒店典型结构平面图

主体结构仅有5个核心筒落地,核心筒间由多个体块构成,各体块之间上下断开,交错布置,上下体块之间为室外平台空间。同时,两端的核心筒两侧还存在较大的悬挑。结合平面功能和立面布置,在各体块顶部或底部的设备层设置转换桁架和悬挑桁架。图3、4中轴桁架称为面海侧桁架,轴桁架称为背海侧桁架,图5、6分别为面海侧桁架和背海侧桁架立面示意图,图7为悬挑桁架及转换桁架平面布置示意图。

图5 面海侧桁架立面图

图6 背海侧桁架立面图

图7 悬挑桁架及转换桁架平面布置示意图

英迪格酒店客房柱均为吊柱或托柱,竖向荷载通过转换桁架和悬挑桁架传递至5个核心筒上。英迪格酒店客房X向框架梁与核心筒连接采用铰接,X向框架梁与吊柱或托柱采用刚接。客房隔墙上的两根钢柱之间的Y向钢梁为两端刚接,使得客房在Y向形成框架,具有一定的抗侧刚度。结构整体抗侧构件主要包括5个核心筒和核心筒之间的转换桁架。在Y向水平荷载作用时,主要通过5个核心筒抗侧;在X向水平荷载作用时,5个核心筒和转换桁架共同抗侧,核心筒起到了主要抗侧作用。

核心筒结构作为本工程的主要抗侧力构件,对于工程的安全可靠性、施工工艺难易程度及经济性指标都起到至关重要的作用。抗侧问题是本项目的重点及难点问题之一,在早期的方案选型中,对5个核心筒的结构选型进行了细致研究及多方案对比试算,主要有以下3种方案:1)核心筒由钢管混凝土柱和中心支撑组成;2)核心筒由双钢板-混凝土组合剪力墙组成;3)核心筒由钢筋混凝土剪力墙组成。结构方案对比分析主要计算结果见表1。

计算结果表明,三种结构体系层间位移角均能满足规范要求。钢管混凝土柱+中心支撑核心筒结构体系成熟,施工简单,但支撑布置需与专业洞口协调,抗侧刚度及经济性相比其他两种方案均较差。双钢板-混凝土组合剪力墙核心筒结构混凝土及钢板共同参与抗侧,具有良好的承载能力及延性耗能能力[4-5],抗侧效率相比其他两种方案高,墙体厚度相对钢筋混凝土核心筒薄,但施工难度较大,工程案例较少[6],组合墙体的钢板厚度较薄且焊接工作量较大,现场焊接时需采取措施保证焊接质量,当地缺乏相关施工经验,较难保证施工质量。钢筋混凝土剪力墙核心筒抗侧刚度好,经济性在三种方案中最优,并且由于本工程抗侧主要由风荷载控制,地震作用较小,钢筋混凝土核心筒刚度更大,对结构的侧向变形、抗倾覆、风振舒适度等更为有利。综合考虑,本项目最终采用钢筋混凝土筒体+转换桁架的混合结构形式。

2.2 桁架布置

数量众多及形式各异的转换桁架和悬挑桁架结构设计是本项目的又一重难点问题。

图8、9分别为典型下挂转换桁架和典型上托转换桁架示意图。标准层客房柱采用箱形截面□330×330×14×14等,X向客房楼面梁截面为H 300×200×6×12,Y向客房楼面梁截面为HN650×300、HN500×200等。为避让房间管井,转换桁架和悬挑桁架的弦杆和腹杆均为400mm宽。弦杆和腹杆承载力需求较小的位置采用H形截面,承载力需求较大的位置采用了箱形截面,截面高度500～800mm,壁厚为20～80mm。

图8 典型下挂转换桁架

图9 典型上托转换桁架

下部英迪格酒店的两侧悬挑跨度较小,均采用10层悬挑桁架下挂的方式。在悬挑最外侧,设置了封边桁架,以加强悬挑区域的整体性,如图10所示。丽晶客房23～26层的悬挑较为特殊,上下均无桁架。利用背海侧客房隔墙入户门的位置设置了人字形桁架,作为主受力桁架。面海侧无法设置斜撑,采用了空腹桁架形式。在客房分户墙位置设置了斜向支撑,协调人字形桁架和空腹桁架的变形。同时,在体块顶部、底部楼面设置水平支撑,在悬挑端部设置封边桁架,加强悬挑体块的整体性,如图11所示。

图10 英迪格酒店悬挑桁架

图11 丽晶客房23～26层悬挑桁架

11层为丽晶酒店和英迪格酒店的泳池层,从主体向外悬挑了12m左右。由于悬挑尺度较大,且荷载较大,采用了整层外挑桁架的结构形式,悬挑泳池桁架向内延伸一跨,如图12所示。

图12 泳池层悬挑桁架

3 结构超限情况及对应措施

3.1 结构超限情况

工程采用钢筋混凝土筒体+转换桁架的混合结构形式,现行规范暂没有相关结构体系,其属于特殊类型高层建筑。主楼两侧部分楼层外挑9～28m,属于大悬挑结构或竖向构件不连续。结构在考虑偶然偏心情况下,扭转位移比最大值为1.34,大于1.2,属于扭转不规则。楼层最大偏心率为25.97%,大于相应边长的15%,属于偏心布置。在客房层,平面结构相对筒体凹进35%,平面凹凸尺寸大于相应边长的30%,属于凹凸不规则。海棠之窗楼层(17～21层)存在楼板不连续情况。避难层、机电层整层均为转换桁架和悬挑桁架,存在刚度突变、受剪承载力突变、构件间断情况。

综上,本项目建筑高度为160m,参照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[3](简称高规),属B级高度结构。并且同时存在扭转不规则、偏心布置、凹凸不规则、楼板不连续、刚度突变、承载力突变、竖向构件不连续等多项不规则,属于特殊类型的超限高层建筑。

3.2 超限措施

针对本工程的超限情况,提出以下措施:1)采用PKPM-SATWE、MIDAS Gen等多软件进行空间模型整体计算校核,确保结构分析的可靠性。分析时采用考虑楼板实际平面内刚度的模型,并考虑扭转和偶然偏心的作用,控制周期比和扭转位移比。2)采用时程分析法进行多遇水平地震计算,计算结果与采用振型分解反应谱法的结果进行包络设计。3)考虑到楼板长宽比较大以及中部开大洞的情况,承载力分析时楼板按弹性楼板考虑。将转换桁架、悬挑桁架上下弦楼板厚度加大到150mm,并按照中震楼板应力分析的结果进行配筋,配筋双层双向拉通,配筋率不小于0.25%。4)将转换桁架和悬挑桁架的抗震等级提高为三级,同时,转换桁架和悬挑桁架分析时考虑竖向地震作用。承载力设计时,忽略楼板的作用。5)将薄弱层、软弱层的由小震工况引起的地震内力放大1.25倍。6)在筒体底部加强区、连接桁架楼层及上下层设置钢骨,方便桁架与筒体的连接,同时加强筒体的抗震性能。7)控制中震时双向水平地震下墙肢全截面的平均名义拉应力不超过2倍混凝土抗拉强度标准值,当拉应力σ>1.0ftk时,剪力墙暗柱中设置型钢,剪力墙拉力由型钢承担。8)对底部加强区剪力墙、转换桁架、悬挑桁架、客房隔墙支撑等关键构件以及客房吊柱、托柱等按照中震弹性、大震不屈服的性能目标进行设计。9)对转换桁架、悬挑桁架进行抗连续倒塌分析,提高和验证结构的抗连续倒塌能力。10)采用弹塑性分析验算结构在罕遇地震作用下的性能,验证结构设计可以满足设定的结构性能目标。

4 转换桁架、悬挑设计要点

本项目采用了大量的不同形式的大跨度转换桁架及悬挑桁架,这种情况在工程实践中较少遇见。设计中不仅需对转换桁架、悬挑桁架的传力途径、承载能力、抗震性能、抗风性能进行分析,确保结构承载安全;同时还应对转换桁架和悬挑桁架进行典型桁架受力分析[7]、楼板应力分析、抗连续倒塌分析、施工顺序分析[8]、楼盖舒适度分析、关键节点分析、悬挑体块在侧向极值风压工况下的承载能力分析、悬挑体块侧向位移及舒适度分析,才能保证结构在正常使用阶段的整体安全、适用和施工方案的可行性。

4.1 悬挑桁架整体分析

12～15层悬挑桁架结构布置如图13、14所示,悬挑跨度为4跨总长28m左右,利用避难层设置悬挑桁架,为加强悬挑体块整体刚度,13～15层采用同丽晶客房悬挑体块相同的结构布置形式,即背海侧设置人字形桁架,面海侧设置空腹桁架,为了协调两榀桁架的变形,利用客房隔墙位置布置了人字形支撑,整个悬挑体块形成悬挑桁架上托人字形桁架+空腹桁架的混合悬挑桁架,此桁架刚度更强,受力更合理,经济性更优。计算分析时,悬挑端施工顺序采用一次性加载,考虑悬挑体块整体作用。

图13 背海侧悬挑桁架示意

图14 面海侧悬挑桁架示意

计算结果表明:背海侧悬挑桁架上弦杆受拉、下弦杆受压,桁架腹杆呈现依次受拉、受压,轴力自筒体向悬挑端逐渐有规律减小,无明显受力突变,桁架整体受力形态符合力学规律,桁架整体性较好。在考虑楼板的情况下,恒载+活载标准组合工况下背海侧悬挑桁架端部最大位移组合值为82.75mm(挠跨比为1/676),满足《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[9](简称钢规)要求。面海侧悬挑桁架下部2层形成的整层实腹桁架为主要重力传力体系,桁架各杆件的受力规律与背海侧相同,且13～15层形成了一定空腹桁架效果,与下部桁架共同协调竖向变形。在考虑楼板的情况下,恒载+活载标准组合工况下面海侧悬挑桁架端部最大位移组合值为99.44mm(挠跨比为1/535),满足钢规要求。背海侧、面海侧两榀桁架变形差仅16.69mm,满足L/400要求(L为两桁架间距离)。当不考虑楼板作用时,在恒载、活载、风荷载及小震(考虑竖向地震)工况的共同作用下,此悬挑体块关键钢构件应力比均不大于0.85,满足《海南省超限高层建筑结构抗震设计要点(2021年版)》[10]要求,并且具有一定的安全冗余度。由于此悬挑桁架悬挑尺度较大,Y向迎风面情况较为复杂,应考虑悬挑体块平面外风振舒适度,经计算此悬挑体块最大加速度为0.23m/s2,小于高规[3]限值0.25m/s2。

4.2 悬挑桁架关键节点有限元分析

本工程转换桁架、悬挑桁架节点受力大、构件尺寸大、板件较厚、与钢筋混凝土墙内钢骨柱连接关系复杂。对关键节点采用ABAQUS软件进行有限元分析,建立复杂节点仿真模型,分析构件及节点板件在复杂受力情况下的应力状态,验证节点传力的可靠性。选取12～15层面海侧悬挑桁架下弦杆及端部斜腹杆与钢筋混凝土墙内钢骨柱连接节点,如图15所示。混凝土墙体采用实体单元C3D8R模拟,型钢柱、梁采用壳单元S4R模拟。由于结构主要由风荷载控制,地震作用较小,控制工况为1.3DL+1.5LL±0.9W,施加该工况下的轴力、剪力和弯矩。加载共分两步:第一步为重力荷载的施加,第二步为结构荷载施加。图16为节点有限元分析结果,除局部区域由于应力集中进入屈服状态外,节点区域总体处于弹性范围。

图15 悬挑桁架下弦端部典型节点

图16 墙肢竖向正应力/Pa

图17 钢结构von Mises综合应力/Pa

5 弹塑性分析

采用Paco-SAP软件对结构整体进行了动力弹塑性分析。弹塑性时程分析采用2条天然波和1条人工波,峰值加速度调整为125gal。弹塑性时程分析中,分别沿X向、Y向作为主输入方向输入上述地震动,主次方向地震动峰值按1∶0.85设置,竖向地震动峰值按0.65比例设置,阻尼比取5%。根据弹塑性时程的计算结果,对结构在罕遇地震作用下的抗震性能主要评价如下:

(1)3组罕遇地震波、三向作用下的弹塑性时程分析结果表明,X向最大位移值为303mm,最大层间位移角为1/240;Y向最大位移值为325mm,最大层间位移角为1/298。所有工况下塔楼层间位移角均未超过限值1/120,满足“大震不倒”的设防目标。

(2)在罕遇地震各工况下,转换桁架、悬挑桁架及客房吊柱、托柱钢材应力比均小于1.00,性能水平均为无损坏,满足大震不屈服的目标;剪力墙底部加强区性能水平均为无损坏,满足大震不屈服的性能目标。

(3)绝大部分上部剪力墙处于无损坏状态;绝大部分框架梁无损坏,仅少部分框架梁屈服,均满足性能水平要求。除个别楼板出现损坏外,整体结构大部分楼板均未出现损坏

计算结果表明,结构在罕遇地震作用下的弹塑性反应和破坏机制符合结构抗震工程的概念设计要求,抗震性能可达到预定的抗震性能目标。

6 结语

三亚国际免税城酒店项目为复杂混合结构,属于超限高层建筑。本项目仅有5个核心筒落地,抗侧问题是本项目的重点及难点问题之一,通过多方案对比,最终采用钢筋混凝土筒体+转换桁架混合结构形式。筒体间各体块交错布置、相互断开;同时,两端筒体外侧还存在较大跨度的悬挑。结构设计与建筑设计紧密结合,利用避难层设置不同形式的转换桁架及悬挑桁架,解决了本项目的又一重点难点问题。大量的计算分析工作为高难度转换结构和悬挑结构的设计提供支持,确保结构的安全可靠。