某超高层酒店结构设计难点探讨分析

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某超高层酒店结构设计难点探讨分析

吴映栋* 詹乐斌 姚开明 林 鸳

(浙江绿城建筑设计有限公司,杭州 310007)

摘 要：酒店设计,往往因为功能复杂、造型新颖,给结构设计带来很大的挑战。结合杭州某带复杂裙房的超高层酒店结构,着重对设计中遇到的难点问题展开研究分析,总结了设计过程中的结构选型与布置、计算与分析、结构不规则情况以及相应的抗震加强措施,以供类似工程参考。

关键词：复杂裙房, 超高层酒店, 预应力结构, 抗震加强措施

1 工程概况

成功的酒店设计,不仅是满足其使用功能的需要,更重要的是需具备其不同的地域性和文化性,由此带来的新颖造型,给结构设计带来了很大的挑战。本工程位于杭州市余杭区塘栖镇,在塘栖路和绿荫街交叉口以南地块内,是以酒店为主,集办公、会议、餐饮、娱乐等功能为一体的单体建筑。其中,地上包括1座32层135.10 m的超高层主楼和4层配套裙房,由于裙房不规则程度较大,在超高层主楼和裙房的上部结构之间设置了抗震缝。主楼主要功能为办公及酒店客房,裙房为酒店配套设施,地下部分包括酒店后勤管理用房、设备用房、自行车库、汽车库。

由于地处江南水乡塘栖,该酒店建筑方案设计上特别注重传统水乡建筑空间的意向变化,力图用现代手法表现水乡建筑空间的精髓,创造一个既有水乡特色又具备现代化功能的商务精品酒店。如图1所示,酒店主楼采用方形平面,并与住宅一起组成一组建筑群,丰富了城市天际线,135.10 m高的酒店主楼与周边地块的住宅形成鲜明对比,使酒店成为塘栖镇的焦点和标志性建筑;酒店30层、31层为行政会所,为追求开阔的视野,充分享受南面的超山及湿地景观资源,建筑采用了超高大跨悬挑手法,结构相应采取了型钢梁高位转换及预应力混凝土梁。酒店裙房尽量在基地平面展开,以获得与周围街道、塘栖水乡相适应的空间尺度,并通过植入多个内院,来营造江南水乡特色的建筑氛围,其中游泳池、宴会厅等大空间顶部采用了预应力混凝土结构及钢骨混凝土桁架结构。

2 基础设计

根据地勘报告[1],本项目所在场地为中软场地土,建筑场地类别为Ⅲ类,设计特征周期为0.45 s,场地抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05 g,划属为对建筑抗震一般地段。场地地下水和土对混凝土结构具微腐蚀性,对钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水条件下及干湿交替条件下均具有微腐蚀性,对钢结构具微腐蚀性。从地勘报告得知,场地在勘察深度(82.00 m)范围内,按其成因、物理力学性质等可将地基土分成8个工程地质层、17个工程地质亚层,各土层的物理力学参数如表1所示。

表1 场地各土层的物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of soil strata

层次土层名称含水率ω/%重度γ/(kN·m-3)塑性指数液性指数压缩模量/MPa钻孔桩侧阻力特征值/kPa钻孔桩端阻力特征值/kPa1杂填土2粉质黏土31.218.514.60.744.5134-1黏质粉土31.518.49.21.138.0144-2砂质粉土27.718.99.21.158.5194-3黏质粉土29.718.611.01.166.0124-4粉砂夹黏土26.719.011.21.057.0154-5细砂24.319.410.0255-1粉质黏土28.818.513.30.734.5145-2粉质黏土23.219.312.40.346.8286含砾细砂17.220.312.0307粉质黏土24.619.212.90.457.0218-1中砂19.919.412.03013008-2粉质黏土23.019.710.90.466.0268-3含粉土砾砂21.419.79.22918009-1全风化凝灰岩10.0349-2强风化凝灰岩25.0409-3中风化凝灰岩553500

图1 酒店鸟瞰图
Fig.1 Aerial view of hotel

本工程地基基础设计等级为甲级,综合考虑场地环境因素及上部结构荷载情况,均采用了钻孔灌注桩。其中,酒店主楼采用桩基筏板基础,筏板厚度为2.8 m,φ900钻孔灌注桩桩端持力层为9-3层中风化凝灰岩,桩长65 m左右,单桩抗压承载力特征值约为6 500 kN,根据试桩结果,单桩在有效桩长土层范围内极限承载力标准值在14 000 kN以上;裙楼均采用桩基承台防水板基础,底板厚度500 mm,φ700、φ800钻孔灌注桩桩端持力层为8-1层中砂层,桩长45 m左右,单桩抗压承载力特征值为2 100～2 500 kN,单桩抗拔承载力特征值为800～1 300 kN。裙房部分抗浮设计时,按照抗浮水位及长期稳定水位下的不同工况组合分别计算,采用最不利效应进行了桩型选择及布桩设计;同时,由于地下室层高较大,在整体建筑物抗压设计过程中考虑了长期稳定最低水位对基础设计的有利影响,以适当减少抗压布桩数量,提高基础设计的经济指标。

为了有效解决超高层主楼与裙房的竖向构件变形差及沉降问题,采取了如下措施:①酒店主楼下面的桩底均进行了压力注浆处理,以便有效控制桩底沉渣清理不干净带来的承载力和变形影响;②主楼外扩一跨位置,均设置了变形控制后浇带[2]。从主体结顶后的结构验收资料中反映,酒店主楼的最大沉降量累积实测值为15 mm,裙房的最大沉降量累积实测值为9 mm,均在规范允许范围内。主体验收之后,沉降后浇带才进行了封闭施工,目前现场观测情况良好。

如前所述,酒店主楼筏板基础厚度为2.8 m,为此必须充分考虑水化热及随之引起的体积变形问题,以最大限度减少开裂。底板设计时,考虑了在筏板厚度中部位置增设φ14@300×300的钢筋网片。同时,在施工时采取了以下有效措施[3]:

(1) 混凝土配合比经过试配确定,选用了中低水化热低碱水泥,掺入了适量的粉煤灰和缓凝型外加剂,并精确控制水泥用量。

(2) 通过合理安排时间,本工程主楼底板混凝土浇注选在了4月份的晚上,并连夜完成,避免了高温施工大体积混凝土。

(3) 考虑到大面积、深厚度等因素,施工时采取推移式分层连续浇注法,通过与混凝土泵送单位协商保证了混凝土供应速度大于混凝土初凝速度,并在下层混凝土初凝前就进行了第二层混凝土浇筑。

(4) 采用了二次振捣工艺,浇注面及时进行了二次抹压处理。

(5) 在底板混凝土浇筑完成后,12小时内便采取保湿措施。温度监控方面,在基础底板每300 m2左右便设置1个测温点,同时每个点位在底板不同深度埋设3～5个热敏测点,从而有效保证了混凝土浇注体的里表温差小于25 ℃,混凝土浇筑体表面与大气温差控制在20 ℃以内。

从最终完成的效果看,均未发现明显的裂纹现象,可见本工程采取的措施在控制大体积混凝土水化热方面是经济可行的。值得提醒的是,大体积混凝土浇筑过程中,加强基坑侧壁砖胎膜的强度和刚度,防止因混凝土发热膨胀而开裂、变形,是施工中应着重注意的问题。

3 结构体系与计算分析

本工程酒店主楼采用框架-核心筒结构体系,标准层平面布置如图2所示。因为建筑条件限制,本工程核心筒不满足规范[4]之处为:①核心筒的X向高宽比为1/7.5,但Y向高宽比为1/17.2,小于规范要求的1/12;②核心筒的外墙在水平方向连续开洞,局部洞间墙肢的截面高度为0.8 m,小于规范要求的1.2 m。

图2 主楼标准层平面图(单位:mm)
Fig.2 Standard floor plan of the main building (Unit:mm)

本工程之所以采用框架-核心筒结构体系,主要是因为主楼高度达到了135.1 m,超过了框架-剪力墙结构体系所适用的130 m,但小于框架-核心筒结构体系所适用的150 m。针对上述的核心筒尺寸不满足规范要求的情况,本工程采取了如下加强措施:①在筒体周边设置角筒,增强核心筒的整体刚度;②针对核心筒水平方向外墙连续开洞引起的小墙肢,按框架柱的抗震要求配置箍筋和纵向钢筋,以加强其抗震能力;③为了弥补核心筒Y向高宽比过大带来的刚度不足,核心筒内Y向设置了较多的剪力墙,并提高了与外框联系框架梁的截面刚度。从计算分析结果来看,本工程主要由风荷载控制,Y向风荷载作用下最大层间位移角为1/1188,满足规范1/800的限值要求。

为确保抗震抗风计算分析的可靠性,本工程分别采用了PKPM SATWE和Midas Building软件进行了分析比较,如表2所示,计算结果显示结构布置均匀合理,结构抗震抗风性能良好,各项指标均满足规范要求。对于主楼局部楼层以及裙房平面开大洞位置处的复杂楼板分析,采用了PKPM PMSAP软件进行楼板应力水平验算。

表2 结构整体计算结果

Table 2 Overall structural calculation results

计算程序PKPMSatweMidasBuilding结构第一自振周期/sT1=4.0605T1=4.1583结构第二自振周期/sT2=3.2618T2=3.3185结构第三自振周期/sT3=2.9309T3=3.0896第一扭转周期与第一平动周期之比0.7200.743振型质量参与系数(0°方向)96.50%91.20%振型质量参与系数(90°方向)97.31%92.65%底层地震力(0°方向)4550kN4230kN底层地震力(90°方向)4190kN4018kN风荷载作用下0°方向最大层间位移角<所在楼层>1/1972<22层>1/2015<22层>风荷载作用下90°方向最大层间位移角<所在楼层>1/1188<18层>1/1218<18层>地震作用下0°方向最大层间位移角<所在楼层>1/2682<33层>1/2791<33层>地震作用下90°方向最大层间位移角<所在楼层>1/1906<22层>1/1997<22层>地震偶然偏心作用下0°方向最大位移比<所在楼层>1.20<2层>1.22<2层>地震偶然偏心作用下90°方向最大位移比<所在楼层>1.23<2层>1.27<2层>0°方向剪重比0.87%0.82%90°方向剪重比0.83%0.81%0°方向刚重比3.623.5390°方向刚重比2.812.73

4 结构设计中的重点及加强措施

4.1 主楼框架梁柱配筋设计

(1) 主楼核心筒与外框柱的变形协调

软件计算时,假定底板嵌固,没有变形,最终计算得出核心筒竖向刚度好变形小(最大变形11.35 mm),而外框柱变形大(最大变形20.05 mm),从而引起核心筒处的梁端配筋比较大。但实际并非完全如此,首先,因核心筒群桩基础效应,结构底部(基础)会呈“倒锅盖”式变形,即底部位置核心筒变形大(沉降计算56 mm),柱变形小(沉降计算47 mm);其次,施工阶段会逐层找平调整。通过对初始计算结果进行仔细比较分析,为合理进行梁配筋设计,体现“强柱弱梁”的抗震延性设计,保证框架柱及柱下基础的设计安全,采用了适当调幅及改变框架梁刚度系数的办法减小由于计算假定不准导致的配筋异常结果,同时,考虑到风荷载作用效应,设计通过合理选取调幅值及刚度系数,保证了调整后的计算结果不小于调整前风荷载作用的计算结果[5-6]。

(2) 梁端水平加腋处理

由于建筑条件的限制,如图2所示,Y向主框架梁与核心筒墙体存在一定的水平距离偏差,为了有效保证水平力的传递,本工程采取了梁端水平加腋的处理方式。

(3) 框架短柱延性设计

建设单位考虑到施工进度及减少施工难度,建议设计上尽量不采取钢骨混凝土柱。但本工程框架柱竖向轴力较大,虽然采取了提高混凝土强度等措施,但柱子截面仍比较大,使得大部分柱子都出现了尺寸效应短柱。为有效解决这一问题,本工程通过提高框架柱体积配箍率至不小于1.2%的措施,增加框架柱的延性,来提升柱子轴压比限值,从而满足规范的要求[7]。

4.2 主楼顶部两层行政会所大跨悬挑问题

为追求开阔的视野,充分享受南面的超山及湿地景观资源,建筑设计在主楼顶部两层行政会所采用了超高大跨悬挑手法,结构悬挑长度为9 m多,如图3所示。为了减轻自重,本工程采用单向楼盖形式,主梁采用500×800/1 200变截面预应力梁。因室内空间需要,此处结构竖向构件布置上下不能连续,在设备层采用了型钢梁、柱进行了局部竖向构件的转换。同时,为了减少设备层层高突变引起的竖向刚度突变,避免软弱层和薄弱层的集中,设备夹层处采取了结构板降至梁底平的措施,然后采用轻质材料回填。

图3 主楼顶部大跨悬挑剖面示意
Fig.3 The section of large cross cantilever structure at the top of the main building

考虑到此处转换为高位转换,且上部为大跨悬挑,对整体结构影响很大,属于本工程的关键部位构件,故在结构设计上提高了转换结构的抗震性能,按C级性能目标进行加强设计。即:在设防烈度地震(中震)下,性能水准及震后状况按“性能水准-3/轻度损坏”进行控制,转换构件(型钢梁、柱)、大跨悬挑构件(预应力框架梁)斜截面按弹性设计、正截面按不屈服设计;在预估的罕遇地震(大震)下,前述关键构件的抗震承载力按不屈服进行设计[4]。

4.3 裙房超长结构处理

裙房上部结构东西向最大长度达106 m,南北向最大长度达87.2m,已远远超过规范限值要求。本工程设计上采用了如下方式处理:

(1) 通过设置施工后浇带减小施工阶段的混凝土收缩影响;

(2) 对施工提出严格要求,包括提高混凝土浇注质量、加强对混凝土的养护、采用补偿收缩混凝土以及在满足规范要求的前提下严格控制水泥、外加剂用量等;

(3) 通过楼板双层双向配筋减小温度作用及后期徐变收缩的影响;

(4) 采用PMSAP软件分析板的温度作用,在温度应力较大区域提高板配筋率,同时在此区域所用混凝土内添加聚丙烯纤维。

4.4 裙房长悬挑构件、大跨度梁

(1) 宴会厅上空区域大跨度梁

裙房西侧宴会厅平面尺寸为27 m×44.7 m,两层12 m通高;宴会厅上一层为KTV,需做同层排水,降板750;KTV顶为覆土屋面,覆土厚度400 mm。为满足建筑使用空间需要,宴会厅顶采用5道27 m跨梁作为主要受力构件,并以此5道大跨梁为转换梁,每道梁抬两个柱子以支撑屋面主要受力构件,如图4所示。鉴于宴会厅顶5道大跨梁所受荷载很大,结构设计最终采用了后张法有粘结预应力梁,其中预应力筋采用φs15.2高强低松弛钢绞线,fptk=1 860 MPa。

(2) 泳池上空区域大跨度梁

裙房二层北侧室内泳池区域存在6.20 m悬挑,东西向跨度为27 m,同时将近50%的泳池落在此悬挑区域,如图4所示。泳池上部为酒店设备机房层,27 m的跨度需考虑梁上抬柱。显然,此处重荷载作用下大跨度加长悬挑成为了本工程的一个难点。为满足建筑使用需要,此区域结构设计时有效结合了建筑立面效果,最终采取了整层钢骨混凝土桁架结构体系,如图5、图6所示。

图4 宴会厅、泳池上空区域平面布置图(单位:mm)
Fig.4 Layout of the upper part of the banquet hall and the swimming pool (Unit:mm)

图5 钢骨混凝土桁架悬挑剖面图(单位:mm)
Fig.5 Steel reinforced concrete truss cantilever section (Unit:mm)

图6 27 m大跨钢骨混凝土桁架剖面图(单位:mm)
Fig.6 27 Large span steel reinforced concrete truss profile (Unit:mm)

4.5 裙房平面大开洞

裙房二层、三层均有大面积开洞,开洞后使楼层楼板削弱严重。二层内庭院及大堂上空开洞后,有效楼板宽度均小于50%(楼层有效宽度分别为13.350 m及21.750 m,本层典型楼板宽度为51.6 m)。三层楼板削弱进一步加剧,除楼板有效宽度小于50%,开洞面积已接近30%。为有效解决上述楼板不连续带来的抗震不利影响,本工程设计时采取了如下加强措施:

(1) 考虑本层开洞削弱严重,模型计算采用整层弹性模考虑楼板真实面内刚度,并采用了PKPM PMSAP软件进行了楼板应力水平验算;

(2) 洞口周边的一跨楼板厚增至150 mm,配筋不小于φ10@150双层双向,同时加强开洞部位的上一层楼板;

(3) 洞口四周框架梁按拉弯和压弯构件验算承载力,并适当加强纵向配筋;

(4) 适当加强二层、三层洞口周围的框架柱,提高纵筋配筋率。

5 结 语

本工程为当地地标性建筑,超高的酒店主楼并带有复杂的裙房,由于其独特的建筑形式,对结构设计提出了很高的要求。设计中采用了多道抗震设防的准则以及对重要构件基于性能化设计的思路,确保结构安全合理,较好地实现和满足了建筑师的设计理念和业主的使用要求,计算结果各项指标均满足现行国家规范和规程的要求,结构安全可靠。

本文结合实际工程,通过解决遇到的技术难题并采取相应的改善结构抗震性能的加强措施,为其他类似项目设计提供了可靠的经验参考。

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Discussion on The Difficulties of The Structure Design of A High-rise Hotel

WU Yingdong* ZHAN Lebin YAO Kaiming LIN Yuan

(Zhejiang Greenton Architectural Design Co.,Ltd. Hangzhou 310007, China)

Abstract：Because of the complex function and novel shape,hotel design always brings a lot of challenges to structural engineers.A high-rise structure that was designed for a hotel in Hangzhou has complex annex.Difficulties in structural design were encountered and were studied.Toprovide engineering references,structural selection and layout,calculation and analysis,irregularity characteristics and corresponding seismic strengthening measures were summarized in this paper.

Keywords：complex annex, high-rise hotel, prestressed structure, seismic strengthening measures

收稿日期： 2015-10-13

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