杭州东站西子国际项目大跨度楼面结构设计

郑 鸿,薛海新,费元民

(五洋建设集团股份有限公司杭州建筑设计分公司,浙江 杭州 310052)

1 工程概况

杭州东站西子国际项目位于杭州城东新城核心区,为东站枢纽东侧彭埠单元C2-07 地块,集综合商业、办公、酒店为一体的城市综合体。见图1。

图1 杭州东站西子国际项目鸟瞰图

本工程地上由3栋塔楼A、B、C座及地下室组成。地下3层,A座主要功能为商业,共6层,屋面高度为35.8 m,抗震设防类别为乙类,框架剪力墙结构,框架抗震等级为三级,剪力墙为二级；B、C座主要功能分别为办公和酒店,通过设抗震缝脱开,均为12层,屋面高度为48.4 m,抗震设防类别为丙类,框架剪力墙结构,B座框架抗震等级为三级,剪力墙三级,C座框架抗震等级为四级,剪力墙三级。

设计基准期为50年,安全等级为二级,抗震设防烈度为6度(0.05 g),设计地震分组为第一组。基本风压为W0=0.45 kN/m2,地面粗糙度为B类。基础设计等级为甲级,主体部分采用桩筏基础,抗拔桩采用桩底不注浆钻孔灌注桩,桩长39 m,抗压桩采用桩底后注浆钻孔灌注桩,桩长33 m,均以⑥层圆砾层为桩基持力层,桩直径为600～800 mm。

2 设计主要难点

本工程为城市综合体,为营造良好的商业环境和满足使用功能要求,建筑提出了较多的室内大空间要求,根据不同的使用功能,结构采用不同的结构形式来满足建筑的空间要求。

1)C座裙房4层设有千人宴会厅,层高6 m,顶盖为上人钢筋混凝土屋面,楼盖尺寸为25.4 m×34 m。受建筑高度限制和为了更好的使用体验,建筑师提出了苛刻的要求,要求梁底净高不小于5.0 m,对结构设计带来了极大的挑战。

2)A座3层设有320座的巨幕厅,顶盖使用功能为130座的影院,楼盖尺寸为22 m×24.7 m,层高15.2 m,考虑影院座位,折算使用活荷载8.0 kN/m2。建筑师根据影院的使用要求,对结构构件高度提出了严格的限制,要求结构梁底净高13.8 m,使得结构体系布置和结构构件设计余地小。

3)A座6层设有大堂,楼盖尺寸为22 m×13 m,层高4.85 m,顶盖为上人钢筋混凝土屋面,建筑要求除边梁外梁底净高3.7 m,同时需考虑屋盖的整体性和施工方便,给结构设计带来了难度。

3 解决方法

3.1 C座裙房结构设计

C座裙房4层设有千人宴会厅,楼盖尺寸为25.4 m×34 m,屋面折算恒荷载为15.8 kN/m2,活荷载为2.0 kN/m2。为满足建筑的要求,并尽量减轻结构自重,减少结构水平构件的高度,使结构体系更加合理,通过与其他结构形式比较,决定采用现浇预应力混凝土空心楼盖体系[1]。平面布置见图2,其中□表示空心箱体内模。

图2 5层空心板平面布置图

空心板中采用无粘结预应力技术,预应力筋采用1 860级高强低松弛钢绞线,fptk=1 860 N/mm2；普通钢筋采用HRB400钢筋,fy=360 N/mm2；混凝土强度等级为C40。计算模型按四周简支的双向板计算。经过正常使用极限状态和极限承载力计算,板厚取800 mm,内模尺寸为900 mm×900 mm×600 mm,上下混凝土板厚均为100 mm,内模之间设300 mm宽肋梁,每根肋梁设有预应力筋,梁底净高5.2 m,满足建筑的要求,具体见图3。通过肋梁的设置,增加空心板的水平刚度,提高抗剪性能,同时便于预应力筋的铺设张拉。由于楼板较厚,剪切变形不可忽略,预应力空心板在钢绞线张拉端和锚固端存在较大的应力集中,为使预应力均匀地传至空心板整个截面,并提高局部抗剪承载力,在空心板端距支座250 mm处设计成实心区域,同时框架柱之间设置暗梁。通过计算,空心板承载力、抗裂、变形均满足规范的要求。

与普通钢筋混凝土楼板相比,现浇预应力混凝土空心楼盖[2]施工过程中增加了预应力筋的铺设张拉和内模箱体的固定抗浮,且与各工种相互交叉。在设计时就要求具有专业资质并有类似工程施工经验的队伍施工,在施工前还进行了详细的施工技术交底,要求优先保证预应力筋和内模的准确定位；同时要求在箱体中部设置竖向孔洞,以便箱体底部板混凝土的浇筑和振捣。预应力筋张拉时,结构的混凝土强度不得低于设计强度的90%；待张拉后,混凝土强度达到设计强度时方可拆除底模和底模支撑。

由于预先对出现的问题采取了一系列的措施,预应力混凝土空心楼盖体系在本项目中的应用取得了成功,满足了建筑师的空间需求。

图3 800 mm厚空心板断面图

3.2 A座巨幕厅结构设计

A座3层设有320座的巨幕厅,楼盖尺寸为22 m×24.7 m。根据使用荷载及建筑高度要求,设计时考虑并对比分析了预应力混凝土梁结构、型钢混凝土梁结构、普钢结构和钢-混凝土楼板组合结构等几种楼面结构体系,经过对比分析并结合施工难易程度,最终采用钢-混凝土楼板组合结构[3]。平面布置见图4。

图4 5层结构布置图

主钢梁采用H1300×300×25×25焊接型钢,钢梁强度等级为Q345-B；楼板采用C30混凝土浇筑,厚度100 mm,楼面恒荷载为4.5 kN/m2,折算活荷载为6.5 kN/m2。由于主钢梁跨度较大,若钢梁与混凝土柱、梁采用刚接,则会产生一较大的弯矩,单纯的混凝土柱、梁较难满足要求。因此,本工程采用钢梁支撑于混凝土柱及梁牛腿的铰接连接方法。具体支座见图5。

为避免组合结构与普通钢筋混凝土楼面连接处因变形相差较大而出现变形裂缝,工程在钢梁支座混凝土楼板与四周楼板交接处,设置宽800 mm的后浇带,待周边混凝土构件达到设计强度并拆除钢梁临时支撑,让钢梁自由变形完成后再进行后浇带混凝土施工。这样可有效释放端部弯矩,避免使用阶段楼面出现裂缝。

钢-混凝土楼板组合结构具有强度高、刚性大,以及良好的延性和耗能性能的特点,应用在大跨度的梁系结构中,是可行的、经济的、合理的。同时压型钢板作为浇注混凝土的模板直接支撑于钢梁上,为各种作业提供了宽广的工作平台,减少了高支模架的搭设及论证,加快了施工的进度,缩短了工期。

图5 钢梁支座详图

3.3 A座6层大堂结构设计

A座6层大堂顶盖,楼盖尺寸为22 m×13 m,屋面板厚120 mm,混凝土强度等级为C30,屋面恒荷载为7.0 kN/m2,活荷载为3.0 kN/m2。根据建筑净高及结构整体计算参数要求,需要采用钢筋混凝土梁和楼板。初始设计时采用正放井字梁布置,其梁截面见图6,计算后发现井字梁呈现出明显的主次梁的关系,主梁及与其相连接的柱子截面和配筋都非常大,且不满足净高要求。

针对设计方案的缺陷和不足,后来改进了井字梁的布置方式,以斜放正交井字梁取代了原来的设计。斜放井字梁与正放井字梁布置方式相比,它能够充分地利用框架柱,从而具备了较高的结构刚度、良好的延展性和更大的负荷承载能力。同时井字梁的斜放布置可以使边梁免受扭曲,特别是矩形盖顶平面长宽之比大于1.5时,斜放井字梁的经济性和技术的优越性比正放井字梁有着明显的优势和结构效率。

采用斜放井字梁[4]后,楼板厚度保持不变,梁、柱布置及截面见图7。这种方案与原方案相比,柱子和边梁截面均不变,中间梁的截面减小300 mm,使得混凝土的用量减少, 边梁所受的扭矩也减小很多,达到了构件受力均匀和材料受力性能充分发挥的目的,并且从工程结构力学的观点上来看,增加了整个楼层平面的刚度和结构整体刚度,达到了建筑与结构专业的和谐与统一。

图6 屋面结构布置图一 图7 屋面结构布置图二

4 结 语

本文重点介绍了杭州东站西子国际项目大跨度楼面的结构设计解决方案。大跨度空间是结构设计中的难点和重点,针对不同的建筑空间及要求,采用合适的结构解决方法,同时通过不同结构方案的比较及优化,实现了建筑空间、结构安全、经济合理的统一。对本项目中采用的现浇预应力混凝土空心楼盖、钢-混凝土组合楼盖和斜放井字梁等结构设计技术,进行了一些分析和总结,供同行参考。