某酒店高位转换结构超限设计分析

郭科骋

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361000)

0 引言

随着城市化建设不断发展，城市建设中的高层多功能建筑大量出现，由于建筑功能的复杂性，建筑底部可能需要无柱或少柱的大空间，如果大空间楼层位于3层以上，上部楼层部分竖向构件不能直接连续贯通落地，需要设置结构转换层，此时为高位转换结构。本文以厦门某超限高层酒店为例，系统介绍高位巨型单跨转换结构的设计分析要点。

1 项目概况

该工程位于福建省厦门市仙岳路与嘉禾路交叉地带，酒店主楼长87.6m，宽18.3m，主体结构地上18层，地下3层。建筑总高度85.6m，总建筑面积30 582m2。项目效果图如图1所示。

图1 酒店效果图

该工程地上主体为一栋独立塔楼，五层为多功能厅，五层和六层之间为设备层，层高2.19m。酒店采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，屋盖及楼盖结构采用现浇钢筋混凝土楼板。结构平面为“一”字长条型，结构正立面两端局部外倾。

为满足建筑五层多功能厅的需要，该工程局部平面需抽取框架柱，并在六层增设结构柱，因此结构利用设备层设置水平转换构件，形成了单跨高位转换，转换柱采用钢管混凝土柱，并对设备转换层及设备层上一层均采取加强措施。设备转换层平面如图2所示，转换层剖面如图3所示。

图2 设备层结构平面图

图3 转换层剖面示意图

2 结构超限情况分析

2.1 结构超限情况

该工程抗震设防类别丙类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.15g。设计地震分组第3组，建筑场地类别II类，基本风压w0=0.8kN/m2，建筑物地面粗糙度类别B类，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用。

该工程具有扭转不规则、竖向构件不连续(高位转换)和局部不规则(斜柱、穿层柱)，根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点(建质〔2015〕67号)》[2]，属于超限工程。

2.2 结构超限整体分析

(1)多遇地震分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》[2])(JGJ3-2010)第5.1.12条、第4.3.5条规定[1]，该工程分别采用北京盈建科软件有限责任公司开发的建筑结构设计软件及设计软件MIDAS GEN两个不同力学模型软件进行计算分析。从盈建科软件的地震波库中筛选出5条天然波，根据设防烈度、地震分组、场地特征周期等参数生成2条人工波进行多遇地震弹性时程分析，计算结果相近、分析结果可靠。通过地震谱与振型分解反应谱的比较可知，七组地震波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱所采用的地震影响系数曲线，在统计意义上相符。

(2)多遇地震、罕遇地震分析

该工程根据前面所述超限情况，根据《高规》3.11节规定[1]，选用D级性能目标，设定结构各部位受力构件的性能目标如表1所示。

表1 结构主要抗侧力构件的抗震性目标

说明：表中剪力v为重力荷载代表值和地震作用标准值组合的构件剪力。

根据构件性能目标，进行多遇地震、罕遇地震等效弹性分析，并根据分析结果对相应部位进行加强。根据《高规》第3.11.4条规定[1]，采用中国建筑研究院的PUSH(PKPM系列)对罕遇地震(大震)作用下结构进行静力弹塑性(PUSHOVER)分析，并根据分析结果对塑性铰出现加多的电梯间及楼梯间剪力墙，提高其配筋率或设置型钢，增加其延性。

3 结构关键构件性能化验算与设计

该工程设计在设备层设置水平转换构件，由于框支柱采用钢管混凝土柱，如以钢筋混凝土梁进行转换，则转换梁内大量的钢筋难以锚入框支柱内，且转换梁的自重很大，对抗震不利。因此，设计采用箱型钢梁和型钢混凝土梁进行转换。对设备转换层及设备层上一层的楼板均采取加强措施。设备转换层以上5层的框架梁柱内均设置通长型钢，形成桁架效应，作为结构安全储备，提高了结构的安全性。

3.1 转换层楼板应力分析(多遇地震)

酒店的转换层位于五层和六层之间，转换层楼板作为重要的传力构件，需满足抗剪，平面内抗弯承载力要求。该工程采用了通用有限元软件对转换层进行楼板应力分析，分析结果如图4～图5所示。

图4 转换层楼板X向地震有效应力分布

图5 转换层楼板Y向地震有效应力分布

转换层楼板应力，除楼梯间开洞处框架柱与楼板交接位置应力集中较大外，全楼层楼板应力不大于混凝土抗拉强度设计值1.57N/mm2。考虑到楼板的重要性，转换层楼板厚度为200mm，采用双层双向配筋，应力较大的区域，根据楼板实际计算结果加强配筋。

3.2 单跨转换梁应力分析及变形

由于转换层的转换梁受力复杂，且重要性程度高，是保证整个结构抗震性能的重要构件。现以14轴处转换梁为例进行分析。

采用通用有限元软件进行建模和网格划分，完成有限元计算及最终结果显示。节点采用三维实体单元，其二次位移模式，可以更好地模拟模型。

模型采取模拟混凝土柱放置于转换梁上，将转换柱顶底施加xyz方向约束，在混凝土柱上施加竖向荷载，将竖向荷载转化为面荷载施加于模型上，模拟转换梁工作时的应力情况。荷载大小如表2所示。

表2 荷载值

图6 三维实体单元示意图

图7 转换梁模型约束及荷载布置

图8 转换梁模型应力分布情况

图9 转换梁模型位移情况

本次模型分析结果如图6～图9所示。

由图6～图9可知，在转换梁工作时，应力值在102～300MPa之间，局部应力峰值在410MPa左右，均不大于Q420钢材料屈服强度，但是在开洞处、边缘交接点位置均出现了一定程度的应力集中现象。根据应力集中理论，对于由塑性材料制成的构件，由于局部峰值应力往往超过屈服极限，将会造成应力的塑性重分配，在塑性重分配的情况下，结构实际的峰值应力往往低于按弹性力学计算得到的理论峰值应力。局部应力集中处设置加劲肋进行加强，并要求在制作过程采用避免尖角出现的工艺，采用圆弧过渡，并采取孔边局部加强措施。转换梁在工作时挠度最大值在22.6mm左右，满足规范规定的不大于计算跨度的1/400，如图9所示。

3.3 转换构件主要构件设计要点

该工程转换柱采用钢管混凝土柱，钢材料等级为Q420C,混凝土为无收缩自流型，强度等级为C60。

根据相关研究显示,钢管内未设置构造措施的矩形钢管混凝土柱，钢管与混凝土之间的共同工作性能较差，核心混凝土承担轴向荷载的比例较小，故当钢管横截面满足承载力要求时，为满足规范对管壁局部屈曲限制的要求，应设置加劲肋。然而，密集的横向加劲肋易造成混凝土浇筑困难，且该工程钢柱截面较大，因此改为钢管内侧设置纵向加劲肋[3]。同时，在高度上每隔3～4m及楼层处设置横向加劲肋板。通过在管壁内侧设置T形纵向加劲肋，保证了管壁不发生局部屈曲，同时加强了钢管与混凝土的联系，提高柱的安全度。柱典型截面如图10所示。

图10 钢管混凝土柱

转换梁采用箱型钢梁，钢材料等级为Q420c,箱型梁的闭合薄壁截面抗扭刚度大，能有效地抵抗正负弯矩并满足配筋需要，具有良好的动力特性和小的收缩变形。为了控制钢箱梁的侧向稳定，于梁上翼缘两侧各加一道平行的混凝土梁，同时在下翼缘设置若干道垂直的型钢砼梁，约束下翼缘的平面外变形，并于下层楼板内设置拉接短筋与转换梁机械锚固连接；于转换梁洞口上下及两侧，根据有限元分析结果，设置补强板及加劲肋。做法如图11～图12所示。

图11 转换梁与楼板连接大样图

图12 转换梁开洞补强图

4 结语

该工程的计算结果表明，在地震作用下的变形等各项指标符合相关规范的要求，重要受力构件具有较好的安全储备。根据分析的结果，采用合理的构造加强措施，从而得到安全、合理、经济的结构设计。