某 酒 店 结 构 方 案 设 计 1. 前 言 结 构 设 计 没 有 唯 一 解 [1] 对 结 构 设 计 方 案 进 行 分 析 比 较, 以 确 定 最 优 的 结 构 设 计, 是 每 个 结 构 工 程 师 必 须 面 对 的 问 题 本 文 根 据 某 酒 店 几 个 结 构 设 计 方 案 的 比 较, 通 过 各 方 案 在 PKPM 软 件 中 的 结 果 数 据 分 析, 明 确 设 计 方 案 的 步 骤 和 思 路, 对 高 层 结 构 的 方 案 设 计 做 一 下 探 讨 2. 工 程 概 况 本 工 程 为 一 综 合 型 的 五 星 级 酒 店 建 筑 面 积 :102415 平 方 米 ; 建 筑 层 数 : 地 上 19 层, 地 下 2 层 ; 建 筑 高 度 :85.69 米, 建 筑 剖 面 图 如 图 2.1 所 示 建 筑 结 构 安 全 等 级 为 二 级, 设 计 使 用 年 限 为 50 年, 抗 震 设 防 类 别 为 丙 类, 拟 建 场 地 所 处 地 区 的 抗 震 设 防 烈 度 为 7 度, 设 计 基 本 加 速 度 为 0.10g, 设 计 地 震 分 组 为 第 三 组, 场 地 类 别 为 II 类, 基 本 风 压 值 0.60kN/m2 [2] 本 工 程 采 用 PKPM(2010 版 ) 进 行 建 模, 用 SATWE 进 行 结 构 分 析 图 2.1 建 筑 剖 面 图 1
3. 结 构 设 计 方 案 3.1 工 程 特 点 从 图 2.1 建 筑 剖 面 图 可 以 看 出, 裙 房 2 层, 层 高 较 大, 分 别 为 7.50m 和 6.00m; 裙 房 以 上, 标 准 层 层 高 为 4.20m 或 3.90m, 除 设 备 夹 层 外, 相 临 层 层 高 相 差 不 大, 且 竖 向 构 件 连 续 ; 中 庭 开 洞 部 位, 首 层 以 上, 仅 在 六 层 顶 和 屋 顶 有 连 接, 而 屋 顶 是 钢 桁 架 采 光 屋 面, 没 有 混 凝 土 楼 板 建 筑 平 面 布 局 如 图 3.1, 中 庭 开 大 洞, 楼 梯 电 梯 在 洞 口 两 侧, 位 置 偏 中 间, 适 合 布 置 结 构 刚 度 较 大 的 剪 力 墙 的 位 置 都 靠 近 平 面 中 心, 客 房 在 周 边, 荷 载 基 本 都 在 离 建 筑 平 面 中 心 较 远 的 四 周 图 3.1 建 筑 标 准 层 平 面 图 3.2 结 构 体 系 选 择 先 考 虑 常 规 结 构 体 系 : 建 筑 高 度 85.69m, 超 过 框 架 结 构 的 A 级 最 大 适 用 高 度, 暂 不 考 虑 框 架 结 构 ; 建 筑 外 圈 和 中 庭 周 边 由 于 建 筑 功 能 的 需 要, 不 宜 布 置 成 片 剪 力 墙 或 密 柱, 故 筒 体 结 构 也 不 合 适 ; 首 二 层 建 筑 功 能 需 要 很 多 大 跨 度 房 间, 如 果 采 用 剪 力 墙 结 构 则 很 多 位 置 需 要 转 换, 暂 不 考 虑 ; 根 据 建 筑 条 件, 可 考 虑 采 用 框 剪 结 构 : 楼 梯 电 梯 位 置 可 布 置 落 地 剪 力 墙, 建 筑 提 条 件 预 留 的 柱 子 截 面 1m 1m, 适 当 提 高 混 凝 土 标 号, 或 采 用 钢 管 混 凝 土 柱 等 方 法, 柱 子 可 满 足 受 力 要 求, 另 外 整 体 参 数 调 试 时, 除 中 间 楼 梯 电 梯 位 置 外, 可 在 建 筑 允 许 的 适 当 位 置 加 上 少 量 剪 力 墙, 以 便 满 足 整 体 计 算 的 要 求 综 合 上 述 因 素, 本 工 程 结 构 体 系 首 选 框 剪 结 构 3.3 结 构 方 案 设 计 根 据 前 面 第 1 条 所 述 的 工 程 特 点, 根 据 经 验, 笔 者 认 为 本 工 程 风 荷 载 不 起 控 制 作 用, 主 2
要 为 抗 震 分 析, 控 制 条 件 为 地 震 作 用 下 的 扭 转 效 应 根 据 高 规 第 3.4.5 条, 对 结 构 的 扭 转 效 应 控 制, 主 要 从 两 个 方 面 加 以 限 制 :(1) 限 制 结 构 平 面 布 置 的 不 规 则 性, 避 免 产 生 过 大 的 偏 心 而 导 致 结 构 产 生 较 大 的 扭 转 效 应 (2) 限 制 结 构 的 扭 转 刚 度 不 能 太 弱 对 于 平 面 布 置 的 不 规 则 性, 一 般 用 位 移 比 来 限 制 本 工 程 因 为 建 筑 平 面 较 对 称, 结 构 布 局 上 两 侧 交 通 核 剪 力 墙 可 对 称 布 置, 使 得 质 量 和 刚 度 中 心 基 本 重 合, 这 样, 在 规 定 水 平 地 震 力 作 用 下, 楼 层 竖 向 构 件 的 最 大 水 平 位 移 和 层 间 位 移 与 该 楼 层 平 均 值 的 比 值 会 很 小, 满 足 规 范 的 要 求, 故 第 1 个 限 制 条 件 比 较 容 易 满 足 对 于 扭 转 刚 度 能 否 保 证, 关 键 是 看 结 构 扭 转 为 主 的 第 一 自 振 周 期 Tt 与 平 动 为 主 的 第 一 自 振 周 期 T1 的 比 值 能 否 满 足 要 求, 因 为 当 两 者 接 近 时, 由 于 振 动 耦 联 的 影 响, 结 构 的 扭 转 效 应 明 显 增 大 针 对 上 述 分 析, 结 构 方 案 布 置 如 下 方 案 1: 如 图 3.1, 在 交 通 核 部 位 布 置 剪 力 墙, 其 中 交 通 核 外 圈 布 置 较 厚 的 剪 力 墙, 墙 厚 500mm, 围 成 筒 状, 考 虑 到 大 部 分 荷 载 距 平 面 中 心 较 远, 筒 体 在 5 12 E H 轴 上 的 墙 再 加 厚 至 550mm, 外 筒 墙 厚 到 顶 部 逐 步 减 小 到 400mm; 筒 体 内 部 的 剪 力 墙 墙 厚 为 250mm, 到 顶 部 减 小 到 200mm; 其 余 按 建 筑 图 相 应 位 置 布 置 框 架 柱, 主 楼 范 围 采 用 1000 1000mm, 到 顶 部 逐 步 减 小 到 600 600mm; 裙 房 范 围 采 用 700 700mm; 标 准 层 框 架 梁 主 要 截 面 采 用 300 650mm 和 300 500mm, 次 梁 250 500mm 采 用 PKPM(2010 版 )-PMCAD 进 行 建 模, 用 有 限 元 分 析 软 件 SATWE 进 行 结 构 分 析, 主 要 参 数 计 算 结 果 如 下 表 : 表 3.1 方 案 1 小 震 下 位 移 和 周 期 计 算 结 果 最 大 层 间 位 移 角 最 大 层 间 位 移 比 T1 T2 T3 周 期 比 周 期 比 X 方 向 Y 方 向 X 方 向 Y 方 向 X 向 平 动 Y 向 平 动 扭 转 Tt/T1 Tt/T2 方 案 1 1/1304 1/1572 1.15 1.22 2.1323 1.9275 1.8415 0.864 0.955 规 范 规 定 的 框 剪 结 构 弹 性 层 间 位 移 角 限 值 为 1/800, 方 案 1 的 计 算 结 果 远 小 于 限 值, 故 竖 向 构 件 的 刚 度 满 足 条 件 ; 上 表 最 大 层 间 位 移 比 小 于 1.4( 仅 首 层, 其 余 各 层 均 小 于 1.1), 故 结 构 平 面 规 则 性 满 足 规 范 要 求 ; 结 构 扭 转 为 主 的 第 一 自 振 周 期 Tt 与 平 动 为 主 的 第 一 自 振 周 期 T1 的 比 值 ( 以 下 简 称 第 一 扭 转 周 期 比 ) 小 于 0.90, 故 结 构 扭 转 刚 度 也 满 足 规 范 要 求 从 上 表 计 算 结 果 可 知, 方 案 1 各 项 主 要 参 数 均 满 足 结 构 规 范 要 求, 此 方 案 能 够 成 立 但 其 第 一 扭 转 周 期 比 非 常 接 近 规 范 所 规 定 的 限 值, 第 二 扭 转 周 期 比 (Y 向 扭 转 ) 甚 至 还 超 过 了 0.90, 因 此 方 案 1 结 构 布 置 还 需 要 一 定 程 度 的 改 进 一 般 在 边 跨 加 剪 力 墙, 对 限 制 结 构 扭 转 效 应 效 果 较 好 方 案 2: 在 方 案 1 的 基 础 上, 分 3
别 在 C 轴 K 轴 的 5~7 轴 间 和 10~12 轴 间 布 置 400 厚 剪 力 墙 ; 方 案 3: 在 方 案 1 的 基 础 上, 分 别 在 3 轴 14 轴 的 E~H 轴 间 布 置 400 厚 剪 力 墙 两 方 案 的 SATWE 计 算 结 果 如 下 表 : 表 3.2 方 案 2 方 案 3 小 震 下 位 移 和 周 期 计 算 结 果 最 大 层 间 位 移 角 最 大 层 间 位 移 比 T1 T2 T3 周 期 比 周 期 比 X 方 向 Y 方 向 X 方 向 Y 方 向 X 向 平 动 Y 向 平 动 扭 转 Tt/T1 Tt/T2 方 案 2 1/1571 1/1530 1.13 1.22 1.9612 1.8266 1.6880 0.861 0.924 方 案 3 1/1287 1/2031 1.15 1.20 2.1625 1.6191 1.3657 0.632 0.845 从 表 中 可 以 看 出, 方 案 2 在 X 方 向 增 加 剪 力 墙, 加 大 了 X 向 刚 度,X 向 周 期 变 小, 但 由 于 新 加 剪 力 墙 距 刚 度 中 心 较 近, 使 得 扭 转 周 期 比 的 变 化 不 大, 此 方 案 代 价 较 大 但 效 果 不 明 显, 故 不 合 适 ; 方 案 3 在 Y 方 向 增 加 剪 力 墙, 由 于 新 加 剪 力 墙 距 刚 度 中 心 较 远, 限 制 扭 转 的 效 果 较 好, 单 纯 从 结 构 主 要 参 数 考 虑, 此 方 案 比 较 理 想 3.4 结 构 方 案 选 定 通 过 上 述 几 个 方 案 的 比 较, 可 以 确 定 框 剪 结 构 体 系 完 全 能 够 满 足 结 构 安 全 的 要 求, 本 工 程 不 需 考 虑 其 他 结 构 体 系 综 合 考 虑 安 全 适 用 经 济 等 因 素, 从 方 案 1 和 方 案 3 中 选 择 一 个 作 为 本 工 程 的 结 构 方 案 表 3.3 方 案 1 方 案 3 优 缺 点 对 比 方 案 1 方 案 3 优 点 基 本 按 建 筑 条 件 布 置 竖 向 构 件, 对 建 筑 使 用 几 乎 没 有 影 响 各 项 计 算 结 果 都 满 足 规 范 要 求, 特 别 是 Y 向 扭 转 得 到 了 限 制 缺 点 地 震 作 用 下,Y 向 扭 转 不 满 足 周 期 比 要 求 建 筑 外 墙 设 剪 力 墙, 对 建 筑 立 面 有 影 响 ; 新 加 剪 力 墙 不 能 落 地, 需 转 换, 薄 弱 对 于 方 案 3, 因 为 本 工 程 为 五 星 级 酒 店, 建 筑 立 面 和 功 能 比 较 重 要, 外 墙 加 剪 力 墙 对 立 面 效 果 影 响 较 大, 另 外, 从 结 构 本 身 的 角 度 出 发,Y 向 扭 转 之 所 以 能 得 到 控 制, 是 因 为 3 轴 和 14 轴 新 加 的 剪 力 墙 对 限 制 扭 转 作 用 较 大, 而 新 加 剪 力 墙 占 Y 向 剪 力 墙 刚 度 的 比 重 较 大, 按 SATWE 剪 切 刚 度 算 法 的 结 果, 加 剪 力 墙 前 后,Y 方 向 的 刚 度 分 别 为 0.2332E+09 和 0.3230E+09, 新 加 部 分 刚 度 所 占 比 重 达 到 27.8%, 但 是, 由 于 建 筑 平 面 功 能 布 置 的 需 要, 如 此 重 要 的 两 片 剪 力 墙 在 一 层 顶 需 要 转 换, 不 能 落 地, 其 对 整 体 结 构 影 响 太 大, 足 够 影 响 到 方 案 的 合 理 性 方 案 1 主 要 的 问 题 是 第 二 扭 转 周 期 比 (Y 向 扭 转 ) 大 于 0.90, 本 工 程 的 特 点 是 刚 度 较 大 的 剪 力 墙 集 中 布 置 在 左 右 两 侧, 连 接 两 个 剪 力 墙 区 域 的 中 庭 位 置 开 洞, 第 二 扭 转 周 期 比 较 大 时, 4
由 于 振 动 耦 联 的 影 响, 结 构 的 扭 转 效 应 进 一 步 放 大, 洞 口 边 狭 长 板 带 较 薄 弱, 在 地 震 中 容 易 相 对 振 动 而 产 生 震 害 从 图 3.1 建 筑 标 准 层 平 面 图 中 可 知 :1 平 面 开 洞 率 为 20% 小 于 高 规 规 定 的 限 值 30%;2 有 效 楼 板 宽 度 大 于 规 范 要 求 的 限 值 50%;3 扣 除 凹 入 和 开 洞 后, 楼 板 在 任 一 方 向 的 最 小 净 宽 度 大 于 5 米, 且 开 洞 后 每 一 边 的 楼 板 净 宽 度 大 于 2 米, 也 满 足 规 范 的 要 求, 所 以 仅 第 一 扭 转 周 期 比 小 于 0.9 可 以 接 受, 不 需 另 外 要 求 第 二 扭 转 周 期 比 也 满 足 此 要 求, 而 且 这 也 满 足 规 范 对 周 期 比 的 相 关 规 定 本 方 案 计 算 配 筋 结 果 在 可 控 范 围, 墙 柱 配 筋 基 本 是 构 造 配 筋, 梁 配 筋 率 基 本 在 0.75~1.5% 范 围 内, 且 1.0% 以 下 所 占 比 例 较 大, 配 筋 率 不 大 另 外, 从 SATWE 的 分 析 结 果 知 道 : 方 案 1 和 方 案 3 的 结 构 总 质 量 分 别 为 176484.5 吨 和 179676.5 吨 ;Y 向 地 震 作 用 下 结 构 的 地 震 反 应 力 分 别 为 67720.75kN 和 72245.22kN, 方 案 3 的 总 质 量 比 方 案 1 大, 地 震 反 应 力 也 比 方 案 1 大 6.68%, 而 且 转 换 位 置 抗 震 等 级 需 要 提 高 一 级, 框 支 梁 框 支 柱 与 一 般 梁 柱 相 比, 需 加 强 抗 震 措 施 等, 这 些 都 需 要 一 定 的 代 价, 从 经 济 性 角 度 出 发, 方 案 1 也 更 好 综 合 上 述 两 个 方 案 的 比 较 和 分 析, 最 后 选 定 方 案 1 为 最 终 方 案 同 时 针 对 方 案 1 的 特 点, 采 取 相 应 措 施 保 证 洞 口 两 端 的 有 效 连 接 : 加 强 中 庭 洞 口 左 右 两 侧 6 轴 和 11 轴 处 剪 力 墙, 适 当 加 厚 6 轴 ~11 轴 间 狭 长 板 带 板 厚, 使 其 按 弹 性 板 计 算 时 满 足 各 项 受 力 要 求 等 4. 结 语 方 案 3, 各 项 结 构 计 算 指 标 均 满 足 规 范 要 求, 但 从 建 筑 功 能 需 要 结 构 本 身 安 全 和 整 体 经 济 性 等 角 度 看, 存 在 一 些 不 足 ; 方 案 1,Y 向 扭 转 的 计 算 结 果 看 稍 显 不 足, 但 满 足 规 范 要 求, 通 过 采 取 一 定 的 加 强 措 施, 结 构 的 安 全 性 完 全 能 够 保 证, 且 因 为 没 有 转 换, 都 是 常 规 做 法, 施 工 也 容 易 保 证 方 案 设 计, 不 能 仅 从 结 构 专 业 考 虑 各 个 方 案 的 优 劣, 应 综 合 考 虑 安 全 适 用 经 济 合 理 建 筑 功 能 实 现 等 多 方 面 因 素, 通 过 多 角 度 的 优 劣 对 比, 确 定 最 佳 结 构 方 案 5