世茂深坑酒店钢结构设计.pdf

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第 3 O卷 第 1期 2 0 1 3年 3月 建筑科 学与工程 学报 J o u r n a l 0 f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i 1 E n g i n e e r i n g V o 1 . 3 0 NO .1 M a r . 2 01 2 文章编号 1 6 7 3 2 0 4 9 2 0 1 3 0 1 一 O 1 1 6 一 O 6 0 世茂深坑酒店钢结构设计 哈敏 强 , 陆道 渊 , 陆益呜 , 任 华东建筑设计研究 院有 限公 司 涛, 季俊, 黄 良 ,上 海 2 0 0 0 0 2 摘 要 系统介 绍 了世 茂 深坑 酒店 的钢 结 构设计 , 着重 阐述 了该 结构 的 关键 节 点设 计 , 对 酒店 钢 结构 框架进行了施工过程分析。结果表明 结构上端有很 强的约束 , 刚度较大, 宜选取延性较好 的钢框 架一 支撑结构; 楼板刚度对结构构件受力有显著影响, 构件设计时须取不 同楼板刚度计算模型下的 包络结果; 采用带肋钢铺板组合楼板可有效解决混凝土板 受拉 问题。 关键词 钢 结构设 计 ; 钢 桁 架 ; 节 点 ; 楼板 刚度 ; 带肋 钢铺板 中 图分 类 号 TU3 1 8 文献标 志 码 A S t e e l S t r u c t u r a l De s i g n o f S hi ma o Cha s m Ho t e l HA Mi n q i a n g,L U Da o y u a n ,LU Yi mi n g,REN Ta o, J I J u n,HUANG Li a n g Ea s t Ch i n a Ar c h i t e c t u r a l De s i g n Re s e a r c h I n s t i t u t e Co . ,Lt d . ,S h a n g h a i 2 0 0 0 0 2,Ch i n a Ab s t r a c t Th e s t e e l s t r u c t u r a l d e s i gn o f Sh i ma o Cha s m Hot e l wa s i nt r o du c e d s ys t e m i c a l l y,a nd t h e s t r u c t u r a l k e y j o i n t ’ S d e s i g n wa s e mp h a s i z e d .Me a n wh i l e ,t h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s a n a l y s i s o f s t e e l s t r uc t ur a l f r a me f or Shi ma o Cha s m H o t e 1 was c a r r i e d o ut . Th e r e s u l t s s ho w t ha t t he u pp e r s t r uc t ur e h a s a s t r on g c o ns t r a i n t a n d l a r g e s t i f f ne s s , t he s t e e l f r a me s u pp o r t s t r u c t u r e wi t h t h e be t t e r du c t i l i t y s ho ul d b e c h os e n. Th e s l a b s t i f f n e s s ha s a s i g ni f i c a nt i n f l ue nc e o n t he f or c e of ma i n s t r ue t ur a l me mbe r s .S O t h e e nv e l op e r e s u l t s o f d i f f e r e nt s l a b s t i f f n e s s s ho ul d b e c o ns i d e r e d i n t h e me m b e r s ’d e s i gn . The c o m p os i t e s l a b wi t h r i b be d s t e e l d e c k i ng c a n e f f e c t i v e l y s o l v e t h e t e ns i o n p r o bl e ms o f t he c o nc r e t e s l a b. Ke y wo r d s s t e e l s t r u c t u r a l d e s i g n;s t e e l t r u s s ;j o i n t ;s l a b s t i f f n e s s ;r i b b e d s t e e l d e c k i n g 引 目 世茂深坑酒店主体建筑位于地质深坑内, 依崖 壁建 造 。建筑 分 为地 上 部 分 、 地下 至 水 面 部分 以及 水下部分 。其 中地上 建筑 2层 局 部带 1层 地下 室 , 高度约 1 0 m; 地下至水面建筑共 1 4层 , 高度约 5 3 . 6 m; 坑 内水 下部 分建 筑 2层 。工程 于 2 0 0 8年开 始设计 , 目前处于基础施工阶段 。 坑 内地基 为碎 石层 及弱风 化基 岩 。坑 顶 2 层 裙 房 局部带 1 层地下室 以首层楼板作为嵌 固端 ; 坑 内主体建筑通过分块箱形基础和堆石混凝土基础坐 落在坑底弱风化基岩上 , 同时在坑顶通过跨越钢桁 架支撑在坑 口岩石基础上 , 提供竖 向和水平 约束 。 因此结构在水平地震作用下的变形形态不是普通的 悬臂结构特征 , 而是较为特殊的底部 固接顶部简支 的特征 。世茂 深坑酒 店 主体结 构采用 带支撑 钢管 混 凝土框架结构体系, 本文 中笔者重点介绍了其钢结 构 设计 特点 。 1 结构布置与结构类型 比选 1 . 1 结构布 置 地下至水面的建筑依崖壁建造 , 坑 内各楼层建 筑平面中部为竖向交通单元 , 两侧均为圆弧形 曲线 客房单元 。坑 内建筑平面狭长且呈现“ L型” , 抗震 收稿 日期 2 0 1 2 1 1 - 2 0 作者简介 哈敏强 1 9 8 0 , 男 , 江苏镇江人 , 高级工程师, 工学硕士 , E ma i l h _ m _ q s i n a . c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 哈 敏 强 , 等 世 茂 深坑 酒店钢 结 构设 计 1 1 7 计算时位移比等参数较难控制, 因此设计 中将竖 向 交 通单 元 和左侧 圆弧 形 曲线 客房 单 元 连 成 整 体 , 与 另 一个 圆弧 形 曲线 客 房 单元 通 过 设 置 抗 震 缝 分 开 , 将 坑 内建筑 分成 2 个 平 面相对 规则 的结 构单 元 。两 侧 圆弧 形 曲线 客房单 元沿 径 向的竖 向剖 面也 呈现 不 同的曲线形态 , 主体结构下部坐落于坑底基岩上 , 上 部与坑顶基岩及部分裙房相连 。地下至水面的建筑 形成了多塔 的结构形式 , 地面以上连成 一体。图 1 为 建筑 效果 图 , 图 2为设 缝 后 的 1 , 2号 塔 的典 型 楼 层 平面 , 图 3为 1 , 2 号 塔典 型剖 面 。 图 1建 筑 效 果 图 Fi g. 1 Ar c hi t e c t u r a l Pe r s pe c t i v e 图 2 1。 2号 塔 典 型 楼 层 平 面 单位 mm F i g . 2 F l o o r P l a n e o f T o w e 1 。 2 U n i t mm 1 . 2结构 类 型 比选 关 于结构类型是采用钢结构还是混凝土结构 , 经过 比选最终选择了钢结构 , 表 1为钢结构和混凝 土结 构 2种体 系 的优缺点 对 比 。 2 结构分析 安全评价报告提出 , 该工程 时程分析应采用多 点输入方法, 坑底和坑顶部位分别采用存在幅值差 但无相位差的地震时程波。对于有幅值差的多点输 入地震分析问题 , 抗震分析在小震 、 中震 下采用“ 反 Bl 4 层 B1 5 层 B1 6 层 B1 4 层 B1 5 层 B1 6 层 I ; 墨 Q 2 。 a 1 号 塔 1. b 2 号 塔 室 图 3 1 。 2号 塔 典 型 剖 面 单 位 mm J F i g . 3 T y p i c a l P r o f i l e s o f T o w e r s 1 。 2 Un i t mm 应谱支座位移” 作为抗震分析工况 , 在大震下进行 多点位移输入的弹塑性时程分析 。反应谱分析采用 E TAB S , MI D AS软件, 采用考虑扭转耦联影响的振 型分解反应谱法并考 虑偶然偏心 、 荷载一 位移 P _ △ 效应 , 结构 阻 尼 比为 0 . 0 3 5 。抗震 设 防烈 度 为 7度 , 抗震设 防类别为丙类 , 场地类别为 Ⅱ类 , 设计地震分 组为第 1组 , 水平地震影 响系数 a 等参数 由地震 安全评价确定 。地震荷载作用下, 结构层间位 移均 远小 于规 范要 求 。 基本风压 叫。 一0 . 5 5 k P a 取用 5 O年一遇 , 风 荷载体型系数和风压高度变化 系数 由“ 数值 风洞报 告” 给出。结构位于坑内, 结构顶部与底部均和岩石 基础相连 , 温度变化会在结构 内产生附加应力 , 因此 温度应力成为设计中应该考虑的问题 。 。 Q N 。 0 . 0 。 n ,n 0 0 Nn 一 0 0 0 O O O O O O 0 0 0 O O O O 0 0 O 0 O O O O 0 O 0 O 0 O O O 0 0 O 2 O 7 4 l 8 5 2 9 6 3 O 7 4 6 8 0 5 4 7 1 5 8 2 6 9 3 7 1 4 8 3 8 4 一 一 l l l 2 2 2 3 3 4 4 4 5 5 6 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 层层层 层层层 层层层层层 层层层层 2 盯 骼聃Ⅲ川 眦啪 5 4 7 1 5 8 2 6 9 3 7 1 4 8 3 8 4 一 一 f r 堪 嘿堰 蝎倔 强 馄 蝎喉 偃提 蝎 B B B B B B B B B毗 引 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 8 建筑科学与工程学报 2 0 1 3丘 表 1 钢结构体 系和混凝土结构体 系的 比较 Ta b. 1 Co m p a r i s o n s of S t e e l St r uc t ur e S y s t e m an d Co nc r e t e S t r u c t u r e S y s t e m 结构体系 性能指标 钢结构 混凝 土结构 对建筑功能影响 小 大 优 具 有较 好 劣 结 构 变 刚 ; 结 的 延 性 和 抗 构体系延性 较差 ; 受 力 性 能 震性 能 在 自重 作 用 下 剪 力墙出现拉力 对边坡 小 结 构 自重 大 结 构 自 重 较 较小 , 对 支座 大 , 对坑 口及 坑底 对边 作用力 作用力小 支座处作用力大 坡的 高 结构 自身刚度 要求 对支座变 低 较 大, 对坑 顶支座 位 限制 变位 限制较高 高 剪力墙 形态 弯 模板要求 无 曲, 施工模 板不 易 制作 施 工工艺 高 施 工过程 中需 及工期 要脚 手 架满 堂 支 支撑脚手架 低 撑 ,并且 对 刚 度、 强度要求较高 施工工期 短 长 结构 自身费用 高 低 施 工造价 施工措施 费 低 高 鉴 于该 工程 结构较 为 复杂 、 特 殊 , 进 行 了性能化 抗 震设 计 , 对 关键 部位 提 出了较 高 的性 能 目标 坑顶 支座“ 大震不屈服” ; 坑顶转换桁架 、 多塔结构连接部 分钢梁 、 坑 内结构主构件 柱、 支撑 、 主梁 “ 中震 弹 性” ; 多塔结构连接部分楼板“ 抗剪 中震弹性” 。具体 分析参见文献[ 1 ] , [ 2 ] 。 3 主体 钢结构构件 与节点设计 主体结构采用带 支撑 钢管混凝 土框架结构体 系, 其中带支撑框架 中的框架柱采用了受力性能和 经济性较好 的钢管混凝土柱Ⅲ 3 ] 。这种结构体系提 供 了多种传力途径 , 形成 了由钢 支撑、 钢管混凝 土 柱一 钢梁框架等组成的多道抗震防线。 坑 内结构 竖 向构 件倾 斜, 存 在一定 的 P△效 应 , 结构顶部和底部均受到约束 , 受力特点较 为特 殊 , 坑内结构主构件“ 中震弹性” 。坑内框架梁不仅 承受弯矩, 而且承受较大的轴力 , 需要按压弯构件进 行 设计 。 结构主要的钢管混凝土柱截面尺寸为 0 5 0 0 ~ 06 0 0 mm, 钢板厚度为 2 5 ~3 0 mm, 钢管混凝土柱、 钢框 架梁 钢材 材质分 别采 用 Q3 4 5 B及 Q3 4 5 C, 管 内 填充混凝土强度等级为 C 5 O ~C 8 0 。按照文献[ 1 o ] 中附 录 F圆形钢 管 混凝 土 构 件设 计方 法 , 编制 E x c e l 计算表格。圆钢管混凝土柱在地下室部分外包 混 凝土 , 采用 钢管混 凝土 叠合 柱 图 4 的形 式 , 这 样 既解决了钢结构防腐及防水 问题 , 又方便与混凝土 梁 的连 接 。图 4中, L 为 栓钉 长 度 。框 架 梁 和 钢 支 撑 均采用 焊接 H 型钢 , 钢支 撑和 钢管 混凝 土 柱在 坑 底混凝土部分的节点采用构造钢梁连接段和内锚板 以传递水平分力 图 5 。构造钢梁两端均连接钢管 混 凝土 柱 , 其 腹板 和翼缘 设置 栓钉 ; 在钢管 混凝 土柱 内部 的锚板 和钢支 撑腹 板对齐 。 图 4 水下部分的钢管混凝土叠合柱 Fi g . 4 S t e e l Tu b e - r e i n f or c e d Co nc r e t e Co l u mn Un de r wa t e r 圆钢 管混 凝土 柱 . t E 影 lA 内锚板 水下 混凝 土 部 分面 标 \ / i ,{ 日 . l- . t , I . 1. . r .’ 1 混凝土墙 ● ‘£ . 【 ‘ _ 1 B’ 5 66 I J 。 .’ ‘ 。 一 ‘ { , 0。 . . . , 。 . . -连 轻 构 造 钢 粱 ’ ⋯ 】 ⋯ J 铺 橥 i 筠 是 蒺 ●● _ ’ ’ ’ . .钢昝混凝 . 十 6 f 图 5 钢 支 撑 与 地 下 剪 力 墙 连 接 节 点 单 位 mm F i g . 5 C o n n e c t i o n J o i n t o f Br a c e a n d Un d e r g r o u n d S h e a r Wa l l Un i t mm 为加强坑顶在两侧圆弧形曲线客房单元和中部 的竖 向交通单元连接处楼板的环向刚度 , 保证结构 的整体性能 , 加大楼板配筋并设置水平钢桁架 图 6 , 局部 力较 大的楼 板采 用带肋 钢铺板 组合 楼板 。 4坑顶跨越桁架设计 4 . 1桁 架主 结构 在坑顶采用钢桁架作为跨越结构支撑上部 2 层 裙房 的部分结构, 部分钢桁架为转换构件。设计 中 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 哈 敏 强 , 等 世 茂深 坑 酒店钢 结 构设计 1 1 9 一 l l , V / l 1 0 I 名 a 水 平 支撑 与 钢梁 斜 交 节 点 b 水平 支 撑 中 间节 点 图 6水 平 支 撵 节 点 Fi g .6 J o i n t s of Ho r i z o nt a l Br a c e s 转换桁架结构杆件保持“ 中震弹性” 设计 , 其上弦所 在楼层处相应 的楼板加厚 到 1 8 0 1 T I IT I , 并且双层 双 向配筋。桁架构件设计时须取不 同楼板刚度模型的 计算结果包络值 , 严格控制框支钢管混凝土柱的承 载力 。 坑顶跨越钢桁架一端和坑内的酒店主体结构相 连 , 另一端在下弦 B 1 层 采用铰接支座支撑在坑 口 的基础梁上 , 并且在下弦 B 1层 设置 1 8 0 m1 2 3 . 厚钢 筋混凝土现浇组合楼板和坑 口的基础梁连成整体 , 基础梁和坑顶外围地下室底板连成整体 , 为酒店 主 体结构提供水平方 向约束。 B 1 层部分桁架腹杆影响建筑走道宽度 , 为满足 建筑功能, 局部位置的桁架设计为再分式腹 杆体 系 桁架 图 7 。 0 Il丹 万 氏 腥 ll Il 杆 桁 架 l \ / . 一 一 7 - , , / 、 、∥ I / I 结 构 钢 桁 架 I 图 7再 分 式 腹 杆 体 系桁 架 单 位 mm F i g . 7 T r u s s o f S u b d i v i d e d We b S y s t e m U n i t ram} 4 . 2桁 架钢 支座 结构在坑顶部位受到很强的约束 , 坑顶支座安 全性对整个结构在地震作用下的性能产生很大的影 响 , 因此 需要 对坑 顶支 座特 别加 强安 全储备 , 对 支座 按“ 大震不屈服” 设计。支座 内力除需考虑恒载 、 活 载等常规组合外 , 还应考虑大震作用 含大震支座强 迫位移 进行设计 。钢支座选用 了可同时承受较大 竖 向荷 载 和水平荷 载 的 固定 钢铰 支座 图 8 。 固定 钢铰 支 座 图 8 桁架端部 固定钢铰 支座 Fi g .8 Fi x e d St e e l Hi ng e Su pp o r t o f Tr u s s i n t h e En d 5 楼板设计 5 . 1 楼 板 刚度 对结 构主构 件 受力 的影 响分 析 分析中将结构中的楼板设计 为弹性楼板 , 建立 楼板面内刚度为实际刚度和楼板刚度取 5 实际刚 度 的 2个 计 算 模 型 , 对 跨 越 桁 架 中 典 型 构 件 在 恒 载 活载 设 计 值 下 的 内 力 进行 比较 表 2 。5 实 际楼板刚度下 , 桁 架弦杆 内力较 大, 实 际楼板刚度 下 , 桁架腹杆内力较大 。相应地 , 构件设计时须取不 同楼板刚度模型计算结果的包络值。 表 2 不同楼板刚度模型下的桁架杆件 内力 比较 Ta b .2 Compa r i s on s o f I nt e r na l Fo r c e s of Tr U S S M e mb e r s Un de r Di f f e r e nt Sl ab S t i f f ne s s kN 桁架某上弦 桁架某下弦 桁架某下腹杆 楼板面内刚度 杆件轴力 杆件轴力 杆件轴力 实际刚度 2 O 1 0 1 7 5 8 3 5 5 O 5 实际刚度 5 5 6 9 6 4 2 0 2 2 4 2 5 . 2楼 板构 造 钢框 架普通楼层 区域 采用 1 4 0 mm 厚 组合楼 板。鉴于结构平面较为狭长 , 为 了提高结构 的整体 性能及楼板平面内的刚度 , 组合楼板应能满 足楼板 双向受力和配筋的要求 。这点和通常钢结构体系中 楼板 为单 向受 力 的组合 楼板 有较 大差 异 , 因此 , 楼板 选用 可双 向受 力 的钢桁 架楼 板 。 结构在地下 2层及以下部分被抗震缝分割为 2 个单 体 , 嵌 固层 设 在 B 1层 和 B I 4层 。分 析 模 型 中 将嵌固层连接部分 的楼板设为弹性板 , 采用膜单元 模拟 , 计算板厚度 1 8 0 mm, 取带有中震 的效应组合 进行楼板设 计。楼板设计 时考虑此处 的受剪承 载 力 , 并 另 加抗剪 钢 筋 以满足 中震作 用 下 的抗 剪 要求 。 连接楼层即 B I 4层 、 B 1层和首层均采用加强构 造措施 , 楼板采用厚度 1 8 0 1 T i m的钢桁架楼板 , 双层 双向钢筋网, 保证配筋率大于 0 . 4 。坑顶 2层及 屋面局部楼板开洞较大 , 对周边楼板及洞边构件进 行适 当加 强 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 哈 敏 强 , 等 世 茂深 坑 酒店钢 结构 设计 1 2 1 2 结构 上端 有 很 强 的约 束 , 刚 度 较 大 , 因此 结 构体系选取了延性较好的钢框架一 支撑结构 , 钢管混 凝土的采用减小 了柱截面。 3 坑顶跨越桁架为整体结构提供 了强大的水 平支撑作用 , 必须重点加强。 4 楼板 刚度 对构 件受 力有 显著 影 响 , 设计 时 须 取不同楼板刚度模型的计算结果包络值。 5 采用带肋钢铺板组合楼板可有效解决混凝 土 板受 拉 的问题 。 参 考文 献 Re f e r e n c e s [1] 汪大绥 , 陆道渊 , 陆益呜 , 等. 世茂 深坑酒 店 总体结 构 设计[ J ] . 建筑结构 , 2 0 1 1 , 4 1 1 2 7 6 - 8 2 . W ANG Da s ui ,LU Da o y ua n,LU Yi mi ng,e t a 1 . Ov e r a l l St r u c t ur a l De s i gn o f Sh i ma o Cha s m H o t e l [ J ] . B u i l d i n g S t r u c t u r e , 2 0 1 1 , 4 1 1 2 7 6 8 2 . [2] 哈敏强 , 陆益鸣 , 陆 道渊 , 等. 世茂 深坑酒 店结 构弹 塑 性时程分析[ J ] . 建筑结构 , 2 0 1 1 , 4 1 1 2 8 3 8 6 , 1 0 0 . H A M i n qi a n g,LU Yi mi n g,LU Da o yu an,e t a 1 . El a s t i c pl a s t i c Ti me - hi s t o r y An a l y s i s o n t he St r uc t u r e o f S h i ma o C h a s m Ho t e l [ J ] . B u i l d i n g S t r u c t u r e , 2 0 1 1 , 4 1 1 2 8 3 8 6 , 1 O 0 . [3 ] 钟善桐. 钢 管混 凝 土结 构[ M] . 北 京 清 华大 学 出版 社 , 2 0 0 3 . ZHONG Sha n t ong . Conc r e t e - f i l l e d S t e el Tu bul a r S t r u c t u r e s [ M] . B e i j i n g Ts i n g h u a P u b l i s h i n g Ho u s e , 2 OO3 . [4 ] 杨富社 , 徐 春龙 , 王晋 国. 基 于地震 响应 时程的多层轻 钢结构特性[ J ] . 长安大学学报 自然科学版 , 2 0 1 2 , 3 2 4 5 5 6 0, 87 . YANG Fu s h e ,XU Ch u n - l o n g,WANG J i n - g u o . 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