高层钢结构公寓式酒店设计.pdf

第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 高层钢结构公寓式酒店设计 吴景松 上海建筑设计研究院有限公司，上海2 0 0 0 4 1 摘要本文通过中福城三期高层钢结构公寓式酒店的工程实例，对钢管混凝土柱 混凝土剪力墙的结构体系、钢结构节 点设计、钢结构防火防腐设计、钢结构防渗设计作了比较详细的介绍。 关键词钢管混凝土柱、H 型钢、现浇楼板 改革开放尤其是入世以来，我国的钢产量有了很大的提高，但是在用钢量中，建筑钢结构用钢量所 占的比例仅为1 ．5 ％，这与我国作为产钢大国的地位是极不相称的。一方面是因为钢结构自身具有科技 含量较高，利于环境保护，且可再生利用等优点，另一方面是由于我国钢产量大幅度增加，世界钢产量日 趋饱和，钢材价格随之下降，所以近年来我国开始大力推广钢结构，鼓励采用钢结构。建设部等部门也 为此制定了加速推广建筑钢结构发展和应用的目标，确定”十五”期间以推广住宅钢结构为重点，力争在 ”十五”期间使我国建筑钢结构用钢量达到全国钢材总产量的3 ％，到2 0 1 5 年达到6 ％；上海市也制定了在 房地产开发中鼓励采用钢结构的政策。在政府的产业政策导向下，我院陆续设计了一些钢结构大楼，其 中中福城三期是由我院自行设计的高层轻型钢结构公寓式酒店，由上海市第三建筑工程公司承建，2 0 0 2 年5 月开始打桩，2 0 0 2 年7 月挖土，计划于2 0 0 2 年1 0 月结构封顶。钢结构强度高、自重轻、结构尺 寸小、施工速度快的优点在此工程中得到了充分体现。 1 工程简介 标堆屡早蕾 吴景松，女，1 9 7 0 ．1 出生，学士，高级工程师 中福城三期位于上海市山东路与延安路交界处，基 地占地面积7 5 5 4 平方米，工程总建筑面积为5 ．2 万平方 米，由上海金福外滩置业有限公司投资，上海建筑设计 研究院有限公司设计。 本工程为钢管混凝土柱．剪力墙简体结构，地下一 层，层高4 ．2 5 米，地上三十层，层高2 ．8 米，檐口标高 8 7 ．4 0 米，塔楼标高9 7 ．6 0 米。其地下一层为车库，地上 一层为多功能用房，其余均为公寓式酒店，二十五至三 十层平面有局部退进。此工程的建筑功能相对简单，柱 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 网由于车库的需要采取了大柱网 8 M x 8 M 尺寸。另外，业主对施工进度的要求较高，建筑隔墙采用 新型轻质材料又得到了业主的支持。 高层钢结构公寓式酒店采用的框架柱有H 型钢柱，钢管砼柱和钢骨砼柱，后两种为组合柱。组合 柱比H 型钢柱省钢，进而也就可以降低工程造价，但是，钢骨砼柱的施工较钢管混凝土柱施工复杂。 在这种情况下，本工程采用了钢管混凝土柱 混凝土核心筒、钢梁及混凝土现浇楼板的结构体系。 2 结构体系 本工程采用钢管混凝土柱 混凝土核心筒竖向结构体系， 柱网采用钢框架，楼梯及电梯间采用现浇钢筋混凝土核心双 筒。钢框架部分主要承担竖向荷载，侧向力主要由混凝土核心 筒承担，其结构布置如图所示。 2 ．1 结构计算 主，。羔，乙～L 矗一～二，。工。k 譬 本工程采用中国建筑科学研究院编制的S T S ．S E T 、ⅣE 计算 梅壤攫肇转早蕾 软件 高层钢结构设计计算．高层建筑结构空间有限元分析软件 ，结构分析采用三维空间建模体系，水 平地震力采用振型分解反应谱法，考虑藕连、扭转影响，1 8 种振型。其软件计算结果如下表 表一 顶点位移层间位移周期 X 向Y 向x 向Y 向 T 1T 2T 3 S A T S E T W E1 ／7 5 81 ／9 2 1l ／6 5 ll ／7 3 l2 ．5 3 02 ．1 6 11 ．7 1 6 在设计中，由于假定侧向力由混凝土核心筒承担，竖向力由混凝土核心筒和钢管混凝土柱共同承担， 所以其结构的层间位移、顶点位移按上海市高层建筑钢结构暂行规定D B J 0 8 3 2 9 2 ，并参照了高层混 凝土规范J G J3 9 l 中框架一剪力墙结构的位移标准，控制在△u ／H l ／6 5 0 ，u ／H l ／7 0 0 。从计算结果 可以看出，本工程基本满足要求。 2 ．2 结构设计 本工程地下一层均为现浇钢筋混凝土结构，地上为钢管混凝土柱 混凝土核心筒，这种体系大大减 小了柱的截面尺寸，相应增大了使用净面积。 由于地下部分为大面积地下车库，且除主楼外的顶板处有5 0 0 厚的覆土，所以为有利结构的整体性， 同时为便于钢管混凝土柱底脚的埋设，加快施工进度，地下室部分采用了现浇钢筋混凝土结构。 地上部分钢管混凝土柱采用Q 3 4 5 B 的钢材，内灌C 6 0 混凝土，此柱最大的优越性在于钢管混凝土 利用钢管和混凝土在受力过程中的相互作用使混凝土处于复杂应力状态下，从而使混凝土的强度得以提 高，塑性和韧性性能大为改善；同时由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而保证材 直径钢管 K N L ．7。混凝七柱 1 N 钢管混壤土柱 1 N 巾5 0 04 8 5 04 4 8 01 2 8 0 0 由4 0 03 8 6 02 8 1 07 8 0 0 由3 5 0 2 7 1 02 1 7 05 8 0 0 ．3 0 7 ． q。q。H。谨。I。山。．。m乙 ，II。，|．-． ．， ． 。l巧『丸；o． r●．-I1．●{事，}，，f● 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2 0 0 8 年 本工程地上一至十二层采用由5 0 0 及由5 5 0 钢管柱，十三至二十二层采用由4 0 0 钢管柱，二十二层 以上采用由3 5 0 钢管柱，混凝土核心筒采用4 0 0 厚及3 0 0 厚，标号c 5 0 柱脚的埋设采用预埋螺栓的方 法，将首层楼板加厚，作为嵌固层 。工程的填充墙采用1 5 0 厚轻质砂加气混凝土砌块，体现了钢结构 的优势，增加了有效使用面积，减轻了结构的自重，节约了基础的造价 基础底板厚度仅为1 3 0 0 删m ， 在纯混凝土结构中这种柱的尺寸、底板的厚度，是绝对不可能实现的。 标准层框架梁部分采用Q 3 4 5 H 型钢 主框架部分采用 H 4 5 0 【1 5 0 x 8 x 1 4 ， 次梁部分主要采用H 4 0 0 x 1 5 0 x 8 x 1 3 和，七、m。，妒，， H 3 0 0 x 1 5 0 x 6 ．5 x 9 。钢梁在设计时，采用了钢一混凝土组合梁断面进 ；{ lll| 】 l 嗣 行计算，这样可以充分发挥钢材和混凝土两种材料的受力特点，同刖彳 芋 | { } l l 三一 时也可以有效得控制结构位移。 l 目l i {l ’ 2 ．3 节点设计 t 矗 I } 。l 蝴 摊々瞅城谢 工程中框架钢梁和钢管柱的连接采用刚接，钢梁和混凝土剪力 。盔 墙的连接、主梁和次梁的连接采用铰接。钢梁仅在梁腹板处采用高辫蠢卜俐，磊搽 强螺栓连接，大大减少了现场工作量，简化了钢结构的安装程序，罐■卜牛崩。’缫式r 纩 提高了钢结构的安装速度。其节点设计如图所示 。 、影。。 钢管柱的设计按每3 4 层为一个运送单元，钢梁设计按每柱间 雠撒张’删。 为一个运送单元，这样基本体现了制作工厂化、施工装配化的优势。 钢管柱的拼接在楼面上1 M 处，待拼接完成后，再将耳板割除，既不影响外观，又便于施工。 2 ．4 楼板设计 钢结构中，楼板采用压型钢板 现浇混凝土的做法非常普遍，这种做法有其一定的优越性，如可 以省去混凝土模板、可以减少楼板钢筋等。但是这种做法在本工程中有其一定的缺陷 目前建筑市场的装修房逐渐普及，本工程中业主也打算在交付使用时完成房屋的装修。但是本工程 层高较底，仅2 ．8 米，业主交房时楼板下直接做粉刷，不做吊顶，而压形钢板较薄，仅为l 公分左右， 这样易被混凝土小石块砸出凹坑，影响装修效果。压形钢板的跨度有限，其最大的跨度约为3 ．3 M ，而 本工程中楼板的跨度多为3 ．9 M 和4 ．0 M ，有的甚至达到了4 ．2 M ，这样的楼板体系也不适合采用压形钢 板。本工程中压形钢板上仍必须做约1 1 0 厚的混凝土正浇层，内配构造钢筋，这并不能节约很多造价， 也不能减轻结构自重，但会增加投资。采用压形钢板的另一优越性在于，组合板的施工无需支撑，压形 钢板的铺设可以和钢结构的安装交叉作业，但实质上直接采用混凝土现浇板通过采取一定的技术措施， 做好详细周密的施工组织计划，这样的结果同样可以达到，并不会拖延施工速度。 在这种情况下，设计时就直接采用了混凝土现浇楼板。在实际施工中每隔四层架设一次模板、浇筑 混凝土，以方便钢结构的安装，其余楼板的浇筑在以后内部设备安装阶段进行，这样就不会影响结构的 施工工期，并可使结构封顶的日期大大提前。 3 防火及防腐设计 根据高层民用建筑设计防火规范 G B5 0 0 4 5 ．9 5 的规定，1 9 层以上的住宅防火等级为一级， 构件的耐火极限为柱≥3 小时，梁≥2 ．0 小时，楼板≥1 ．5 小时。又根据建筑结构设计统一标准 G B J 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 6 8 ．8 4 的规定，民用住宅的设计基准周期为5 0 年。钢材在受热后其强度会大幅度下降 ≥5 5 0 ℃下降 为零 ，在空气中锈蚀后也会影响结构的耐久性，因此如何解决钢材的防火及防腐成了非常关键的问题。 在本工程中结构防火、防腐设计原本打算采用耐火耐候钢，以减少防火涂料、省去防锈漆、降低维 护成本。但是，由于耐火耐候钢在国内仅宝钢集团独家生产，而且其每年的产量并不高，这样有可能会 使钢材的成本大大提高，并对工期产生一定的影响，所以本工程仍采用了常规Q 3 4 5 钢材，在防护设计 上想办法、动脑筋。 钢柱涂水性无机富锌底漆后，采用5 0 厚 夹层以上 及7 5 厚 夹层以下 C 2 0 混凝土，内配构 造钢筋。钢梁涂水性无机富锌底漆后，环氧云铁中间漆，氯化橡胶面漆。 之所以选择水性无机富锌底漆，是因为此种材料的耐腐蚀性较好，耐久年限较长，可以达到设计要 求的5 0 年基准周期，在多项大型钢结构设计中都采用了此种材料，如浦东国际机场、上海科技馆、 上海海洋水族馆、上海八万人体育场等。这种材料特有的阴极保护、自愈封闭和钝化“三重防腐蚀功能” 确保了钢材的长效防腐蚀，而且这种材料在经过耐火实验后，钢材表面仍保持了良好的涂层，这样就确 保了构件的耐火极限。 4 墙体材料 为体现高层钢结构住宅的优越性，尽可能减轻结构的自重，墙体应采用轻质材料。在本工程中，选 用了上海伊通生产的轻质砂加气混凝土砌块，这种材料的优越性很多 轻质这种产品的计算容重仅为4 0 0 6 5 0 K g ／m 2 ，为混凝土的1 ／4 ，这可以有效地减轻建筑物的自重。 保温这种产品做外围护结构时，不用辅助保温材料，即可满足严格的保温节能要求，用5 0 厚的 伊通砖就能达到一砖墙的保温效果。 抗渗这种产品内部小孔均为独立的封闭孔，直径约为卜2 毫米，能有效地阻止水分扩散，在同等 条件下，它的抗渗性比普通黏土砖高8 5 ％。 防火这种产品的原材料和产品本身均为无机物，绝不燃烧，其1 0 0 厚的墙体耐火极限≥4 ．O 小时。 伊通砌块另配有专业的建筑构造图9 8 沪J ／T 一1 0 5 和施工验收规程D B J ／C T 0 0 2 9 9 ，给施工带 来了很大方便，对墙体抗渗有比较详细的说明，这便于建筑师选择合理的墙体抗渗措施。 伊通砌块虽然有很多优点，但其施工工艺相对较为复杂，在钢柱及钢梁上需加焊小角钢，这样过多 的焊接会对工期造成一定影响，也可能对钢柱及钢梁造成一定的微量变形。另外，伊通砌块作为一种新 颖轻质材料，其保温、抗渗、防火性尚未得到时间的考验，如果5 0 年后，它还能保持良好的性能，这 种材料将更会受到建筑师的欢迎。 钢结构工程自重轻、施工速度快、建筑产业化和利于环境保护的特点已越来越为人们所重视，在全 国各地都陆续出现了一批钢结构住宅，如山东莱钢樱花园小区、上海陆海城、上海化工大厦等，相信在 未来不长的时间中，钢结构住宅将会越来越多得出现。 ．3 0 9 ． 痢f 日十㈣“R 琏m ≈蜘学* 会“镕t2 0 0 H 年