余向前

(重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015)

重慶萬達(dá)艾美酒店超限結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

余向前

(重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015)

在高層五星級(jí)酒店建筑中，由于功能需要，結(jié)構(gòu)采用大跨度、大開洞、通高柱等形成大空間，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超限的情況較為普遍。文章結(jié)合重慶萬達(dá)艾美五星級(jí)酒店結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程實(shí)例，提出了此類大空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的一些問題和宜采取的結(jié)構(gòu)措施，提及了此類結(jié)構(gòu)的施工要點(diǎn)。并指明在高層星級(jí)酒店超限結(jié)構(gòu)中采用斜交網(wǎng)狀梁樓蓋、大跨預(yù)應(yīng)力樓蓋能夠有效降低層高，控制裂縫及撓度，確保建筑功能，且通過對(duì)超限部分抗震分析、對(duì)比，采取一定抗震加強(qiáng)措施后，能夠保證結(jié)構(gòu)安全。

高層建筑； 大跨度； 斜交網(wǎng)狀梁； 預(yù)應(yīng)力； 結(jié)構(gòu)超限； 抗震措施

1 工程概況

重慶萬達(dá)艾美五星級(jí)酒店位于重慶市五大商圈之一的南坪商圈中心。酒店建筑面積為5.5×104m2，為帶裙房的單塔結(jié)構(gòu)，地下2層，地上裙房6層，地下層及裙房為車庫、宴會(huì)廳、夜總會(huì)、咖啡館、雪茄吧等酒店配套用房(層高5.00～7.80 m不等)，裙房以上塔樓為15層(層高3.40 m)客房。塔樓與裙房之間為高2.20 m的設(shè)備轉(zhuǎn)換夾層。結(jié)構(gòu)從地下室地坪起算，主體高度為101.50 m，為A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑。結(jié)構(gòu)相關(guān)信息見表1。

表1 項(xiàng)目結(jié)構(gòu)相關(guān)信息

2 結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)平面及豎向布置特點(diǎn)

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 酒店二層為入口大堂，為讓大堂顯得雄偉大氣，左側(cè)第1～4跨在二～三層為兩層通高，導(dǎo)致酒店三層(結(jié)構(gòu)四層)出現(xiàn)樓板大開洞，形成薄弱層。大堂抽去了一根框架柱，導(dǎo)致酒店四～五層(結(jié)構(gòu)五～六層)裙房形成了16.40 m×19.90 m的大跨度空間。

(2) 酒店五層大宴會(huì)廳部分，為體現(xiàn)豪華星級(jí)酒店的空間要求，抽掉了中間的8根框架柱，且兩層空間貫通，形成長×寬×高為40.0 m×32.60 m×10.40 m的大跨度空間，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來一定的困難，并導(dǎo)致酒店六層(結(jié)構(gòu)七層)出現(xiàn)樓板大開洞，形成薄弱層。

(3) 酒店裙房頂層與塔樓中間為總高2.20 m的設(shè)備轉(zhuǎn)換夾層，此層柱截面為0.80 m×0.80 m以上，極易形成剪跨比小于2的短柱或剪跨比小于1.5超短柱，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。且因?qū)痈咻^小，故此層剛度較大，導(dǎo)致裙房頂層及下一層成為結(jié)構(gòu)薄弱層。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算及措施

本工程采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM·CAD工程部研發(fā)的多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)件配筋。對(duì)上節(jié)所述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及難點(diǎn)，分別采用不同設(shè)計(jì)措施進(jìn)行處理。

2.2.1 斜交網(wǎng)狀梁設(shè)計(jì)

對(duì)結(jié)構(gòu)五～六層形成的16.40 m×19.90 m的大跨度空間，采用斜交網(wǎng)狀梁結(jié)構(gòu)形式(圖1)。這樣能使大矩形的四個(gè)角點(diǎn)處的較短次梁起一定的支撐作用，讓大跨跨中樓板上荷載產(chǎn)生的力通過次梁逐步傳到邊框主梁上，有效減小長梁跨中撓度及裂縫，且由中間樓蓋傳給周邊結(jié)構(gòu)的力較為均勻，樓蓋整體剛度較好，在一定程度上減小了周邊主梁所受扭矩，更符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。邊框梁設(shè)計(jì)成0.60 m×0.80 m、0.70 m×0.90 m等寬扁梁,以便次梁鋼筋的錨固。中間次梁截面為0.3 m×0.75 m等高，次梁等截面設(shè)計(jì)的目的是即使不吊頂，也顯得較為美觀(圖2)。次梁的內(nèi)力按周邊簡支的情況計(jì)算，但次梁的端部配置必要的構(gòu)造鋼筋。面板配置雙層雙向通長鋼筋，且配筋率不小于0.25%，確保大跨度樓蓋的整體性。結(jié)果表明，跨度較大時(shí)采用斜放布置，周邊主梁和中間次梁的截面均有所減小，有效增加凈高，且網(wǎng)狀梁系布置較有建筑美感，結(jié)構(gòu)虛實(shí)得當(dāng)，顯得較輕盈，兼具結(jié)構(gòu)的力量、理性之美和建筑的韻律之美，即使不吊頂，也有很好的視覺效應(yīng)。

圖1 斜交網(wǎng)狀梁示意

圖2 斜交網(wǎng)狀梁實(shí)景

2.2.2 大跨后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力次梁設(shè)計(jì)

對(duì)宴會(huì)廳部分因抽柱在結(jié)構(gòu)七層、八層形成的長×寬×高為40.0 m×32.60 m×10.40 m的大跨度空間，屋蓋考慮采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗裂性好、剛度大，大大推遲了裂縫的出現(xiàn)，增加了結(jié)構(gòu)的耐久性。且節(jié)省材料，減小自重，對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)有著明顯的優(yōu)越性。

先張法與后張法的比較與思考。先張法是在混凝土構(gòu)件預(yù)制過程中對(duì)其預(yù)先施加應(yīng)力，施工簡單，靠粘結(jié)力自錨，臨時(shí)錨具可以重復(fù)使用，質(zhì)量穩(wěn)定，適用于中小型構(gòu)件工廠化生產(chǎn)。不足之處是需要較大的臺(tái)座或成批的鋼模、養(yǎng)護(hù)池等固定設(shè)備，一次性投資較大；預(yù)應(yīng)力筋布置多數(shù)為直線型，曲線布置比較困難。相比之下，后張法的預(yù)應(yīng)力效果更好，因?yàn)橄葟埛ㄔ诨炷聊毯蟪废A(yù)應(yīng)力時(shí)，混凝土與鋼筋間還有一個(gè)受力的平衡過程，會(huì)損失一部分預(yù)應(yīng)力，而后張法在錨固后預(yù)應(yīng)力損失很小。如采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力應(yīng)先澆混凝土，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75 %以上，再張拉鋼筋(鋼筋束)，其主要張拉程序?yàn)椋郝窆苤瓶住鷿不炷痢楣堋B(yǎng)護(hù)穿筋張拉→錨固→灌漿(防止鋼筋生銹)，其傳力途徑是依靠錨具阻止鋼筋的彈性回彈，使截面混凝土獲得預(yù)壓應(yīng)力，這種做法使鋼筋與混凝土結(jié)為整體。應(yīng)注意的是有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土由于粘結(jié)力(阻力)的作用使得預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力降低，導(dǎo)致混凝土壓應(yīng)力降低，所以應(yīng)設(shè)法減少這種粘結(jié)。這種方法設(shè)備簡單，不需要張拉臺(tái)座，生產(chǎn)靈活。

綜上所述，本工程屋蓋采用后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋次梁的作法能有效控制裂縫及撓度。次梁間距根據(jù)受力需要為1.50 m、1.65 m、1.80 m不等，截面等高為0.3 m×1.70 m(YL1)、0.45 m×1.70 m(YL2)兩種，跨度為32.60 m，垂直于次梁方向每隔4.0 m設(shè)置一道截面為0.3 m×0.70 m的聯(lián)系梁(L1)，以加強(qiáng)樓蓋的橫向剛度。邊框梁截面為0.7 m×1.50 m，跨度為8.40 m、11.50 m兩種(圖5)。為避免次梁對(duì)主梁產(chǎn)生的扭矩太大，預(yù)應(yīng)力次梁采用橡膠支座支撐在主梁上，次梁按簡支計(jì)算。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)低松弛鋼鉸線,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 N/mm2。錨具采用夾片式群錨。張拉控制應(yīng)力σcom=0.75fptk，要求梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到百分之百設(shè)計(jì)強(qiáng)度方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。按規(guī)范對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力次梁進(jìn)行承載力計(jì)算和撓度、裂縫寬度和應(yīng)力等進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足規(guī)范要求(圖3～圖7)。

圖3 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力次梁布置

圖4 預(yù)應(yīng)力梁下鉸結(jié)支座

2.2.3 薄弱層分析及設(shè)計(jì)措施

從前述可知，星級(jí)酒店功能復(fù)雜，因開洞和通高等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度在第四層、七層、八層相對(duì)較弱，形成對(duì)結(jié)構(gòu)抗震非常不利的薄弱層。

2.2.3.1 結(jié)構(gòu)第四層采取的措施

結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)將此層強(qiáng)制指定為薄弱層，地震剪力放大系數(shù)取1.15，按計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，以提高此層的抗震能力。

2.2.3.2 結(jié)構(gòu)第七層、八層處理措施

JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》)5.1.14條要求，將第七層、八層地震剪力放大系數(shù)取1.15，同時(shí)，結(jié)合《高規(guī)》5.1.13條進(jìn)行計(jì)算分析，現(xiàn)將分析結(jié)果及采取的相應(yīng)結(jié)構(gòu)措施分列如下：

圖5 YL1、YL2預(yù)應(yīng)力筋束形

圖6 預(yù)應(yīng)力次梁樓蓋實(shí)景

圖7 預(yù)應(yīng)力次梁錨固端

(1)采用建筑結(jié)構(gòu)通用分析與設(shè)計(jì)軟件廣廈GSSAP程序進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移復(fù)核計(jì)算，結(jié)果表明與SATWE計(jì)算結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)基本吻合，均滿足規(guī)范要求。抗震計(jì)算時(shí)，振型數(shù)取24，滿足《高規(guī)》5.1.13條第2小條相應(yīng)要求。按設(shè)防烈度為6度，分小震彈性、中震彈性和中震不屈服三種采用SATWE程序進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)層間位移角和層平均位移基本保持了與地震作用的線性比例關(guān)系，說明地震作用下原結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)采用EPDA動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算(選用天然波1、天然波2和人工波4計(jì)算)，根據(jù)補(bǔ)充計(jì)算結(jié)果，整體計(jì)算時(shí)將結(jié)構(gòu)第21～26層地震作用系數(shù)按1.15放大。按照時(shí)程分析結(jié)果，從梁、柱、墻塑性鉸以及墻體開裂統(tǒng)計(jì)情況可以看出，本結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件——電梯處核心筒在罕遇地震下的塑性發(fā)育還很有限，基本處于彈性階段，柱子出鉸數(shù)量較少且剛度退化普遍不是很嚴(yán)重(以剛度退化至0.1來控制，柱鉸數(shù)量為零)，僅有個(gè)別局部關(guān)鍵構(gòu)件需要進(jìn)行人為加強(qiáng)。罕遇地震下最大層間位移角為1/664，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許的結(jié)構(gòu)薄弱層彈塑性層間位移限制1/100，因此罕遇地震作用下本結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件的破壞程度不是很嚴(yán)重，尚可繼續(xù)耗散地震能量，可以滿足6度區(qū)罕遇地震作用下彈塑性變形的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)“大震不倒”抗震設(shè)防目標(biāo)(表2、圖8、圖9)。

表2 最大層間位移角

(2)將結(jié)構(gòu)第七層、八層、九層柱抗震等級(jí)定義為二級(jí)進(jìn)行計(jì)算配筋，同時(shí)柱箍筋全高加密，增強(qiáng)地震時(shí)對(duì)混凝土的約束，以改善此三層柱的受力性能。第七層、八層大跨周邊框架柱按雙偏壓進(jìn)行驗(yàn)算配筋，按計(jì)算結(jié)果的較大值對(duì)柱進(jìn)行配筋。第九層的框架梁設(shè)計(jì)為寬扁梁，梁高控制在0.5 m，保證此層短柱的剪跨比大于1.5，不致形成受力極為不利的超短柱。個(gè)別跨度較大的梁設(shè)計(jì)為跨中0.6 m高、端部0.5 m高的變截面梁(圖10)，以保證柱子的凈高不致太小。同時(shí)將此層柱全部加芯柱(滿足芯柱配筋要求，見圖11)，以加強(qiáng)短柱的變形能力，提高其抗震性能。

(a) X向地震作用下

(b) Y向地震作用下圖8 層間位移角示意

(a) X向地震作用下

(b) Y向地震作用下圖9 層平均位移示意

圖10 變截面梁大樣

圖11 第9層短柱加芯柱

(3)結(jié)構(gòu)第一～八層(裙房)柱、墻按活荷載不折減進(jìn)行計(jì)算配筋， 第九層(塔樓)以上按活荷載折減進(jìn)行計(jì)算配筋，提高受力較大的裙房部分豎向構(gòu)件安全儲(chǔ)備。結(jié)構(gòu)第六層、八層板厚取為150 mm，配筋為雙層雙向拉通，且配筋率不小于0.3 %，以加強(qiáng)薄弱層的抗震能力。

3 施工要點(diǎn)

本工程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有大跨斜放網(wǎng)狀梁、大跨后張法預(yù)應(yīng)力梁、通高柱、芯柱、變截面梁等非常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，跨度大，工序多，施工難度較大，故施工時(shí)在模板支撐、鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)等方面均應(yīng)引起足夠重視，采取相應(yīng)措施。

3.1 大跨斜放網(wǎng)狀梁施工要點(diǎn)

(1)提前做好施工支撐方案，一般采用滿堂支撐，梁底加設(shè)木頂柱等措施，模板的緊固件必須牢固。支模時(shí)應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行起拱，且待混凝土強(qiáng)度達(dá)到100 %后才拆模。

(2)鋼筋綁扎時(shí)要注意短跨次梁底筋應(yīng)在長跨次梁下面，梁頂筋也是一樣，與雙向板配筋相同，確保短跨梁作為長跨梁的有效支承。

(3)大跨混凝土不宜留設(shè)施工縫，宜一次性澆筑混凝土。對(duì)斜交梁與框架柱搭接時(shí)柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋較多的情況，宜采用細(xì)石混凝土澆筑，控制好坍落度，采用小型振搗棒，確保混凝土密實(shí)。

(4)大跨斜交樓蓋屬較大體積混凝土，澆筑后應(yīng)采取專人定時(shí)養(yǎng)護(hù)?；炷帘砻娑未陦杭铀芰喜几采w，適時(shí)灑水，確保不因混凝土收縮產(chǎn)生裂縫。

3.2 大跨后張法預(yù)應(yīng)力次梁施工要點(diǎn)

(1)采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，注意留設(shè)灌漿孔道和排氣孔，在距梁端2 m處各留孔道一個(gè)。留設(shè)方法為在每根波紋管上開洞，覆蓋海綿墊和塑料弧形壓板并與波紋管扎牢，再用增強(qiáng)塑料管插在弧形壓板的接口上，且伸出構(gòu)件頂面不小于0.5 m。

(2)本工程預(yù)應(yīng)力筋為曲線布筋，其矢高控制尤為重要。定位馬凳與波紋管交叉點(diǎn)應(yīng)焊接牢固，避免澆筑混凝土?xí)r波紋管中心矢高偏移變位。每束預(yù)應(yīng)力筋張拉端長度應(yīng)基本相同，外露長度不小于0.4 m。

(3)此部分為大體積混凝土澆筑，澆筑前應(yīng)對(duì)混凝土早、中、后期強(qiáng)度及坍落度、和易性等進(jìn)行綜合比較，摻入早強(qiáng) 劑、粉煤灰等，有效降低中心混凝土溫度和提高可泵性。從梁跨中間向兩邊對(duì)稱澆筑，梁端0.5m范圍應(yīng)特別注意振搗密實(shí)，振動(dòng)棒盡量不要接觸預(yù)應(yīng)力筋和波紋管。

(4)本工程有多根(24根)預(yù)應(yīng)力次梁，應(yīng)分批、對(duì)稱進(jìn)行張拉，避免張拉時(shí)構(gòu)件截面呈過大的偏心受壓狀態(tài)。分批張拉時(shí)，應(yīng)考慮后批預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)產(chǎn)生的混凝土彈性壓縮會(huì)對(duì)先批張拉的預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力產(chǎn)生影響，為此先批張拉的預(yù)應(yīng)力筋的控制應(yīng)力應(yīng)適當(dāng)增加。

4 綜合經(jīng)濟(jì)效益

從該工程完工后的效果來看，酒店入口大堂抽柱后視野開闊，采用斜放網(wǎng)狀梁樓蓋有效控制結(jié)構(gòu)高度，受力合理、經(jīng)濟(jì)性好，且給裝飾設(shè)計(jì)留下較大的發(fā)揮空間，大堂整體效果大氣簡潔，空間感非常好。五層大宴會(huì)廳采用預(yù)應(yīng)力次梁部分，抽柱后形成1 300 m2的無柱區(qū)域，兩層空間貫通，跨度接近33 m，結(jié)構(gòu)梁下凈高達(dá)8.7 m，可容納1 000余人同時(shí)就餐，成為婚慶、宴會(huì)等的理想場(chǎng)所。投入使用后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及整體效果得到業(yè)主方及社會(huì)較高評(píng)價(jià)，取得較好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

對(duì)建筑功能復(fù)雜、內(nèi)部空間多變的高層星級(jí)酒店，結(jié)構(gòu)采用大跨度、通高柱等形成大空間后常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗震超限。結(jié)合艾美酒店結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程實(shí)例，提出在此類超限結(jié)構(gòu)不同區(qū)域，針對(duì)性地采用斜交網(wǎng)狀梁樓蓋、大跨預(yù)應(yīng)力樓蓋等能夠能有效提高凈空、控制裂縫及撓度，確保建筑空間效果。且通過抗震分析、對(duì)比，采取芯柱、變截面梁、全高加密柱箍筋、按雙偏壓驗(yàn)算并適當(dāng)增大柱計(jì)算配筋等抗震加強(qiáng)措施，能夠保證結(jié)構(gòu)安全。并提及了此類結(jié)構(gòu)的施工要點(diǎn)，可供類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工參考。

[1] 李毅. 某五星級(jí)酒店結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺談[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì), 2015(8).

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[定稿日期]2017-08-14

余向前(1976～)，男，碩士，高級(jí)工程師，國家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)師，主要從事房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、審查等方面工作。

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