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[结构设计常规]

一个超限小高层--常规结构的设计

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五星助理工程师
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发表于 2017-11-14 14:44:20 |只看该作者 |倒序浏览
来源:iStructure微信公众号,获授权转载


长沙冰雪世界酒店超限结构设计
设计单位:华东建筑设计研究总院
之前几期文章,小 i 介绍了两个奇奇怪怪的建筑,松江南大门天幕和长沙冰雪世界。长沙冰雪世界以其难度和“大坑”吸引了很多观注。不过,大家可能没有注意到,在坑的旁边还有一座五星级酒店。我们今天就介绍一下这个相对常规的结构设计过程。

扶我一下,我能行!有点“发福”的酒店造型相比于那些动辄300米、400米的超高层结构,这个小高层酒店项目实在普通,也没有很多高大难的特点。但小i 对它“情有独钟”,各专业配合愉快,是一个非常享受的设计过程。

1  工程概况
酒店总建筑面积约6.3万m2。地下2层,塔楼建筑地上23层,总高度98米;裙楼地上4层,功能为综合商业。塔楼立面为渐变的不规则自由曲面,凹进或突出。建筑整体的重心与形心偏置,在竖向荷载作用下有倾覆的趋势,需要结构设计“扶一把”。

塔楼结构模型建筑平面像颗“花生”,平面形状和柱位随着建筑外形变化,没有标准层。甚至算上建筑面层高度内的退进,建筑边线与结构板边线也不同。设计师画平面图画得一度崩溃(不堪回首)。幸好借助了BIM支持,协调了建筑、结构、设备和幕墙的空间关系


花生形状的平面结构布置
平面尺寸约56m×29m,长宽比约为2:1。核心筒更加狭长形,长宽比约为3.3:1,因此结构X、Y方向的刚度相差较大,并且抗扭刚度较弱。
2  结构体系
塔楼的结构体系为钢框架-钢筋混凝土核心筒。为配合建筑立面的曲线形凹进、突出,大量应用了随着立面曲折的斜柱
为了满足底部大堂的使用空间和效果,底部5层以下采用V形斜柱,平面内倾斜角度约为17°。在第5层高位转换承接塔楼钢框架柱

塔楼低区结构模型:V柱、转换层
3  结构布置

因为建筑整体的重心偏置,同时V形柱内倾导致抗倾覆力臂减小,结构设计时刚度平衡和抵抗倾覆是关键点之一。
通过调整核心筒剪力墙的长度、厚度、长墙开洞,增强了结构短向的抗侧刚度以及整体抗扭刚度。对于芯筒狭长形的结构,小i 使出洪荒之力终于把位移比调到了X方向1.09,Y方向1.25(考虑偶然偏心)。


酒店层结构平面布置

酒店建筑的房间、走廊、电梯厅等不同功能区域的净高需求和设备管线各不相同。确定梁高不单单是结构专业的事,建筑协调和设备管线综合更加重要。
经过小伙伴们几轮烧脑的拍图,商定结构框架梁高500mm,房间内部的次梁高度为250mm,隐藏在隔墙内部的钢梁高度为600~650mm。
V型柱采用焊接箱形截面,700x700x35~40mm,内灌C50混凝土,以增大构件刚度和承载能力。上部钢框架柱焊接箱形截面500x500x30mm,隐藏在房间隔墙内。由于大部分楼层内存在斜柱,本项目楼面采用了平面内刚度更好的钢筋桁架组合楼板。
4  常规结构分析
首先对结构做常规的分析,包括动力特性、小震和风荷载下的整体刚度、承载力、规则性(刚度比、抗剪承载力比、位移比、质量分布等),以及构件设计、楼板应力、弹性时程分析等,在此不详细展开了。

从周期比看,设计的结构抗扭刚度较好建筑Y方向建筑迎风面较大,风荷载作用下的基底剪力约为小震的83%。因此,结构抗侧力设计由地震作用和风荷载共同控制。


X、Y方向地震力与风荷载对比
对于转换层上下竖向构件不连续,并且存在跃层柱、V柱、斜柱的情况,计算转换导上下刚度比时需特别仔细地研究,以免误判。
5  性能化设计

塔楼结构因为存在扭转不规则、V型柱、斜柱、高位转换等超限情况,需要进行超限专项审查,其抗震性能化设计目标定为C级。


5.1 V形柱V形柱是结构的关键构件,按性能化目标中震弹性设计。箱形截面内灌混凝土,有效地降低了V柱轴压应力水平中震组合下柱顶最大应力比0.81,柱底0.58(轴力为主)。
V形柱的轴压比
V柱的竖向荷载大,且跨跃了多个楼层,无支撑长度达16.0m,应验算其稳定性能。利用SAP2000对整体模型进行特征值屈曲分析,前三阶均为V形柱的屈曲模态,屈曲因子分别为24.3、25.2和26.0。表明箱形截面内灌混凝土,有效地提高了构件刚度,V柱稳定有足够的安全系数。

V形柱的屈曲模态(仅显示V斜柱)

V柱与周边构件连接较少,结构局部冗余度较低。一旦发生V形柱突然失效的极端情况,结构整体的受力状态和传力路径将发生很大变化,需要考查抗连续性倒塌能力。采用Abaqus软件模拟一组V形柱突然失效后的情况。
结果表明:V形柱失效后,上部楼层竖向变形突然增大,随后震荡减小,最终变形趋于稳定;稳定后的竖向变形约125mm,侧向位移为40mm;上部楼层钢梁出现明显塑性发展,但整体结构仍能保持稳定。

1号V撑失效后支撑点竖向变形振荡
这是由于V形柱失效后,上部众多楼层钢框架的“空腹桁架”效应明显,在一定程度变形后,竖向荷载重新分配,达到了新的稳定平衡状态。

1号V撑失效后构件的塑性分布5.2 节点

V柱和转换梁节点的受力状态复杂,应分析节点的应力和极限承载力,根据分析结果和建筑外观要求做出优化

V柱柱脚、加劲肋、内灌混凝的应力

小震组合下的Mises应力图 

5.3 转换楼层

我们可以想像,在竖向荷载下V形斜柱轴力的水平分量,将导致转换楼层内产生很大的拉力,由楼面钢梁和楼板共同承担。
为了减小楼面钢梁和楼板的应力,在本层楼板内布置预应力钢筋,才最小的代价实现了拉力的自平衡


转换楼层预应钢筋布置示意图
此外,还在转换层核心筒内布置了水平贯通的型钢,适当加强了转换层的板厚和配筋。

5.4  大震弹塑性时程

采用Abaqus软件进行罕遇地震下的弹塑性时程分析。具体结果是:1)结构最大弹塑性位移角均小于层间位移角不大于1/100的限值; 2)核心筒墙体仅在底部和顶部出现少量的轻微损坏;3)核心筒连梁较早产生损伤、刚度退化,形成良好的耗能机制,有效地保护了主体墙肢;4)V形斜柱、转换钢梁、外框架柱均处于弹性工作状态,部分钢框梁进入塑性耗能。

 连梁混凝土损伤和内嵌钢板的塑性发展

发自肺腑的说!仰仗着建设单位的支持和协调、设计团队各专业的配合、施工总包的辛苦付出,项目的整个过程非常顺利。


塔楼主体封顶

穿上了幕墙“小裙摆”

首层入口的“发卡”雨蓬结构

无柱支承的异形螺旋楼梯,稳!

长沙冰雪世界项目自从小i 工作以来,这是我参与的最省心的一个项目。2014年3月正式启动,5月完成初步设计和超限设计审查,7月完成地下室施工图,10月塔楼和裙房施工图,之后几乎没有大的修改。2015年10月主体结构封顶;2016年1月结构验收通过。已经完工的酒店在冰雪世界乐园项目旁边守望了多年,看着它一天天从“坑”里爬出来,不离不弃。不久的将来,它们将一起惊艳亮相。
项目设计单位:华东建筑设计研究总院转载本文请注明出处  iStructure微信公众号
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打赏:1土木币0工程点
天地不言
厉害
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一星工程师
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沙发
发表于 2017-11-15 11:11:12 |只看该作者
哈哈,弧形立面,高大上

0主题 3听众 1836积分
五星工程师
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板凳
发表于 2017-11-15 11:33:40 |只看该作者
谢谢楼主的分享

20主题 1听众 150积分
三星助理工程师
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地板
发表于 2017-11-15 11:44:01 |只看该作者
学习了!!没在大院基本没法接触这类设计,只能看看学习了。

0主题 8听众 3583积分
二星高级工程师
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七天大胜
地下室
发表于 2017-11-15 14:03:20 |只看该作者
谢谢楼主的资料

0主题 8听众 3583积分
二星高级工程师
Rank: 72Rank: 72
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七天大胜
6#
发表于 2017-11-15 14:08:05 |只看该作者
谢谢楼主的分享

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一星工程师
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7#
发表于 2017-11-15 15:31:20 |只看该作者
高大上的项目....

3主题 3听众 5386积分
四星高级工程师
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三十而立 七天大胜
8#
发表于 2017-11-15 17:14:17 |只看该作者
感谢楼主分享

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五星工程师
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七天大胜
9#
发表于 2017-11-16 06:15:09 |只看该作者

谢谢楼主的资料

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一星高级工程师
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10#
发表于 2017-11-16 08:11:22 |只看该作者
谢谢楼主的资料

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