8度区某高层酒店结构方案比选
杜振宇 刘祖强 薛建阳 罗峥. 8度区某高层酒店结构方案比选[J]. 建筑结构，2019，49（12）：68-72.
Du Zhenyu Liu Zuqiang Xue Jianyang Luo Zheng. Structure scheme comparison of a high-rise hotel in eight seismic degree area[J]. Building Structure，2019,49（12）：68-72.
1 工程概况
甘肃省武威市抗震设防烈度为8度, 设计地震分组为第三组, 建筑场地类别为Ⅱ类。该地区拟建一座五星级高层酒店, 地下1层, 地上13层, 结构高度58.9m, 裙房主要屋面标高17.1m, 主楼建筑总长117m, 宽度22.2m。长宽比5.27 (>5.0) , 不满足高规
图1 建筑效果图
2 结构方案对比
2.1 结构方案
因本工程主体结构高度超出8度区框架结构的最大适用高度 (58.9m>40m) , 为减少结构超限项并满足其抗震需求, 需要增设竖向抗侧构件。根据本工程抗震设防、建筑形体及平面布置情况, 针对上部主体结构提出以下3种方案:框架-剪力墙、钢支撑-混凝土框架和钢支撑-框剪结构。为便于观察, 将结构框架与剪力墙、钢支撑拆分展示, 如图2所示。
图2 各方案的上部结构构成
各方案主体结构平面主要柱距均为6, 8.4, 9m。框架梁截面宽度在1层为500mm, 在其他楼层为400mm;1～4层与裙楼连接处梁截面高度为1 100 mm, 且所有边框梁及1层其余梁的截面高度为800mm, 剩余梁截面高度均为700mm。主要结构平面布置如图3所示。
图3 结构平面布置图
(1) 框架-剪力墙方案
框架柱采用钢筋混凝土柱, 塔楼部分矩形柱截面尺寸为800mm×800mm, 圆柱直径为1 000mm;裙房部分矩形柱截面尺寸为800mm×800mm, 圆柱直径为800mm。1～5层外围剪力墙墙厚为500mm, 其他楼层为400mm, 主楼投影范围内两端和转角处均布置剪力墙, 其厚度为300mm或400mm。1～3层墙、柱混凝土强度等级为C50, 其他楼层为C40。
(2) 钢支撑-混凝土框架方案
塔楼左端和门厅入口 (图3 (a) ) 框架柱采用型钢混凝土柱, 其余为钢筋混凝土柱。塔楼底层矩形柱截面尺寸为1 000mm×1 000mm, 在2层、5层柱截面分别收进至900mm×900mm和800mm×800mm, 圆柱直径为1 000mm。裙房部分矩形柱截面尺寸为800mm×800mm或850mm×850mm, 圆柱直径为1 000mm或800mm。1～6层框架柱混凝土强度等级为C50, 其他楼层为C40, 型钢采用Q235级钢材。钢支撑为矩形截面BRB, 芯板材料采用Q235级钢材。按计算布置5种支撑, 屈服承载力分别为1 200, 2 200, 3 300, 4 200, 4 900kN。
(3) 钢支撑-框剪结构方案
框架部分构件类型及其截面尺寸, 以及钢支撑类型均与钢支撑-混凝土框架方案相同, 所有楼层在主体结构投影范围内梁端及转角处布置400mm厚钢筋混凝土剪力墙。1～4层墙、柱混凝土强度等级为C50, 其他楼层为C40, 型钢采用Q235级钢材。
剪力墙和BRB平面布置时, 除了要满足建筑设计要求外, 还要在以加强结构侧向刚度为目的的前提下尽量保证结构在X, Y向的动力特性相似, 使结构质心、刚心重合, 以降低扭转效应;立面布置时, 应避免刚度突变而形成薄弱层。为了在罕遇地震下具有更好的耗能性能并减小受力构件内力, 本工程BRB采用倒V形式进行布置。
2.2 结构超限判别
为减少结构不规则项, 参照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》
2.3 整体计算结果对比
根据计算结果得知, 钢支撑-混凝土框架结构扭转与平动周期比最大, 说明此结构方案的扭转效应大于其他方案;对于抗震规范
三种方案的整体计算结果对比 表1
|
计算结果 |
框架- 剪力墙 |
钢支撑- 混凝土框架 |
钢支撑- 框剪结构 |
|
|
周期/s |
第一阶周期 |
1.45 | 1.50 | 1.46 |
|
第二阶周期 |
1.14 | 1.42 | 1.31 | |
|
第三阶周期 |
0.95 | 1.24 | 1.06 | |
|
结构周期比 |
0.65 | 0.83 | 0.72 | |
|
最小剪重比 |
X向 |
4.6% | 5.0% | 4.3% |
|
Y向 |
5.2% | 4.8% | 4.5% | |
|
框架柱剪力比 |
X向 |
33% | 43% | 59% |
|
Y向 |
15% | 47% | 35% | |
|
框架柱倾覆 力矩比 |
X向 |
43% | 49% | 69% |
|
Y向 |
26% | 49% | 56% | |
|
竖向构件 受拉情况 |
受拉构件数 |
22 | 1 | 8 |
|
最大拉力/kN |
3 021 | 1 624.7 | 2 754.8 | |
|
混凝土受 拉应力比 |
2.558 | 0.724 | 1.477 | |
三种方案混凝土用量对比/m3表2
|
方案 |
墙 | 柱 | 梁 | 楼板 | 合计 |
|
框架-剪力墙 |
3 928 | 3 187 | 6 032 | 5 825 | 18 972 |
|
钢支撑-混凝土框架 |
1 204 | 4 063 | 6 582 | 6 098 | 17 947 |
|
钢支撑-框剪结构 |
2 343 | 4 290 | 6 789 | 6 566 | 19 988 |
三种方案钢材用量对比/t 表3
|
方案 |
钢筋用量 |
型钢 用量 |
||||
|
墙 |
柱 | 梁 | 楼板 | 合计 | ||
|
框架-剪力墙 |
327 | 433 | 932 | 469 | 2 161 | 18.4 |
|
钢支撑-混凝土框架 |
70 | 741 | 1 231 | 559 | 2 601 | 209 |
|
钢支撑-框剪结构 |
118 | 625 | 1 115 | 464 | 2 322 | 63.6 |
图4 各方案X, Y向地震作用下的层间位移角曲线
因BRB截面尺寸的选取是按照支撑在弹性时程分析下的应力比控制的, 在多遇地震下所有钢支撑应力比均控制在0.7以下, 故各方案所用BRB在进行小震弹性分析时没有进入工作状态。
3 结构弹塑性分析
3.1 模型介绍
剪力墙、楼板采用弹塑性分层壳单元及弹塑性损伤模型本构关系, 并叠加rebar-layer (采用钢材本构的分层壳单元) 考虑多层分布钢筋的作用。梁、柱采用纤维束模型, 考虑弯曲和轴力的耦合效应, 基于平截面假定, 杆件刚度根据截面几何尺寸、弹性模量和惯性矩, 沿杆件长度方向动态积分得到。混凝土本构采用弹塑性损伤模型, 所有钢材和BRB计算采用双线性随动硬化模型
3.2 分析工况信息
按照规范要求, 本次计算选取一条人工波和两条天然波, 地震波持时为15s, 主方向峰值加速度为400cm/s2, 次方向为340cm/s2, 各地震波波形见图5。
3.3 计算结果对比
3.3.1 楼层剪力与层间位移角结果
经动力时程分析, 各方案在三条地震波作用下X, Y向的楼层剪力包络曲线和层间位移角包络曲线分别如图6和图7所示。
由图6可知, 框架-剪力墙结构4层以下因布置较多剪力墙, 导致其底部剪力大于其他方案, 钢支撑-混凝土框架结构底部剪力最小, 钢支撑-框剪结构介于两者之间;在裙房以上楼层, 三种方案X向的楼层剪力基本相同, 钢支撑-混凝土框架结构Y向楼层剪力明显大于其他方案。
钢支撑-混凝土框架结构按规范插值所得弹塑性层间位移角限值为1/60, 钢支撑-混凝土框架结构和钢支撑-框剪结构为1/100。由图7可以看出, 三种结构都满足规范规定, 框架-剪力墙结构的层间位移角小于其他方案, 表明其具有更加良好的抗侧移能力, 钢支撑-混凝土框架结构因3层钢支撑布置偏弱导致位移角发生突变。
图5 地震波波形图
图6 各方案在X, Y向的楼层剪力包络曲线
图7 各方案在X, Y向的层间位移角包络曲线
3.3.2 结构耗能
图8为不同方案结构各部分在大震作用下的耗能比例。由图可知, 钢支撑-混凝土框架结构及钢支撑-框剪结构在结构总体耗能方面强于框架-剪力墙结构, 但从BRB利用情况来看, 钢支撑-混凝土框架结构优于钢支撑-框剪结构。图9给出了钢支撑-混凝土框架结构与钢支撑-框剪结构地上5层某相同位置BRB在时程分析中的滞回曲线, 从图中可以看出, 钢支撑-混凝土框架结构BRB的滞回曲线较钢支撑-框剪结构更为饱满, 表明钢支撑-混凝土框架结构中位移型阻尼器更加有效地发挥了耗能作用。
图8 大震作用下结构耗能比例示意图
图9 BRB滞回曲线
3.3.3 性能水准
SAUSAGE按高规
图10 各方案性能水准示意图
由图10可知, 框架-剪力墙结构中底部剪力墙损坏严重, 但其框架部分损伤较钢支撑-混凝土框架结构轻得多, 说明剪力墙有效分担了地震所产生的水平剪力。钢支撑-框剪结构剪力墙损坏较轻, 框架部分性能水准介于框架-剪力墙结构与钢支撑-混凝土框架结构之间。
4 结构方案对比
4.1 抗震性能对比
框架-剪力墙结构具有良好的抗侧移能力, 扭转效应较小, 并且剪力墙可以很好地分担地震水平作用。但由于剪力墙不能灵活布置, 导致结构存在薄弱层且扭转位移比大于规范要求, 使得结构超限, 并且底部受拉情况比较严重。
钢支撑-混凝土框架结构整体侧向刚度最小, 3层较为薄弱, 水平荷载作用下侧向位移较大, 结构扭转效应也较为明显, 但均满足规范要求。由于BRB的灵活布置, 使得结构不存在刚度突变, 并且各层扭转位移比均小于1.2, 减少了结构不规则项。BRB屈服情况良好, 能够有效耗散大量地震能量, 与剪力墙相比震后损坏的钢支撑构件也便于更换。
为符合建筑要求, 钢支撑-框剪结构的剪力墙均布置在Y向, 故X向侧向刚度较小, 虽然BRB耗能效果一般, 钢支撑不能被充分利用, 但其他受力性能均强于钢支撑-混凝土框架结构, 也不存在结构超限问题。底层框架柱承担的地震倾覆力矩大于50%, 抗震设计时需对其框架部分受力性能进行适当加强。
4.2 经济性对比
根据表2和表3所提供的材料用量可知, 三种方案所需混凝土用量无明显差距, 但由于缺少剪力墙所提供的抗侧能力, 钢支撑-混凝土框架结构钢筋及型钢用量最大, 总体钢材用量比框架-剪力墙结构多出29%。在BRB用量方面, 钢支撑-混凝土框架结构使用了258根, 钢支撑-框剪结构使用了78根。
根据结构计算模型所统计的材料用量估算各方案结构材料成本, 混凝土单价取550元/m3, 钢筋单价取4 900元/t, 型钢单价取9 000元/t, BRB考虑材料、预埋件及安装费用, 平均单价约2.5万元/根。计算结果见表4, 由于配筋较多和采用大量BRB的原因, 钢支撑-混凝土框架结构造价最高且比框架-剪力墙结构高975.7万元, 比钢支撑-框剪结构高605.4万元。
三种结构方案的结构造价对比/万元 表4
|
方案 |
混凝土 | 钢筋 | 型钢 | BRB | 合计 |
|
框架-剪力墙 |
1 043.5 | 1 058.9 | 16.6 | — | 2 119 |
|
钢支撑-混凝土框架 |
987.1 | 1 274.5 | 188.1 | 645 | 3 094.7 |
|
钢支撑-框剪结构 |
1 099.3 | 1 137.8 | 57.2 | 195 | 2 489.3 |
5 结语
本工程结构高度大于8度区框架结构最大适用高度, 故从抗震性能、减少结构超限项以及结构经济性角度出发, 对框架-剪力墙结构、钢支撑-混凝土框架结构和钢支撑-框剪结构进行了对比分析。结果表明, 钢支撑-框剪结构造价适中且侧向位移较小, 底部受拉不明显, 具有良好的抗震性能, 并能很好地减少结构不规则项, 因此本工程选择钢支撑-框剪结构方案。
[2] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点:建质[2015]67号[A].北京:中华人民共和国住房和城乡建设部, 2015.
[3] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.
[4] 建筑结构荷载规范:GB 50009—2012[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.
[5] 杨先桥, 傅学怡, 黄用军.深圳平安金融中心塔楼动力弹塑性分析[J].建筑结构学报, 2011, 32 (7) :40-49.
[6] 傅学怡, 周坚荣, 高颖, 等.中钢天津响螺湾国际广场T2塔楼动力弹塑性分析[J].建筑结构, 2011, 41 (S1) :9-11.
[7] 张腾龙.防屈曲支撑框架结构设计及消能减震效果分析研究[D].北京:北京工业大学, 2009.
[8] 冯曼.防屈曲耗能支撑在框架结构中的耗能减震分析[D].西安:西安建筑科技大学, 2013.
[9] 张文华, 黄忠海, 李盛勇.南宁某超高层综合楼的结构方案选择[J].建筑结构, 2016, 46 (3) :50-53.
[10] 黄忠海, 廖耘.某复杂超高层结构方案的选择与优化设计[J].建筑结构, 2010, 40 (3) :33-35.