某酒店双塔结构及大跨屋盖的设计与分析

某酒店双塔结构及大跨屋盖的设计与分析王世斌，刘伟，丁凯，张又一（中国建筑西北设计研究院有限公司，西安710021）[摘要]结合某实际工程，从结构方案、性能设计及支座节点设计等方面介绍了大跨度屋盖结构设计的主要内容。先采用pkpm、etabs及midas/gen等结构计算程序分别对混凝土结构部分进行弹性和弹塑性分析，然后再使用3d3s和midas/gen对空间立体管桁架、张弦梁等两种结构形式的钢屋盖进行弹性分析，并从用量经济、结构受力合理、施工方便快捷等多种因素来确定最优的结构形式。计算表明，该大跨度屋盖采用张弦梁结构最为合理。支座采用被广泛使用的橡胶支座，并采取必要的构造措施保证结构的安全可靠。最后采用etabs对整体模型进行验算分析。[关键词]大跨度屋盖；张弦梁；弹塑性分析；橡胶支座DesignandanalysisonthetwintowersofthestructureandlargespanroofofahotelWangShibin，Liuwei，DingKai，ZhangYouyi（NorthwesternArchitecturalDesignInstitutesCompany.Ltd，Xi’an710021）Abstract:Combinedwithapracticalengineering，fromthestructureoftheprogram，performancedesignandbearingnodedesignetc．introducedstructuredesignoflarge-spanroof．Usingthestructureproceduressuchaspkpm，etabsandmidas/gentocalculatetheconcretestructureswhichwereusedforelasticandelastic-plasticanalysis．Andthencalculatethethree-dimensionalspacetruss，beamstringetc．whichwereusedforelasticanalysiswith3d3sandmidas/gen．Formtheeconomic，structuralandreasonableforce，convenientconstructionandotherfactorstodeterminetheoptimalstructure．Thecalculationsshowthattheuseoflarge-spanroofbeamstringstructureofthemostreasonable．Thewidelyusedofrubberbearingswereadoptedtothesteady．Takethenecessarystructuralmeasurestoensurethestructuralsafetyandreliability．Finally，checktheanalysisoftheoverallmodelwithetabs．Keywords:large-spanroof；beamstring；elastic-plasticanalysis；rubberbearings1工程概况财神故里财富酒店位于陕西省西安市周至县楼观镇，南邻环山路，东临集贤二十路。建筑场地地形平坦，地貌单元属秦岭北麓山前洪积扇上发育的天峪河一级阶地。该建筑用地长度东西约80m，南北约130m，总建筑面积约4万m2。建筑效果图如图1所示，结构平面图如图2所示。该建筑由Ⅰ段餐饮区及Ⅱ段住宿区组成。Ⅰ段地上六层，地下二层，总高度26.8m，结构布置形式为双塔，在第四层设置屋盖，屋盖的跨度为42m。Ⅱ段地上十层，地下二层，总高度45m。Ⅰ段与Ⅱ段均采用框剪结构，筏板基础，基础埋深6.0m。工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，Ⅱ类场地，设计地震分组第二组，特征周期为0.4s，抗震设防类别为丙类。图1建筑效果图图2结构平面图2屋面钢结构设计2.1荷载及组合恒荷载：屋面板及檩条重1.0kN/m2。活荷载：0.5kN/m2。风荷载：50年重现期W0=0.35kN/m2，B类地面粗糙度，体形系数为-0.8，风振系数为1.6。温度作用：设施工温度为20oC，依据西安地区的气象报告，考虑太阳辐射的影响，夏季最高温度取60oC，冬季最低温度取-10oC。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，场地类别为Ⅱ类。荷载组合如下：1)1.2恒+1.4活；2)1.2恒+1.4风；3)1.2恒+1.4x0.5活+1.3地震荷载；4)1.2恒+1.4活+1.0温升。2.2屋盖结构体系及分析2.2.1结构体系的选型本工程Ⅰ段混凝土结构部分属于双塔，双塔之间净间距为42m。初步设计时，分别采用3d3s和midas/gen软件对空间立体桁架和张弦梁等两种结构形式的屋盖进行计算分析。空间立体桁架的上弦、腹杆、下弦均由圆管相贯焊组成，其造型方案如图3。由其组成的屋盖理论用钢量124t，按总覆盖面积2700m2计，为46kg/m2。张弦梁是由上弦矩形管、圆撑杆、下弦拉索组成，其造型方案如图4。由其组成的屋盖用钢量为86t，按总覆盖面积2700m2计，为32kg/m2。由此可见，张弦梁的经济效果很明显，经与建筑师协调及从整体建筑布局及美观方面考虑，最终选择了张弦梁作为屋盖的结构形式。(a)管桁架效果图(b)管桁架三维视图图3管桁架造型方案图(a)张弦梁效果图(b)张弦梁三维视图图4张弦梁造型方案图2.2.2张弦梁结构的设计方案财富酒店接待厅采用大跨度张弦梁结构，跨度42m，屋盖由9榀张弦梁组成，张弦梁矢高为4m。张弦梁结构上弦和腹杆均采用Q235B，其中上弦采用焊接矩形管，截面为450x250x14x14；撑杆采用圆钢管，型号为PIP180x8；下弦拉索采用C5x121高强度低松弛镀锌钢丝束，抗拉强度为1670MPa。腹杆与上弦在平面内为铰接，平面外为刚接，腹杆与下弦通过球节点相连，见图5。各榀张弦梁之间通过檩条连接，以保证其平面外稳定性。檩条采用Q235B，焊接矩形管，截面尺寸为300x200x8x8。图5撑杆与上弦和下弦的节点详图对张弦梁结构而言，施加预应力的目的在于对结构变形和内力进行控制[1]。设计以控制恒载作用下结构的变形和内力为原则，经过大量的计算对比，最终确定预应力为485kN。2.2.3张弦梁结构整体有限元计算结果分析采用midas/gen软件对整体张弦梁结构进行了计算[2]。结构分析计算得到的各个荷载工况下的位移和内力分别见图6和图7。图6各个荷载工况组合下结构位移图图7各个荷载工况组合下结构内力图计算结果表明：(1)从图6可以看出，各榀张弦梁的最大竖向位移为110mm，为跨度的1/382，满足规范规定挠度限值1/300，说明该结构的竖向变形满足要求。(2)从图7可以得出，在荷载设计值作用下，上弦最大应力为185MPa，即应力比为0.84，结构承载力满足要求；腹杆最大应力为79MPa，即应力比为0.37，可见腹杆处于较低的应力状态；下弦拉索最大应力为180MPa，拉索的强度级别为1670MPa，拉索的安全系数为9，较为充分地利用了钢索的材料强度。其中拉索的最小拉力为34kN，说明在风荷载作用下，拉索不会松弛退出工作。(3)程序计算出各个张弦梁支座反力值施加到混凝土柱出挑的牛腿上；其中支座反力的最大值为449kN，作为选择成品支座的依据。3混凝土结构设计与分析3.1结构布置结构形式采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构。Ⅰ段六层主楼与Ⅱ段十层主楼之间在嵌固端(标高-2.0m)以上设抗震缝，缝宽100mm。由于建筑功能及主楼嵌固端要求限制，本楼不设沉降缝。本建筑物平面复杂并且超长，因而在以下部分设置后浇带，十层主楼、六层主楼及两层宴会大厅部分之间设置后浇带(解决竖向荷载差异过大，施工过程中不均匀沉降)。现浇楼板的厚度从地下一层、一层、二~十层及屋面分别为180mm、150mm、120mm和130mm。对于局部大跨度板块及板上有后砌轻质隔墙且墙下未设梁时，墙下板底另加钢筋。剪力墙的厚度均采用250mm。框架柱截面尺寸按轴压比及框架梁钢筋的锚固要求控制。四级框架柱按轴压比不大于0.95控制。三级框架柱按轴压比不大于0.90控制。剪跨比不大于2但不小于1.5的框架柱按轴压比按上述数值减少0.05控制，并满足计算要求。框架梁截面高度按(1/10~1/15)L控制，并满足抗弯、抗剪、抗扭计算要求。3.2结构性能化抗震设计原则“小震不坏，中震可修，大震不倒”是实现“两阶段、三水准”的抗震设计的基本要求。5.12汶川特大地震灾害告诫我们，不仅要体现“大震不倒”，更应体现以人为本，符合生命线工程的性能设计原则。考虑到本结构体系的特殊性，采用了性能化抗震设计，制定了结构整体性能目标：1)第一水准地震(小震)作用下结构满足弹性设计要求，即整体结构的周期、位移等指标满足规范的要求，全部构件的抗震承载力均满足规范的要求；2)第二水准(中震)作用下结构关键部位构件不屈服；3)第三水准地震(大震)作用下极关键部位构件大震不屈服。3.3结构分析计算每榀张弦梁的两端支座反力以节点荷载的形式施加到相应的混凝土柱出挑的牛腿上，以模拟钢屋盖对Ⅰ段混凝土结构的影响。3.3.1多遇地震作用下的弹性分析本工程Ⅰ段结构平面及空间关系较复杂，为了避免单一分析软件的局限性，多遇地震作用下弹性分析采用satwe，etabs和midas/gen三种分析软件对主体结构进行整体分析比较，以保证力学分析的可靠性。计算地震作用时采用空间扭转耦联的振型分解反应谱法，计算振型数为18，计算单向地震作用时考虑偶然偏心的影响，同时也考虑双向地震作用的影响，结构整体分析的主要计算结果见表1~2。结构振动特性、剪重比及有效质量系数计算结果表1程序名称周期/s平动系数扭转系数扭转周期比基底剪重比/%有效质量系数/%X向Y向X向Y向X向Y向satweT1T2T30.9430.9060.7840.930.040.000.030.940.000.030.021.000.8314.724.7593.0994.11etabsT1T2T30.9700.9130.8040.940.020.010.050.960.020.040.020.980.8294.984.8994.7094.65midas/genT1T2T30.9500.8950.7920.960.030.010.020.950.020.030.020.960.8344.694.7393.0194.02结构层间位移角计算结果表2程序名称结构层间位移角地震作用地震作用X向Y向X向Y向satwe最大值1/10441/9351/99991/7666etabs最大值1/11031/9071/118631/8647midas/gen最大值1/11561/9711/89741/7645三种分析软件的计算结果在结构自振特性、地震作用和结构位移等方面均比较接近，计算结果反映出该结构水平位移由地震作用控制；从结构本身的振动特征来看，第3阶振型以扭转为主，其周期与以平动为主振型的周期比均没有超过0.85，说明结构有较好的扭转刚度；计算的累计有效质量系数均大于90%，说明所选计算振型数已满足要求；各楼层水平地震剪力与楼层重力荷载代表值的比值均满足抗震规范5.2.5条的要求；各楼层的最大层间位移角均小于规范5.5.1条规定的限值[3]。3.3.2罕遇地震作用下的静力弹塑性分析工程Ⅰ段结构通过静力弹塑性分析验算结构的弹塑性层间位移，评定结构的抗倒塌能力和抗震性能，找出结构薄弱部位，从而采取相应的抗震构造措施对结构薄弱部位进行加强，保证整体结构实现基于性能的抗震设计，以满足规范第三水准的设防要求。本工程采用push软件对结构进行罕遇地震作用下静力弹塑性分析，弹塑性梁(柱)元采用纤维束力学模型，墙元力学模型采用平面应力膜模型。混凝土材料的受压本构关系采用SAENZ曲线模拟，并考虑了