一个超限小高层--常规结构的设计

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

m

²


。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

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