湖州太阳酒店主体结构设计与分析.pdf

建筑结构建 筑 技 术 开 发28 Building StructureBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月湖州太阳酒店主体结构设计与分析林星鑫（汉嘉设计集团股份有限公司上海分公司，上海 200135）摘要 湖州太阳酒店主体结构采用大直径空心球体钢斜柱框架支撑结构体系，造型结构直径为97.2 m的空心球体、典型平面呈圆环形。整个结构体系造型奇异、传力特殊，存在异形框架、空间曲面转换桁架、大跨度联方凯威特混合型单层球面网壳等较多设计难点。通过设置径向与沿外球面竖向支撑、水平加强桁架、顶部环带桁架等加强措施，保证了结构的整体性与可靠性，可为类似工程提供借鉴。关键词 空心球体钢结构；异形钢框架；水平加强桁架；空间曲面转换桁架 中图分类号TU 318 文献标志码A 文章编号1001-523X（2023）08-0028-04DESIGN AND ANALYSIS OF THE MAIN STRUCTURE OF HUZHOU SUN HOTELLin Xing-xin AbstractThe main structure of Huzhou Sun hotel adopts a large-diameter hollow sphere steel inclined column frame support structure system.The overall geometric shape of the structure is a hollow sphere with a diameter of about 97.2 meters,and the typical plane is circular.The entire structural system has a singular shape and special force transmission,and there are many design difficulties such as special-shaped frames,spatial curved transfer trusses,and large-span square Kewitt hybrid single-layer spherical reticulated shells.Strengthening measures such as setting radial and vertical supports along the outer spherical surface,horizontal strengthening trusses,and top ring truss ensure the integrity and reliability of the structure,which can provide reference for similar projects.Keywordshollow spherical steel structure;specially shaped steel frame;horizontal reinforced truss;space surface conversion truss湖州太阳酒店主体结构是以极坐标系为主轴方向的大直径空心球体高层异形钢框架支撑结构，其结构形式特殊、传力形式复杂。主要讨论设计过程中的结构形式选择、布置与优化，并结合计算分析结果，探究该复杂空间钢结构的受力特性及其抗震性能，湖州太阳酒店建筑效果如图1所示。图1 湖州太阳酒店建筑效果图1 工程概况湖州太阳酒店主楼是一个外形如“太阳”的空心球体建筑（图1），总建筑面积121 932 m2（其中地上总建筑面积86 197 m2，地下室总建筑面积35 735 m2），总建筑高度97.8 m，地下2层，地上19层（另有一个设备夹层），其中第3层及以下主体结构呈圆柱形，第4层及以上主体结构呈球壳形（内部中庭空间为球形），最大外径为97.2 m（典型结构平面与剖面，如图2、图3所示）。11 5003 350最大外径 97 2008.1844图2 典型结构平面示意建筑主要功能包括酒店、会议室、餐厅、泳池、健身房等，标准建筑平面由环状区域与竖向垂直交通盒组成，环状区域沿环向均分为44个主要开间，每个开间的径向角度为8.18。酒店主体结构主要由12榀径向带支撑框架、4榀外球面带支撑框架、径向普通框架、竖向交通盒以及中庭顶部的联方凯威特混合型单层球面网壳组成，使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，类场地土，特征周期0.45 s，抗震设防类别为丙类，结构安收稿日期：20230324作者简介：林星鑫（1990），男，江西信丰人，工程师，主要研究方向为建筑结构设计。2959 00097 2000.00097 800（单层球面网壳）图3 典型结构剖面示意全等级为二级，地面粗糙度类别为B类，基本风压0.45 kN/m2，基本雪压0.45 kN/m2。2 结构设计难点与解决方案湖州太阳酒店因其建筑体型奇异、使用功能复杂等因素，主体结构设计时存在以下特点与难点。（1）结构整体呈上大、下小且内部为中空球体的形态，4层以上每榀框架均为弓形结构，单榀框架的质心位于刚心外侧，导致结构在重力荷载的作用下存在外倾变形的趋势，竖向与水平构件的受力与传统结构体系存在较大差异，如何在不影响建筑功能的前提下，合理布置满足空心球体结构受力需要的框架则成为工程主要问题之一。（2）对于大直径空心球体结构，环向水平构件存在不可避免的轴向内力，需要合理考虑和利用环向钢梁和楼板对整体结构的作用。（3）环向水平构件轴力与空心球体变形的 关系。（4）由于4层大堂存在两层挑空的情况，2根内环斜柱竖向不连续，转换桁架随球体的形态自然形成了空间曲面转换桁架，需要采取一定措施保证该转换桁架的合理受力。2.1 框架支撑的选型与布置本工程上部球体部分（4层以上）除竖向交通盒由14根垂直框架柱组成外，其余框架柱均为斜柱，每层斜柱的比例占总框架柱数量的81.6%。因此，合理布置柱间支撑对整个结构刚度及形变控制起到十分关键的作用，湖州太阳酒店支撑布置平面图示意如图4所示。首先，利用建筑4个楼梯间的区域，沿径向布置了8榀带支撑框架，并于楼梯间外侧布置外球面竖向支撑，将楼梯间两侧的径向支撑联系在一起，形成了4个刚度较好的支撑筒体。其次，由于南北2个楼梯间相距较远（相距12个2628201814106442403632楼梯楼梯楼梯楼梯径向带支撑框架外球面带支撑框架矩形钢图4 支撑布置平面示意开间，外环最大弧长约83.2 m），导致该12个开间范围内的框架刚度较弱，在竖向荷载的作用下将产生较大的外倾变形，所以在10轴、14轴、32轴、36轴布置了径向支撑，从而使每榀径向带支撑框架间距合理，结构整体刚度均匀。因结构整体呈上大、下小的形态，底部三层主体最大外径约为74.4 m，上部球体最大水平外径约为97 m且上部结构存在转换、顶部机房等不利条件及不均匀荷载的情况，故加强底部楼层（13层）及起弧过渡楼层的整体刚度是十分必要的。因此15层主要竖向构件（包括45层的斜柱及跨层支撑）均采用矩形钢管混凝土构件顶部环带桁架，13层与上部球体沿外球面竖向支撑对应位置设置有400 mm厚C40带型钢混凝土剪力墙，以加强结构的抗扭刚度，径向支撑均采用箱型截面构件。此外，为进一步加强结构的整体性，并且控制穹顶基座的各向变形，在结构顶部设置有一道环带桁架，顶部环带桁架如图5所示，将4道外球面带支撑框架连为一体，进一步提高该空心球体框架支撑体系的整体性。图5 顶部环带桁架2.2 环向水平构件受力分析标准楼层每层平面均为环状结构，环状板带宽度约为15 m（含约3.5 m悬挑部位），各层楼板开洞面积建筑结构建 筑 技 术 开 发30 Building StructureBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月约为38%45%，虽然布置了一定数量的框架支撑，但上半空心球体内凹变形与下半球体外鼓变形的趋势仍将导致结构环向构件存在较大的轴向内力，此时对于内外环梁连续的楼层，内外两道环梁则为重要的环向约束，而对于局部外环梁不连续的楼层，环向约束由内环梁单独提供，连接径向弓形桁架的内环梁将起到控制整体变形的关键作用。若考虑楼板平面内刚度将楼板与内外环梁一起共同作用，经ANSYS计算分析，球体中下部楼层楼板最大拉应力约为35 MPa，普通楼板配筋无法满足且可能导致较多的楼板开裂情况，而因建筑功能的需要，楼板洞口较多且后期装修存在不确定性，所以如果完全考虑楼板刚度对整体结构的贡献是不合理且不安全的，故在整体计算时不考虑楼板的有利作用，此时环向拉压力主要由内环梁提供，为提高结构关键构件的安全冗余度，在楼板凹口的部位增加了水平加强桁架，如图6所示，以此作为除环梁以外的第二道防线，以保证主体结构在重力荷载作用下的整体稳定并控制整体变形。水平加强桁架水平加强桁架水平加强桁架内环梁图6 水平加强桁架在设计主体结构楼板时将通过设置可承受面内压应力并释放面内拉应力的楼板诱导缝，避免楼板内产生过高的约束应力。2.3 内环梁轴力与外环梁柱节点位移分析内环梁作为太阳酒店大直径空心球体结构是仅次于框架支撑体系的重要受力构件，有必要对其受力情况以及与外环梁柱节点的位移变形关系进行分析。表1为选取了90方位（12轴）处的标准组合工况下各层内环梁轴力与对应外环梁柱节点位移（未考虑楼板刚度）。从表1可知，内环梁轴拉力最大楼层出现在8层，即球体的中下部区域，8层以下及以上内环梁轴拉力均依次递减，轴力于16层开始变号，梁内开始出现轴向压力，并逐层往上递增，至19层时梁内轴向压力达表1 内环梁轴力与外环梁柱节点位移计算结果楼层内环梁截面轴力/kN外环梁柱节点位移/mm径向竖向19BO 700300353521006.5910.6518BO 700300303013005.3610.1317BO 70030020205803.519.8916BO 70030020202701.319.6615BO 70030020202300.889.7714BO 70030025257003.2910.0013BO 70040030301 8006.0411.1212BO 70050030302 5607.4911.6411BO 70050040403 8808.9511.8910BO 70050040404 30010.1912.619BO 80055040405 50010.1312.908BO 80055040406 5609.7013.057BO 50090040406 3008.0913.956BO 80055060604 5705.3011.695BO 80055060603 1802.999.13到最大约2 100 kN。与之对应的外环梁柱节点处的位移也呈相应趋势，节点沿径向位移于10层处向外达到最大，竖向位移最大处出现在7层。各层内环梁轴力以及外环梁柱节点位移变化趋势均与常规认知和判断相符，因此在设计时应有针对性地对球体中、下部区域内环梁截面进行了加强，并辅以水平桁架等加强措施，可以将太阳酒店主体结构的整体变形控制在合理范围内。2.4 转换桁架布置根据建筑功能需求，4层南侧大堂存在2层挑空的情况，2根内环斜柱竖向不连续。结构布置时于67层设置转换桁架，桁架高度为层高（3.8 m）上下弦杆截面为BO 1 0008006060，腹杆截面为BO 1 0006006060，框支柱采用矩形钢管混凝土柱，为进一步加强与保证转换桁架的安全性及可靠性，在桁架上一楼层两端各增加一受拉斜杆。由于结构为球形，转换桁架沿竖向并非垂直，存在一定的倾角，为平衡转换桁架平面外的分力并控制面外倾斜变形，于上部柱对应柱位平面外设置一道桁架，并以此来加强转换部位的整体性。3 结构整体计算分析湖州太阳酒店主体结构存在竖向不连续、楼板不连续、承载力突变等多项不规则情况且属于特殊类型高层建筑，主体部分的计算分析主要以YJKS与ETABS为主，对于转换桁架、穹顶等复杂或特殊部 312023年8月期8卷第50第Building Technology DevelopmentBuilding Structure位，辅以SAP2000、ANSYS等有限元软件做进一步的分析与校核。3.1 主要控制参数针对本工程的特殊情况，全楼抗震等级提高至三级，钢构件设计时板件宽厚比等级按S3级，计算时结构阻尼比全楼统一为3%（罕遇地震计算时取5%），考虑偶然偏心与双向地震以及最不利地震方向作用，考虑P效应以及按屈曲分析模态考虑整体缺陷。3.2 结构自振特性与分析结果表2为YJKS与ETABS分别计算得到的结构总质量及前3阶振型周期，2种软件独立分析得到的结果较为吻合，结构前2阶自振周期均以平动为主，且结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比约为0.85，则说明结构具备足够的抗扭刚度，其扭转效应较小。表2 结构自振特性分析结果振型阶数振动方向YJKSETABS误差率第一振型y向平动2.367 s2.422 s2.3%第二振型x向平动2.271 s2.301 s1.3%第三振型扭转1.998 s2.066 s3.4%扭转周期比0.840.851.2%结构总质量99 631 t98 785 t0.85%3.3 层剪力与位移经YJKS与ETABS计算得到的多遇地震作用下的楼层剪力与位移均较为接近，楼层剪力不存在较大的突变，层间位移远小于规范规定的限制（x向最大层间位移角为1/1 061，发生在第7层；y向最大层间位移角为1/1 383，发生在第9层），结构具备较好的抗侧力性能。3.4 动力弹塑性时程分析罕遇地震下的动力弹塑性时程分析采用有限元软件YJKEP进行分析，共选取了5条天然波和2条人工波，各条波采用三向（x向、y向、扭转）地震输入，各方向加速度峰值比例为1.000.850.65。在罕遇地震下当x、y分别为主方向时，弹塑性位移普遍大于弹性位移，结构进入了不同程度的非线性，最大位移均位于顶层。各组波的弹塑性层间位移角普遍大于弹性层间位移角，7组波的x方向平均位移角最大值位于20层，位移角最大值为1/140；y方向平均位移角最大值位于8层，位移角最大值为1/366，均远小于1/50，其满足规范要求。由最终的损伤分析可知，仅局部屋顶穹顶及墙肢轻微损伤，框架基本完好，说明结构具有良好的抗震性能。4 结束语湖州太阳酒店作为大直径空心球体高层异形钢框架支撑结构，其集空间曲面转换桁架、大跨度单层球面网壳等复杂结构于一体，在结构形式、传力途径、抗震性能等方面均有别于传统笛卡尔直角坐标系的结构体系。在设计过程中应合理考虑楼板作用、设置径向与外球面竖向支撑加强竖向刚度、设置水平支撑与顶部环带支撑提高内环梁的安全度等，通过采取上述针对性的加强措施，既满足了建筑外观与功能的需要，也保证了结构受力与抗震性能的需求。参考文献1 建筑抗震设计规范:GB 500112016S.2 钢结构设计标准:GB 500172017S.3 高层民用建筑钢结构技术规程:JGJ 992015S.4 空间网格结构技术规程:JGJ 72010S.建筑结构建 筑 技 术 开 发