上海深坑酒店钢结构主框架受力及设计研究

时间：2019-02-10 00:58:13 来源：

2018年11月15日，世界唯一的“深坑酒店”——上海佘山世茂洲际酒店宣布开业，成为上海又一地标建筑，“深坑酒店”地平线上2层，地平线下16层，酒店房间能看到瀑布、空中花园和岩壁。

这本是上海西郊一个废弃多年的采石大坑，百米深，5个足球场大。为修补这块丑陋的伤疤，上海人别出心裁，依托坑壁建酒店。

工程概况

世茂深坑酒店主体建筑位于地质深坑内，依崖壁建造，酒店主体建筑分为地上部分、地下至水面部分以及水下部分，其中地上建筑2层（局部带一层地下室），高度约10米，地下水面建筑工14层，高度近60米，水下部分建筑2层，高度约10米。

主体结构体系

深坑酒店内建筑依崖壁建造，坑内各楼层建筑平面中部为竖向交通单元，两侧均为圆弧形曲线客房单元，坑内建筑平面狭长且呈“L”形，为合理控制位移等比参数，设计时竖向交通单元和左侧圆弧形曲线客房单元连成整体，与另一侧圆弧形曲线单元通过设置抗震缝分开，将坑内建筑分成两个相对规则的结构单元。

两侧圆弧形曲线客房单元沿径向的竖向剖面也呈现不同的折线形态；主体结构下部坐落于坑底基岩上，上部与坑顶基岩及部分裙房相连。地下至水面的建筑形成了多塔的结构形式，但在地面以上又连成整体。

塔楼整体结构力学性能特点

由于酒店主体结构为依崖壁倾斜的造型，利用既有坑口基岩设置顶端支点，将极大地提高倾斜塔楼的侧向刚度及安全性。坑内主体建筑通过分块箱形（或堆石混凝土）基础固结在坑底弱风化基岩上，同时在坑顶与山体基岩相连接，为其提供水平方向约束。因此结构在水平地震作用下的受力变形特点不是常规结构悬臂梁的特征，而是极为特殊的一端固结、一端铰支梁的特性。分别为悬臂梁模型和一端固结、一端简支梁模型由反应谱计算得到的剪力图、弯矩图。

和悬臂梁模型相比，一端固结一端铰支梁在地震作用下中部的层间剪力最小，两端较大，地震作用下梁的弯矩较小。悬臂梁模型在地震作用下的变形特征是弯曲变形，层间位移角大，但位移成分中包含较多的无害位移；一端固结一端铰支梁在地震作用下的变形特征是剪切变形，层间位移角小，但位移成分中包含较多的有害位移。结构的力学特点与结构总体指标将与常规工程完全不同。

塔楼超限情况及性能目标

世茂深坑酒店坑内高度近70m，结构在坑内及崖壁有上下两点支座约束，与常规底部约束结构的受力特点及设计规律显著不同；同时存在平面凹凸不规则、竖向抗侧力不连续（桁架立柱）及多塔等超限问题，为重大超限工程结构。

拟采用的超限对策包括：

（1）主体结构采用带支撑钢管砼框架结构体系，形成了由钢支撑、钢管砼柱-钢梁框架等组成的多道抗震防线。

（2）通过在酒店平面设置抗震缝将坑内建筑分成两个平面相对规则的结构单元提高平面的规则性。

（3）提高关键构件的性能目标，如表所示。

塔楼侧向荷载

地震作用

塔楼主体结构上下两点支撑，地震作用特点为有幅值差的两点地震输入。故地震作用不能直接采用反映谱分析，只能采用多点位移时程分析，直接采用多点位移时呈分析法用于杆件设计会有较大困难，经过对比研究，本工程抗震分析在小震及中震下采用“安评反应谱+支座位移”作为抗震分析工况并用“规范反应谱+支座位移”工况进行复核；在大震下按多点位移输入开展分析。

反应谱分析采用ETABS，MIDAS软件，采用考虑扭转耦联影响的振型分解反应谱法并考虑偶然偏心、P-△效应，结构阻尼比为0.035。抗震设防烈度7度，水平地震影响系数等由地震安评确定。

风荷载

采用数值风洞对风荷载进行分析。结构设计基本风压w0=0.55kN/m2（50年一遇），风荷载体型系数和风压高度变化系数由《数值风洞报告》给出。

塔楼弹性分析结果

周期与位移

塔楼周期计算结果如下表2所示[3]。结构地震作用与风荷载下层间位移角均小于1/1000，远小于规范限值1/300的要求。

坑内塔楼剪重比

本工程地震剪力向坑顶和坑底两端支座传递。剪重比的统计和普通悬臂高层建筑有所区别。以塔1为例，统计楼层地震剪力与剪重比对照图如图6所示。统计方法为上下两支承点的地震剪力标准值之和与上下两支承点间所有楼层的重力荷载代表值之和的1.6%相对照，塔楼剪重比满足规范要求。

主框架竖向构件在各荷载工况下内力分布规律

选取抗震缝两侧典型酒店结构主框架进行各荷载工况下内力分布规律研究，如图所示。

考虑到主框架为类似桁架的结构体系，构件主要内力以轴力为主。以左侧主框架为例，列出各荷载工况下各荷载工况的轴力计算结果，如表3所示，研究轴力分布的规律，右侧柱框架结构的规律基本类似。

钢管柱与钢支撑构件重力荷载产生的内力占较大比例，超过半数的钢管柱及柱间支撑控制荷载为重力荷载；部分杆件的控制荷载为中震弹性，但重力荷载仍有较高比例；风荷载内力占比很小。

故研究主框架钢管柱及柱间支撑的重力荷载下内力分布规律将对构件截面的设计有关键意义。

主框架钢管砼柱内力规律及设计研究

主框架钢管砼柱内力规律及构件截面

主框架钢管砼柱在重力荷载下轴力分布规律如图所示。其中红色阴影为压力，黄色为拉力。

从图8可以看出，由于主框架折线形的形态导致了其自重作用下内力分布规律的特殊性，与常规钢框架结构完全不同，主要如下所述：

（1）对双向弯折钢管砼柱（图8左侧），靠近跨越桁架一侧的中上位置及靠近另一侧柱底端位置的轴力值相对较大。在主框架中上位置，由于建筑形态的原因，部分钢管砼柱出现拉力。

（2）对单向弯折钢管砼柱（图8右侧），柱底轴力最大，但跨越桁架侧钢管砼柱高于靠近坑内侧。

（3）主钢框架柱轴力的传力特点为：内力向倾斜方向柱传递，轴力分布呈现高度不均匀性。

针对上述轴力分布特点，并根据建筑要求，选择典型钢管砼柱外径600mm，壁厚根据轴力受力特点，选取25，22，及20mm三种进行选择设计。

局部异形钢管砼柱设计研究

根据业主与建筑要求，主框架柱外径需严格控制不大于600mm，但在个别钢管砼柱内力最大位置，柱验算应力比较高。为提高钢管砼柱安全储备并考虑施工顺序等不利影响，充分利用酒店间隔墙空间，对钢管砼柱截面进行了加强处理，具体加强方法如图9所示。

对此处加强处理的钢管砼柱采用ANSYS软件进行了有限元分析，偏于安全考虑，新加的位置不考虑混凝土的有利作用。ANSYS有限元模型如图10所示。钢采用SOLID92单元，混凝土采用SOLID65单元。

施加的荷载为中震弹性性能目标下最不利荷载F=21360kN，Mx=233kN.m，My=378kN.m。钢结构应力云图如图11所示，最大Mises应力为285MPa，低于Q345钢结构设计值295MPa。混凝土Mises应力云图如图12所示。

此钢管柱内C60混凝土实际可用抗压强度fcr=fc×1.98=27.5×1.98=54.45MPa，故混凝土部分的Mises应力能够满足要求。考虑到实际最不利位置，新增加的钢板内同时还灌了C60混凝土，故认为此异形钢管砼柱截面满足设计要求，且有一定安全储备。

主框架钢支撑内力规律及设计研究

主框架钢支撑布置与选型

为使塔楼两个方向的刚度接近，在塔楼主结构的径向（平面短边方向）设置了柱间支撑。柱间支撑选型宽度均为250mm，埋藏于酒店隔墙内，完全不影响建筑观感。柱间支撑选型思路如图13所示。

主框架钢支撑受力特点研究

相对常规仅用于提供抗侧刚度的支撑，本工程钢支撑需承担竖向力，且比重较高，如前文所述，较为特殊。研究了重力作用下钢支撑的轴力分布特点，如图14所示，其中红色为压力，黄色为拉力。

从图14可知，在竖向荷载下，钢支撑的内力并不均匀，具有非常明显的规律性：在柱间交叉支撑杆件中，支撑轴力向框架柱倾斜的方向传递，压力很大；而另一根支撑杆件的压力则较小，部分甚至出现了受拉的现象，支撑截面设计时将充分考虑上述受力特点与规律，交叉支撑的截面可能显著不同，与一般工程采用等截面支撑完全不同。

主框架钢支撑关键节点设计

柱间支撑与钢管砼柱连接点采用支撑较厚双腹板贯通钢管与钢管全熔透焊接，支撑与楼面梁连接采用在节点与局面，截面节点设计，考虑支撑内力特点的构件截面，以及节点构造如下图，为现场施工照片，支撑截面完全匹配图，受力特点，实现了构件设计安全性与经济性的和谐统一。

主框架跨越桁架构件及节点设计研究

对跨越桁架刚度及桁架立柱弹性支座的思考

主框架中跨越桁架最大跨度达到30m，不仅为酒店支撑钢框架提供侧向约束，而且是地上钢结构裙房的弹性支座，是本工程的关键结构构件。

对于跨越桁架上所立钢管柱，跨越桁架在节点处的挠度实际上为桁架上所立钢框架柱脚处的支座位移“△”如下图将其上所立钢框架产生较大的附加弯矩，合理选取跨越桁架刚度对桁架本身及桁架应力均有相应的影响。

正因如此，合理地考虑跨越桁架的刚度，即确定合适的楼板刚度贡献对项目的安全性及经济性非常重要。

跨越桁架所立圆钢管柱节点

圆钢管柱与工字型的桁架件的连接节点为设计特点之一，节点设计时，节点三维模型如上图圆钢管柱将双向弯矩传递至跨越桁架，因桁架的面外刚度较弱，在进行节点设计时，在桁架上下弦设置了垂直与桁架平面的楼面钢梁一平衡面外弯矩。

跨越桁架支座节点

跨越桁架节点的设计性能目标为大震不屈服，经过计算，坑顶支座最大水平剪力超1000t，故合理地设计此桁架相连接点，将杆架大震下巨大内力有效传递至基础梁上的固定铰支座节点设计的关键问题。

现场施工的杆件及支座处节点如下图

不同施工施工顺序下框架内力变化规律研究

塔楼在正常工作状态下为上、下两点约束，但在施工过程中上支点约束需钢结构安装结构安装高区跨越桁架处多为方形，其余大多数时候坑内酒店折形主框架均为坑内单点支撑，通过施工模拟分析考虑不同施工顺序下构件，内力变化规律对本工程及为重要。

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