余向前

(重庆市设计院，重庆 400015)

重庆万达艾美酒店超限结构分析与设计

余向前

(重庆市设计院，重庆 400015)

在高层五星级酒店建筑中，由于功能需要，结构采用大跨度、大开洞、通高柱等形成大空间，导致结构超限的情况较为普遍。文章结合重庆万达艾美五星级酒店结构设计工程实例，提出了此类大空间结构进行设计时应注意的一些问题和宜采取的结构措施，提及了此类结构的施工要点。并指明在高层星级酒店超限结构中采用斜交网状梁楼盖、大跨预应力楼盖能够有效降低层高，控制裂缝及挠度，确保建筑功能，且通过对超限部分抗震分析、对比，采取一定抗震加强措施后，能够保证结构安全。

高层建筑； 大跨度； 斜交网状梁； 预应力； 结构超限； 抗震措施

1 工程概况

重庆万达艾美五星级酒店位于重庆市五大商圈之一的南坪商圈中心。酒店建筑面积为5.5×104m2，为带裙房的单塔结构，地下2层，地上裙房6层，地下层及裙房为车库、宴会厅、夜总会、咖啡馆、雪茄吧等酒店配套用房(层高5.00～7.80 m不等)，裙房以上塔楼为15层(层高3.40 m)客房。塔楼与裙房之间为高2.20 m的设备转换夹层。结构从地下室地坪起算，主体高度为101.50 m，为A级高度钢筋混凝土高层建筑。结构相关信息见表1。

表1 项目结构相关信息

2 结构分析及设计

2.1 结构平面及竖向布置特点

本工程结构设计具有如下几个特点：

(1) 酒店二层为入口大堂，为让大堂显得雄伟大气，左侧第1～4跨在二～三层为两层通高，导致酒店三层(结构四层)出现楼板大开洞，形成薄弱层。大堂抽去了一根框架柱，导致酒店四～五层(结构五～六层)裙房形成了16.40 m×19.90 m的大跨度空间。

(2) 酒店五层大宴会厅部分，为体现豪华星级酒店的空间要求，抽掉了中间的8根框架柱，且两层空间贯通，形成长×宽×高为40.0 m×32.60 m×10.40 m的大跨度空间，给结构设计带来一定的困难，并导致酒店六层(结构七层)出现楼板大开洞，形成薄弱层。

(3) 酒店裙房顶层与塔楼中间为总高2.20 m的设备转换夹层，此层柱截面为0.80 m×0.80 m以上，极易形成剪跨比小于2的短柱或剪跨比小于1.5超短柱，对结构抗震不利。且因层高较小，故此层刚度较大，导致裙房顶层及下一层成为结构薄弱层。

2.2 结构设计、结构计算及措施

本工程采用中国建筑科学研究院PKPM·CAD工程部研发的多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE进行整体结构计算及构件配筋。对上节所述结构特点及难点，分别采用不同设计措施进行处理。

2.2.1 斜交网状梁设计

对结构五～六层形成的16.40 m×19.90 m的大跨度空间，采用斜交网状梁结构形式(图1)。这样能使大矩形的四个角点处的较短次梁起一定的支撑作用，让大跨跨中楼板上荷载产生的力通过次梁逐步传到边框主梁上，有效减小长梁跨中挠度及裂缝，且由中间楼盖传给周边结构的力较为均匀，楼盖整体刚度较好，在一定程度上减小了周边主梁所受扭矩，更符合结构设计原则。边框梁设计成0.60 m×0.80 m、0.70 m×0.90 m等宽扁梁,以便次梁钢筋的锚固。中间次梁截面为0.3 m×0.75 m等高，次梁等截面设计的目的是即使不吊顶，也显得较为美观(图2)。次梁的内力按周边简支的情况计算，但次梁的端部配置必要的构造钢筋。面板配置双层双向通长钢筋，且配筋率不小于0.25%，确保大跨度楼盖的整体性。结果表明，跨度较大时采用斜放布置，周边主梁和中间次梁的截面均有所减小，有效增加净高，且网状梁系布置较有建筑美感，结构虚实得当，显得较轻盈，兼具结构的力量、理性之美和建筑的韵律之美，即使不吊顶，也有很好的视觉效应。

图1 斜交网状梁示意

图2 斜交网状梁实景

2.2.2 大跨后张有粘结预应力次梁设计

对宴会厅部分因抽柱在结构七层、八层形成的长×宽×高为40.0 m×32.60 m×10.40 m的大跨度空间，屋盖考虑采用预应力混凝土结构。预应力结构抗裂性好、刚度大，大大推迟了裂缝的出现，增加了结构的耐久性。且节省材料，减小自重，对大跨度结构有着明显的优越性。

先张法与后张法的比较与思考。先张法是在混凝土构件预制过程中对其预先施加应力，施工简单，靠粘结力自锚，临时锚具可以重复使用，质量稳定，适用于中小型构件工厂化生产。不足之处是需要较大的台座或成批的钢模、养护池等固定设备，一次性投资较大；预应力筋布置多数为直线型，曲线布置比较困难。相比之下，后张法的预应力效果更好，因为先张法在混凝土凝固后撤消预应力时，混凝土与钢筋间还有一个受力的平衡过程，会损失一部分预应力，而后张法在锚固后预应力损失很小。如采用有粘结预应力应先浇混凝土，待混凝土达到设计强度75 %以上，再张拉钢筋(钢筋束)，其主要张拉程序为：埋管制孔→浇混凝土→抽管→养护穿筋张拉→锚固→灌浆(防止钢筋生锈)，其传力途径是依靠锚具阻止钢筋的弹性回弹，使截面混凝土获得预压应力，这种做法使钢筋与混凝土结为整体。应注意的是有粘结预应力混凝土由于粘结力(阻力)的作用使得预应力钢筋拉应力降低，导致混凝土压应力降低，所以应设法减少这种粘结。这种方法设备简单，不需要张拉台座，生产灵活。

综上所述，本工程屋盖采用后张法有粘结预应力筋次梁的作法能有效控制裂缝及挠度。次梁间距根据受力需要为1.50 m、1.65 m、1.80 m不等，截面等高为0.3 m×1.70 m(YL1)、0.45 m×1.70 m(YL2)两种，跨度为32.60 m，垂直于次梁方向每隔4.0 m设置一道截面为0.3 m×0.70 m的联系梁(L1)，以加强楼盖的横向刚度。边框梁截面为0.7 m×1.50 m，跨度为8.40 m、11.50 m两种(图5)。为避免次梁对主梁产生的扭矩太大，预应力次梁采用橡胶支座支撑在主梁上，次梁按简支计算。预应力钢筋采用高强低松弛钢铰线,抗拉强度标准值为1 860 N/mm2。锚具采用夹片式群锚。张拉控制应力σcom=0.75fptk，要求梁混凝土强度达到百分之百设计强度方可进行预应力张拉。按规范对大跨度预应力次梁进行承载力计算和挠度、裂缝宽度和应力等进行验算，均满足规范要求(图3～图7)。

图3 有粘结预应力次梁布置

图4 预应力梁下铰结支座

2.2.3 薄弱层分析及设计措施

从前述可知，星级酒店功能复杂，因开洞和通高等导致结构抗侧刚度在第四层、七层、八层相对较弱，形成对结构抗震非常不利的薄弱层。

2.2.3.1 结构第四层采取的措施

结构计算时将此层强制指定为薄弱层，地震剪力放大系数取1.15，按计算结果进行配筋设计，以提高此层的抗震能力。

2.2.3.2 结构第七层、八层处理措施

JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)5.1.14条要求，将第七层、八层地震剪力放大系数取1.15，同时，结合《高规》5.1.13条进行计算分析，现将分析结果及采取的相应结构措施分列如下：

图5 YL1、YL2预应力筋束形

图6 预应力次梁楼盖实景

图7 预应力次梁锚固端

(1)采用建筑结构通用分析与设计软件广厦GSSAP程序进行整体结构内力位移复核计算，结果表明与SATWE计算结果各项指标基本吻合，均满足规范要求。抗震计算时，振型数取24，满足《高规》5.1.13条第2小条相应要求。按设防烈度为6度，分小震弹性、中震弹性和中震不屈服三种采用SATWE程序进行计算，发现层间位移角和层平均位移基本保持了与地震作用的线性比例关系，说明地震作用下原结构能够达到预定的设计目标。同时采用EPDA动力弹塑性时程分析法进行补充计算(选用天然波1、天然波2和人工波4计算)，根据补充计算结果，整体计算时将结构第21～26层地震作用系数按1.15放大。按照时程分析结果，从梁、柱、墙塑性铰以及墙体开裂统计情况可以看出，本结构主要抗侧力构件——电梯处核心筒在罕遇地震下的塑性发育还很有限，基本处于弹性阶段，柱子出铰数量较少且刚度退化普遍不是很严重(以刚度退化至0.1来控制，柱铰数量为零)，仅有个别局部关键构件需要进行人为加强。罕遇地震下最大层间位移角为1/664，远小于规范允许的结构薄弱层弹塑性层间位移限制1/100，因此罕遇地震作用下本结构主要抗侧力构件的破坏程度不是很严重，尚可继续耗散地震能量，可以满足6度区罕遇地震作用下弹塑性变形的要求，能够实现“大震不倒”抗震设防目标(表2、图8、图9)。

表2 最大层间位移角

(2)将结构第七层、八层、九层柱抗震等级定义为二级进行计算配筋，同时柱箍筋全高加密，增强地震时对混凝土的约束，以改善此三层柱的受力性能。第七层、八层大跨周边框架柱按双偏压进行验算配筋，按计算结果的较大值对柱进行配筋。第九层的框架梁设计为宽扁梁，梁高控制在0.5 m，保证此层短柱的剪跨比大于1.5，不致形成受力极为不利的超短柱。个别跨度较大的梁设计为跨中0.6 m高、端部0.5 m高的变截面梁(图10)，以保证柱子的净高不致太小。同时将此层柱全部加芯柱(满足芯柱配筋要求，见图11)，以加强短柱的变形能力，提高其抗震性能。

(a) X向地震作用下

(b) Y向地震作用下图8 层间位移角示意

(a) X向地震作用下

(b) Y向地震作用下图9 层平均位移示意

图10 变截面梁大样

图11 第9层短柱加芯柱

(3)结构第一～八层(裙房)柱、墙按活荷载不折减进行计算配筋， 第九层(塔楼)以上按活荷载折减进行计算配筋，提高受力较大的裙房部分竖向构件安全储备。结构第六层、八层板厚取为150 mm，配筋为双层双向拉通，且配筋率不小于0.3 %，以加强薄弱层的抗震能力。

3 施工要点

本工程结构较为复杂，有大跨斜放网状梁、大跨后张法预应力梁、通高柱、芯柱、变截面梁等非常规结构构件，跨度大，工序多，施工难度较大，故施工时在模板支撑、钢筋绑扎、混凝土浇筑及养护等方面均应引起足够重视，采取相应措施。

3.1 大跨斜放网状梁施工要点

(1)提前做好施工支撑方案，一般采用满堂支撑，梁底加设木顶柱等措施，模板的紧固件必须牢固。支模时应按设计要求进行起拱，且待混凝土强度达到100 %后才拆模。

(2)钢筋绑扎时要注意短跨次梁底筋应在长跨次梁下面，梁顶筋也是一样，与双向板配筋相同，确保短跨梁作为长跨梁的有效支承。

(3)大跨混凝土不宜留设施工缝，宜一次性浇筑混凝土。对斜交梁与框架柱搭接时柱节点处钢筋较多的情况，宜采用细石混凝土浇筑，控制好坍落度，采用小型振捣棒，确保混凝土密实。

(4)大跨斜交楼盖属较大体积混凝土，浇筑后应采取专人定时养护。混凝土表面二次搓压加塑料布覆盖，适时洒水，确保不因混凝土收缩产生裂缝。

3.2 大跨后张法预应力次梁施工要点

(1)采用后张有粘结预应力筋时，注意留设灌浆孔道和排气孔，在距梁端2 m处各留孔道一个。留设方法为在每根波纹管上开洞，覆盖海绵垫和塑料弧形压板并与波纹管扎牢，再用增强塑料管插在弧形压板的接口上，且伸出构件顶面不小于0.5 m。

(2)本工程预应力筋为曲线布筋，其矢高控制尤为重要。定位马凳与波纹管交叉点应焊接牢固，避免浇筑混凝土时波纹管中心矢高偏移变位。每束预应力筋张拉端长度应基本相同，外露长度不小于0.4 m。

(3)此部分为大体积混凝土浇筑，浇筑前应对混凝土早、中、后期强度及坍落度、和易性等进行综合比较，掺入早强 剂、粉煤灰等，有效降低中心混凝土温度和提高可泵性。从梁跨中间向两边对称浇筑，梁端0.5m范围应特别注意振捣密实，振动棒尽量不要接触预应力筋和波纹管。

(4)本工程有多根(24根)预应力次梁，应分批、对称进行张拉，避免张拉时构件截面呈过大的偏心受压状态。分批张拉时，应考虑后批预应力筋张拉时产生的混凝土弹性压缩会对先批张拉的预应力筋张拉应力产生影响，为此先批张拉的预应力筋的控制应力应适当增加。

4 综合经济效益

从该工程完工后的效果来看，酒店入口大堂抽柱后视野开阔，采用斜放网状梁楼盖有效控制结构高度，受力合理、经济性好，且给装饰设计留下较大的发挥空间，大堂整体效果大气简洁，空间感非常好。五层大宴会厅采用预应力次梁部分，抽柱后形成1 300 m2的无柱区域，两层空间贯通，跨度接近33 m，结构梁下净高达8.7 m，可容纳1 000余人同时就餐，成为婚庆、宴会等的理想场所。投入使用后，结构设计及整体效果得到业主方及社会较高评价，取得较好社会经济效益。

5 结束语

对建筑功能复杂、内部空间多变的高层星级酒店，结构采用大跨度、通高柱等形成大空间后常导致结构抗震超限。结合艾美酒店结构设计工程实例，提出在此类超限结构不同区域，针对性地采用斜交网状梁楼盖、大跨预应力楼盖等能够能有效提高净空、控制裂缝及挠度，确保建筑空间效果。且通过抗震分析、对比，采取芯柱、变截面梁、全高加密柱箍筋、按双偏压验算并适当增大柱计算配筋等抗震加强措施，能够保证结构安全。并提及了此类结构的施工要点，可供类似结构设计和施工参考。

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[定稿日期]2017-08-14

余向前(1976～)，男，硕士，高级工程师，国家一级注册结构师，主要从事房屋建筑结构设计、审查等方面工作。

TU31

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