浅谈湖北隆鼎丽都一期会所设计

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  【摘 要】 湖北隆鼎丽都一期会所悬挑8.1m,两面临山,是典型的山区建筑。结构本身有大悬挑,大跨度,基础为人工挖孔桩等特点。文章将从预应力混凝土、型钢混凝土、外伸桁架、人工挖孔桩、长螺旋钻孔灌注桩等角度对该会所的设计展开具体探讨与论述。
  【关键词】 预应力混凝土;型钢混凝土;外伸桁架;人工挖孔桩;长螺旋钻孔灌注桩
  在公共建筑中,建筑师经常会做出大悬挑建筑方案,以取得特殊的建筑效果,如CCTV大楼(悬挑>75m),海南三亚帆船酒店(悬挑37m)等等,为了满足建筑功能要求,结构工程师往往选择外伸钢结构桁架,型钢混凝土结构,部分预应力混凝土结构等处理方式。另外在南方省市的设计项目中经常会遇到山区建筑,山区建筑依山而建,从主体结构和基础形式都有其特殊性。
  1 工程概况
  湖北隆鼎丽都一期会所位于湖北省咸宁市通山县石山垅水库的尾部,结构东西长35.440m,南北宽49.650m,为三层混凝土框架结构,结构一层,二层层高均为4.200m,三层为坡屋面,最高点为14.000m,由于建筑功能要求,南侧三层靠近小区主路附近做了悬挑8.1m的多功能厅,里面是16.2m大空间。本工程抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类,抗震设防类别为丙类,抗震等级为四级,重要构件按三级考虑,混凝土结构阻尼比为0.05。
  2 结构方案选择
  该建筑的结构特点可以归纳为:结构底层有挡土墙,两面依山而建,基础持力层为中风化或强风化岩层。基础可选择钢筋混凝土护壁人工挖孔桩或长螺旋钻孔灌注桩,通过增设拉梁来保证基础稳定性。悬挑设计可选择的结构形式有部分预应力钢筋混凝土结构,型钢混凝土结构,外伸筋混凝土桁架,型钢混凝土斜拉杆等等。最后选用了钢筋混凝土护壁人工挖孔桩基础,悬挑结构形式采用了型钢混凝土斜拉杆。现对以上结构形式进行了比较。
  3 桩基础设计
  3.1桩基础选型
  根据咸宁市勘察建筑设计院做的《通山景元、隆鼎丽都会所岩土工程勘察报告》(二〇一一年八月六日)中所述,第3层强风化粉砂岩具有较好的强度,承载力较高,分布较稳定等特点,但受地形的影响,埋深变化较大,不宜作为拟建物基础持力层。第4层中风化粉砂岩具有强度高,承载力高,岩层完整,分布稳定等特点,是最好的持力层,因此选取第4层中风化粉砂岩作为持力层。由于场地附近有水库,而且水位较高,并且场地表层有很厚的杂填土层,桩基础设计的重点是排水和防止塌孔。桩型可选择钢筋混凝土护壁人工挖孔桩或长螺旋钻孔灌注桩。
  3.2两种桩型单桩竖向承载力计算比较
  针对以上两种桩基础方案,桩型可选择为:钢筋混凝土护壁人工挖孔桩直径为1000mm,入岩深度1m;长螺旋钻孔灌注桩直径为700mm,入岩深度1m。按《建筑桩基技术规范》5.3.5条,采用经验公式计算单桩竖向承载力,按5.7.2-1条计算单桩水平承载力。桩基各层土设计参数见表1。当采用钢筋混凝土护壁人工挖孔桩时,选择有代表的钻孔ZK4进行单桩竖向承载力特征值计算,其结果见表2;长螺旋钻孔灌注桩单桩竖向承载力特征值计算,其结果见表3。
  表1 桩基各层土设计参数一览表
  地层号及名称 桩周摩阻力特征值 桩端阻力物征值
  qsia qpa
  (1)杂填土层 0
  (2)粉质粘土层 30
  (3)强风化粉砂岩 50 1000
  (4)中风化粉砂岩 100 2500
  表2 单桩竖向承载力特征值估算表(人工挖孔桩)
  桩型 代表地段孔号 桩端持力层 桩径(mm) 扩大直径(mm) 桩入持力层深度(m) 有效桩长 Ra(KN)
  人工挖孔桩 ZK4 (4) 1000 1400 1.0 15.3m 4600
  (4) 1000 1600 1.0 15.3m 6400
  表3 单桩竖向承载力特征值估算表(长螺旋钻孔灌注桩)
  桩型 代表地段孔号 桩端持力层 桩径(mm) 桩入持力层深度(m) 有效桩长 Ra(KN)
  长螺
  旋钻
  孔灌
  注桩 ZK1 (4) 700 1.0 8.4m 1346
  ZK2 (4) 700 1.0 10.1m 1357
  ZK3 (4) 700 1.0 9.3m 1346
  ZK4 (4) 700 1.0 15.3m 1617
  ZK5 (4) 700 1.0 4.4m 1325
  ZK6 (4) 700 1.0 15m 1491
  ZK7 (4) 700 1.0 9.4m 1379
  ZK8 (4) 700 1.0 8.5m 1325
  ZK9 (4) 700 1.0 7.2m 1357
  3.3单桩承载力比较
  单桩承载力比较结果如表4所示。
  表4 单桩承载力比较结果
  桩型 桩径(mm) 扩大直径(mm) 持力层深度(m) 单桩竖向承载力Ra(KN)
  人工挖
  孔樁 1000 1400 1.0 4600
  1000 1600 1.0 6400
  长螺旋钻孔灌注桩 700 —— 1.0 1600(取ZK4)
  3.4桩基设计图
  3.4.1钢筋混凝土护壁人工挖孔桩桩基设计
  钢筋混凝土护壁人工挖孔桩桩基设计图见图1。
  图1 钢筋混凝土护壁人工挖孔桩桩基设计图
  3.4.2长螺旋钻孔灌注桩桩基设计   长螺旋钻孔灌注桩桩基设计图见下图2。
  3.5桩基的比较
  3.5.1施工工艺比较
  人工挖孔桩具有单桩承载力高,施工快,造价低的特点。但人工挖孔桩属于干作业施工,如果水位高,施工操作是否可行是关键。由于当地为山区,大量采用人工挖孔桩,有施工经验,与甲方沟通,技术上可行。长螺旋钻孔灌注桩不存在排水和塌孔等问题,但单方造价偏高。另外当地长螺旋钻孔灌注桩应用不多,无相应的施工机械和施工经验。甲方提出采用高强预应力混凝土管桩(PHC桩),PHC桩具有施工快,造价低,成桩质量可靠等优点,但存在成孔困难,很难达到第4层中风化粉砂岩持力层。而第3层强风化粉砂岩埋深度变化较大,坡度起伏较大,不能做为桩端持力层。
  图2 长螺旋钻孔灌注桩桩基设计图
  3.5.2承载力比较
  人工挖孔桩单桩竖向承载力特征值为4600KN(D=1400mm),6400KN(D=1600mm),长螺旋钻孔灌注桩单桩竖向承载力特征值为1600KN,综合起来人工挖孔桩单桩承载力要远高于长螺旋钻孔灌注桩。
  3.5.3造价比较
  根据当地市场情况,人工挖孔桩造价约为800元/M,长螺旋钻孔灌注桩造价1500元/M。根据布桩结果,人工挖孔桩布桩共33颗,总长396m;长螺旋钻孔灌注桩布桩共83颗,总长996m。人工挖孔桩总造价约为31.68万元,长螺旋钻孔灌注桩总造价约为149.4万元,可节省造价117.72万元。
  3.6桩基的选择
  可以看出,钢筋混凝土护壁人工挖孔桩和长螺旋钻孔灌注桩各有利弊,尽管钢筋混凝土护壁人工挖孔桩存在施工困难,但承载力远高于长螺旋钻孔灌注桩,综合造价很低,经济效果十分可观。最终选择了采用钢筋混凝土护壁人工挖孔桩,施工过程中加强排水,严格施工管理,加强质量控制。
  4 长悬挑结构设计
  针对长悬挑方案,结构有多种处理方法,典型的处理方法有:部分预应力钢筋混凝土结构,型钢混凝土结构,外伸筋混凝土桁架,型钢混凝土斜拉杆,在方案阶段,结构专业对各种结构形式进行了细化,下面进行一一比较:
  4.1部分预应力钢筋混凝土结构方案
  计算程序采用中国建筑科学研究院编制的高层建筑结构空间有限元分析与设计软件-SATWE(2010版)下的PREC模块进行结构整体计算分析,根据整体计算结果,对截面尺寸和预应力钢筋进行预估。根据SATWE计算结果,悬挑端支座处恒荷载作用下弯矩标准值M=3530KN.M,活荷载作用下弯矩标准值M=606KN.M,柱截面取1400mmX700mm,梁截面取1300mm(宽)X1400mm(高),混凝土强度等级为C40,混凝土强度设计值fc=19.1N/mm2,混凝土弹性模量Ec=3.25X104N/mm2,预应力筋强度:fptk=1860N/mm2,fy=1320N/mm2,[σct]=5.1N/mm2,[σct]为允许名义拉应力值,按裂缝宽度为0.2mm取值。
  As=1.3X1.4=1.82m2
  I=1.3X1.4X1.4X1.4/12=0.297m4
  Wb=0.425m3r2=0.16m2
  σct=4136X106/0.425X109=9.73N/mm
  [σct]=5.1X0.7+4X0.005=3.59N/mm2
  梁顶所需的预加压应力:
  σce=9.73-3.59=6.14N/mm2
  预应力度:
  λ=6.14/9.73=0.63
  设ep=0.32myb=0.70m。
  Npe=AXσce/(1+epXyb/r2)=6.14X1.82/(1+0.32X0.70/0.16)=11.1748/2.40=4656KN
  钢绞线的张拉控制应力:
  σcon=0.7Xfptk=0.7X1860=1302N/mm2
  考虑预应力总的损失张拉控制应力:
  σpe=0.75Xσcon=0.75X1302=911.4N/mm2
  所需的预应力筋截面面积:
  Ap=Npe/σpe=4656X103/911.4=5108mm2
  采用40束φs15.24鋼绞线,Ap=5560mm2,非预应力钢筋的计算采用SATWE计算结果,λ=0.46<0.75满足预应力强度比的抗震要求。
  4.1.3线形布置
  按群锚M15-5布置,线形和剖面见图3。
  图3 线形和剖面图
  4.2型钢混凝土结构方案
  型钢混凝土结构主要应用在高层和大跨度公建当中,在高层中柱可控制轴压比问题,以减少构件尺寸;在公建大跨度梁中可减小截面高度。
  本工程悬挑梁及相邻框架柱当均采用型钢混凝土时,含钢率控制在4.0%左右。框架柱尺寸为1000mmX1000mm,悬挑梁尺寸为800mm(宽)X1300mm(高)。框架柱钢骨采用“工”字型截面760mmX760mmX16mm(腹板)X20mm(翼缘),悬挑梁钢骨采用“工”字型截面500mm(宽)X1100mm(高)X18mm(腹板)X20mm(翼缘),混凝土强度等级C35,钢骨采用Q345B。计算程序采用中国建筑科学研究院编制的高层建筑结构空间有限元分析与设计软件-SATWE(2010版)进行结构整体分析。含钢率见表5,计算结果见图4。
  表5 型钢混凝土结构的含钢率
  图4 型钢混凝土结构的计算结果
  计算挠度为65.9mm,规范要求为6200/250=64.8mm,但可以预先起拱来解决挠度问题。计算裂缝为0.18mm,满足规范要求。
  4.3外伸桁架方案
  采用ETABSV9.7.1进行整体计算分析,上弦杆下弦杆尺寸均为600mmX1000mm(宽X高),腹杆尺寸为600mmX600mm(宽X高),在不影响建筑的前提下每隔2.7m设腹杆和端立柱。此模型相当于外伸空腹梁,梁高为一层高4.2m,上弦杆主要受拉,下弦杆主要受压,腹杆受剪。计算主要控制外伸桁架的挠度,计算结果上下弦杆配筋率为1.0%。ETABS在正常使用条件下,取1.0恒荷载+1.0活荷载计算工况,计算挠度为29.1mm。计算配筋结果如图5所示。
  图5 钢筋计算结果
  4.4型钢混凝土斜拉杆方案
  计算模型为斜拉杆受拉,与下弦压杆和框架柱组成几何不变体系,计算程序采用中国建筑科学研究院编制的高层建筑结构空间有限元分析与设计软件-SATWE(2010版)进行结构整体分析。斜拉杆为重要构件,应从计算和构造上来加强此构件。因此采用型钢混凝土,计算采用中震不屈服来校核此杆件。相邻的框架柱和压杆均采用型钢混凝土,局部为混合结构。型钢混凝土含钢率控制在4.0%左右,斜拉杆(XG1)尺寸为500mmX800mm(宽X高),钢骨采用“工”字型截面300mm(宽)X600mm(高)X12mm(腹板)X12mm(翼缘),压杆(XGL2)尺寸为600mmX700mm(宽X高),钢骨采用“工”字型截面400mm(宽)X500mm(高)X16mm(腹板)X12mm(翼缘)。含钢率见表6,计算结果见图6。
  表6 型钢混凝土斜拉杆的含钢率
  图6 型钢混凝土斜拉杆计算结果
  5 结语
  该建筑采用人工挖孔桩桩基础,持力层为中风化岩石,无论从施工工艺和造价来说都有较明显的优势。长悬挑结构可选择方案较多,选择型钢混凝土结构或型钢混凝土拉杆受力明确,结构构件尺寸小,构件延性好,但应控制好施工质量。
  参考文献:
  [1]房贞政.预应力结构理论与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2007
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