论文部分内容阅读
摘要：本文结合超限高层建筑工程实例，对其地基基础、主体结构设计、结构计算及超限情况及超限审查进行了分析，以供同行参考。
关键词：超限高层建筑，结构设计
1、工程概况
该建筑由主楼、裙楼和辅楼组成。主楼(室外地面至大屋面)高135.15m,地上31层,地下2层,采用框架-核心筒体系。裙楼(室外地面至屋面最高处)高28.85m,地上4层(局部6层),地下2层,采用框架结构。主楼与裙楼共用大底盘地下室,地面部分用防震缝分开。工程总用地面积65854.6m2,建筑占地面积15762.50m2,总建筑面积135221.02m2。该工程抗震设防烈度7度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度值为0.10g,设计特征周期为0.35s。建筑抗震设防类别为乙类。建筑结构安全等级主楼为一级,裙楼及辅楼为二级。地基基础设计等级主楼为甲级,裙楼及辅楼为乙级。基本风压值w0=0.35kN/m2,地面粗糙度B类,基本雪压0.10kN/m2。结构的设计使用年限为50年。
该工程±0.00相当于绝对标高489.00m,抗浮设防水位485.50m。
2、地基基础
2.1拟建场地的地质资料
拟建场地类别为Ⅱ类,属中软~中硬土。土层结构由上而下依次为填土、黏性土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂、卵石层、泥岩。地基土主要土层的工程特性指标见表1。
2.2主楼基础选型
根据该工程的地质资料,主楼底板标高处为承载力较高的中密和密实卵石层,承载力特征值fak≥580kPa,适宜采用天然地基。综合考虑到上部结构及地下室的结构类型、场地的施工条件及对周边相邻建筑的影响,主楼部分初步确定采用整体式筏板基础。经过计算发现基础采用整体式筏板基础后,由于两个筒体承受的荷载比周边柱的大很多,考虑整体作用冲切计算需要的筏板厚度达3.4m,配筋太大且布筋困难。经过分析,最终采取了两个筒体单独做筏板(筏板厚度为2.8m),周边与地下室外墙相连的柱做条形基础(基础高度为1.5m),独立柱做独立基础(基础高度为1.5～1.6m)的方案,使筏板厚度及配筋量都大大减小。通过调整基础尺寸,各类基础的沉降量相差很小,其沉降值:筏板基础为21mm,条形基础为17mm,独立基础为17～19mm。采用该基础布置方案,中筒筏板下卵石层的承载力得到充分利用,下卧层泥岩的承载力经复核也满足要求。
3主体结构设计
3.1防震缝设置
由于建筑平面尺度很大,在主楼与裙房间的地面以上部分设置伸缩缝(兼防震缝),将其划分为尺度较小的结构单元,以减少温度及收缩应力的影响。鉴于主楼及裙房的基础持力层良好,压缩层较薄,主楼与裙房之间的沉降差异较小,并且考虑到主楼的抗震稳定性,故不再设置沉降缝,仅于主楼与裙楼间设置沉降后浇带。
3.2主体结构选型
主楼采用框架-核心筒体系,框架抗震等级为一级,核心筒抗震等级为特一级。
主楼体型是在长方体的基础上,对处于反对称位置的部分立面进行扭曲90°而形成的。由此使位于东西两端的部分框架柱(共4根,约占总数的15.4%)不能直接落地,部分柱成为斜柱,竖向荷载的传递路径发生改变,形成复杂的空间结构体系。其中:1)东西立面的第二根柱,在层8以上为直线柱,在层8以下该柱弯折后落地;2)东西立面的第三、四根柱,在层18,26进行转换,由核心筒出挑伸臂桁架承托层18,26以上的柱子,把该部分的荷载转换到核心筒上去;3)为满足下部设置大空间的需要,在层1～7抽掉了位于两个核心筒之间的柱,在层8~9设置跨度为17m的转换桁架。
为提高框架柱的延性和减小柱的面积,外围框架斜柱沿柱全高、直柱在层19以下采用直径为700mm的钢管混凝土柱,钢管壁厚12～14mm,内填C40～C60混凝土。钢管柱与框架梁的连接主要采用环梁节点,该节点已在我国20多幢高层建筑(最高68层)中得到成功应用[1],是一种构造简单、造价低、适用于与多方向梁相连接、利于施工的连接方式,同时也通过了多批节点的静力试验和反复载荷试验,是安全可靠的。部分钢管柱与框架梁的连接采用穿心和半穿心牛腿节点。
核心筒、楼盖梁板及层19以上的框架柱(斜柱除外)均采用钢筋混凝土结构,以降低造价。为满足建筑的交通要求(开设门洞)和减轻自重,悬挑桁架采用钢结构,与悬挑桁架相连的核心筒剪力墙中设置部分钢骨,使悬挑桁架牢固地连接于核心筒上。
该工程采用了高位转换(现行规范规定的转换层高度不宜超过5层,该结构最高为26层),为超限高层结构。为保证结构的安全,除满足现行规范的设计指标外,根据建设部《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2006]220号通知文件),基于按性能设计的理念,对于核心筒底部加强区和转换桁架(转换梁),以及外围框架柱中断区域,要求在设防烈度(中震)下保持弹性工作状态,并严格控制小震下的层间位移。加强相应区域及核心筒的抗震构造措施,控制柱的轴压比(不大于0.75）及剪力墙轴压比,提高核心筒安全度,并采用多程序分析比较及多阶段(小、中、大震)抗震设计。
3.3主楼转换桁架
主楼轴④与轴相交处的两根柱,由于功能需要在层8以下取消,从而形成高位转换。通过方案比较并与建筑方面协调,采用了在层8~9的两层空间内设置桁架式转换结构(图1),桁架杆件采用型钢混凝土制作。桁架支座处的筒体边缘构件也配置了型钢以减小该处的局部应力。
图1轴④，处人字转换桁架立面布置图
主楼轴③与轴相交处的两根柱Z1,以及轴④与轴,轴②与轴相交处的两根柱Z2,由于建筑立面造型的需要不能直接落地,分别在层17,25与斜柱相交。为减小斜柱的压力,并结合电算结果的内力分布情况,经与建筑协调,对柱Z1采用了分别在层17,层25的一层空间内设置两榀桁架式转换结构,对柱Z2采用了在层25的一层空间内设置一榀桁架式转换结构的方案(图2),桁架的上下弦杆件采用型钢混凝土制作。桁架的上下弦桿均延伸至筒体的整个宽度,以平衡桁架的倾覆力矩,桁架支座处的筒体边缘构件也配置了型钢以减小该处的局部应力。
图21,2号转换桁架立面布置图
3.4预应力结构
主楼两筒体间的净跨为16.6m,中部因功能需要不能设柱。由于层高及净高限制,梁高需控制在600~900mm范围(其中跨中范围600~700mm,支座范围700~900mm),为满足建筑的净高要求,经分析研究,决定该范围内采用预应力梁。在进行预应力梁布置时,由于两端均为剪力墙,如果采用普通的布置方式,对预应力的张拉及建立均较难实现,且两端支座配筋量与跨中相比很大,配筋困难。为方便施工,设计时采用了通过由两边筒体挑出一定长度的主梁支承的封口梁,然后在此基础上布置预应力次梁。由于出挑长度适当,悬挑主梁的配筋量有所降低,采用普通钢筋混凝土梁即可,预应力次梁的受力分析也大大简化,布筋也相对简单,支承预应力次梁的封口梁的扭转效应由于悬挑主梁端部有一定的转角变形的影响也大大减小。采用该布置方式后,仅中部的次梁采用预应力,土建施工时在次梁端部预留张拉孔供预应力张拉,施工方便。
4 结构计算
主楼采用SATWE及ETABS软件进行结构在恒载、活载、风载、地震作用下的内力计算和时程分析,并考虑扭转耦联效应。主要分析结果见表2。
主要分析结果 表2
5 超限情况及超限审查
如前所述,该项目主楼为B级高度高层建筑,采用了悬挑钢桁架高位转换的长斜柱混合结构体系,属超限高层建筑工程。还要进行了超限抗震专项审查，根据专家委员会的审查意见,进行了以下的修改和补充工作:
(1)对于主楼高位转换桁架,采用了手算清理荷载的方法复核。位于悬挑桁架端部的集中力按电算结果为1880kN(设计值,下同),初步设计时做了放大,取为2200kN。此次手算清理荷载的结果为按恒载+活载的组合值为3180kN,按恒载+活载+地震作用(水平+竖向)的组合为2810kN(由地震引起的竖向力乘了1.5的放大系数,由于总内力中地震引起的内力比例不大,不起控制作用),按3180kN计算,桁架应力比由0.67增大为1.05,为此对桁架作了截面调整,调整后的最大应力比为0.93。
(2)考虑了个别斜柱失效后的计算。取层14~15楼面之间的受力最大的一根斜柱失效(退出工作),按不屈服计算(荷载和材料设计强度均采用标准值,下同),在无震和大震作用下,该斜柱所支承的上一层(层15)的设计配筋,能满足斜柱失效后相应的框架梁不屈服的条件,不会引起楼层垮塌。在大震作用下,不受该柱支承的其余框架梁有部分出现超筋,表明这些梁端在大震下出现塑性铰,但是由于有相应的柱支承,不会垮塌。
(3)考虑悬挑转换桁架的腹杆失效(如压杆屈曲退出工作)。桁架弦杆退化为钢梁,按不屈曲计算,原设计的配筋能满足桁架腹杆失效后转换桁架以上各层框架梁不屈服的条件,不会出现楼层垮塌的结果。
(4)虽然钢筋混凝土梁和钢管混凝土柱连接的环梁节点已在国内几十项工程中实施,但由于该工程梁与柱属斜交连接，故根据审查意见,专门进行了试验。
6 结语
该工程的结构设计根据项目的具体特点,在基础优化设计、钢管混凝土斜柱抗剪环-环梁节点设计、高位转换桁架设计计算、预应力梁布置方案、防连续倒塌设计、抗震性能设计等方面进行了探索。在保证安全的前提下,在技术先进性、经济性和使用性等方面均取得了较好的效果。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：超限高层建筑，结构设计
1、工程概况
该建筑由主楼、裙楼和辅楼组成。主楼(室外地面至大屋面)高135.15m,地上31层,地下2层,采用框架-核心筒体系。裙楼(室外地面至屋面最高处)高28.85m,地上4层(局部6层),地下2层,采用框架结构。主楼与裙楼共用大底盘地下室,地面部分用防震缝分开。工程总用地面积65854.6m2,建筑占地面积15762.50m2,总建筑面积135221.02m2。该工程抗震设防烈度7度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度值为0.10g,设计特征周期为0.35s。建筑抗震设防类别为乙类。建筑结构安全等级主楼为一级,裙楼及辅楼为二级。地基基础设计等级主楼为甲级,裙楼及辅楼为乙级。基本风压值w0=0.35kN/m2,地面粗糙度B类,基本雪压0.10kN/m2。结构的设计使用年限为50年。
该工程±0.00相当于绝对标高489.00m,抗浮设防水位485.50m。
2、地基基础
2.1拟建场地的地质资料
拟建场地类别为Ⅱ类,属中软~中硬土。土层结构由上而下依次为填土、黏性土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂、卵石层、泥岩。地基土主要土层的工程特性指标见表1。
2.2主楼基础选型
根据该工程的地质资料,主楼底板标高处为承载力较高的中密和密实卵石层,承载力特征值fak≥580kPa,适宜采用天然地基。综合考虑到上部结构及地下室的结构类型、场地的施工条件及对周边相邻建筑的影响,主楼部分初步确定采用整体式筏板基础。经过计算发现基础采用整体式筏板基础后,由于两个筒体承受的荷载比周边柱的大很多,考虑整体作用冲切计算需要的筏板厚度达3.4m,配筋太大且布筋困难。经过分析,最终采取了两个筒体单独做筏板(筏板厚度为2.8m),周边与地下室外墙相连的柱做条形基础(基础高度为1.5m),独立柱做独立基础(基础高度为1.5～1.6m)的方案,使筏板厚度及配筋量都大大减小。通过调整基础尺寸,各类基础的沉降量相差很小,其沉降值:筏板基础为21mm,条形基础为17mm,独立基础为17～19mm。采用该基础布置方案,中筒筏板下卵石层的承载力得到充分利用,下卧层泥岩的承载力经复核也满足要求。
3主体结构设计
3.1防震缝设置
由于建筑平面尺度很大,在主楼与裙房间的地面以上部分设置伸缩缝(兼防震缝),将其划分为尺度较小的结构单元,以减少温度及收缩应力的影响。鉴于主楼及裙房的基础持力层良好,压缩层较薄,主楼与裙房之间的沉降差异较小,并且考虑到主楼的抗震稳定性,故不再设置沉降缝,仅于主楼与裙楼间设置沉降后浇带。
3.2主体结构选型
主楼采用框架-核心筒体系,框架抗震等级为一级,核心筒抗震等级为特一级。
主楼体型是在长方体的基础上,对处于反对称位置的部分立面进行扭曲90°而形成的。由此使位于东西两端的部分框架柱(共4根,约占总数的15.4%)不能直接落地,部分柱成为斜柱,竖向荷载的传递路径发生改变,形成复杂的空间结构体系。其中:1)东西立面的第二根柱,在层8以上为直线柱,在层8以下该柱弯折后落地;2)东西立面的第三、四根柱,在层18,26进行转换,由核心筒出挑伸臂桁架承托层18,26以上的柱子,把该部分的荷载转换到核心筒上去;3)为满足下部设置大空间的需要,在层1～7抽掉了位于两个核心筒之间的柱,在层8~9设置跨度为17m的转换桁架。
为提高框架柱的延性和减小柱的面积,外围框架斜柱沿柱全高、直柱在层19以下采用直径为700mm的钢管混凝土柱,钢管壁厚12～14mm,内填C40～C60混凝土。钢管柱与框架梁的连接主要采用环梁节点,该节点已在我国20多幢高层建筑(最高68层)中得到成功应用[1],是一种构造简单、造价低、适用于与多方向梁相连接、利于施工的连接方式,同时也通过了多批节点的静力试验和反复载荷试验,是安全可靠的。部分钢管柱与框架梁的连接采用穿心和半穿心牛腿节点。
核心筒、楼盖梁板及层19以上的框架柱(斜柱除外)均采用钢筋混凝土结构,以降低造价。为满足建筑的交通要求(开设门洞)和减轻自重,悬挑桁架采用钢结构,与悬挑桁架相连的核心筒剪力墙中设置部分钢骨,使悬挑桁架牢固地连接于核心筒上。
该工程采用了高位转换(现行规范规定的转换层高度不宜超过5层,该结构最高为26层),为超限高层结构。为保证结构的安全,除满足现行规范的设计指标外,根据建设部《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2006]220号通知文件),基于按性能设计的理念,对于核心筒底部加强区和转换桁架(转换梁),以及外围框架柱中断区域,要求在设防烈度(中震)下保持弹性工作状态,并严格控制小震下的层间位移。加强相应区域及核心筒的抗震构造措施,控制柱的轴压比(不大于0.75）及剪力墙轴压比,提高核心筒安全度,并采用多程序分析比较及多阶段(小、中、大震)抗震设计。
3.3主楼转换桁架
主楼轴④与轴相交处的两根柱,由于功能需要在层8以下取消,从而形成高位转换。通过方案比较并与建筑方面协调,采用了在层8~9的两层空间内设置桁架式转换结构(图1),桁架杆件采用型钢混凝土制作。桁架支座处的筒体边缘构件也配置了型钢以减小该处的局部应力。
图1轴④，处人字转换桁架立面布置图
主楼轴③与轴相交处的两根柱Z1,以及轴④与轴,轴②与轴相交处的两根柱Z2,由于建筑立面造型的需要不能直接落地,分别在层17,25与斜柱相交。为减小斜柱的压力,并结合电算结果的内力分布情况,经与建筑协调,对柱Z1采用了分别在层17,层25的一层空间内设置两榀桁架式转换结构,对柱Z2采用了在层25的一层空间内设置一榀桁架式转换结构的方案(图2),桁架的上下弦杆件采用型钢混凝土制作。桁架的上下弦桿均延伸至筒体的整个宽度,以平衡桁架的倾覆力矩,桁架支座处的筒体边缘构件也配置了型钢以减小该处的局部应力。
图21,2号转换桁架立面布置图
3.4预应力结构
主楼两筒体间的净跨为16.6m,中部因功能需要不能设柱。由于层高及净高限制,梁高需控制在600~900mm范围(其中跨中范围600~700mm,支座范围700~900mm),为满足建筑的净高要求,经分析研究,决定该范围内采用预应力梁。在进行预应力梁布置时,由于两端均为剪力墙,如果采用普通的布置方式,对预应力的张拉及建立均较难实现,且两端支座配筋量与跨中相比很大,配筋困难。为方便施工,设计时采用了通过由两边筒体挑出一定长度的主梁支承的封口梁,然后在此基础上布置预应力次梁。由于出挑长度适当,悬挑主梁的配筋量有所降低,采用普通钢筋混凝土梁即可,预应力次梁的受力分析也大大简化,布筋也相对简单,支承预应力次梁的封口梁的扭转效应由于悬挑主梁端部有一定的转角变形的影响也大大减小。采用该布置方式后,仅中部的次梁采用预应力,土建施工时在次梁端部预留张拉孔供预应力张拉,施工方便。
4 结构计算
主楼采用SATWE及ETABS软件进行结构在恒载、活载、风载、地震作用下的内力计算和时程分析,并考虑扭转耦联效应。主要分析结果见表2。
主要分析结果 表2
5 超限情况及超限审查
如前所述,该项目主楼为B级高度高层建筑,采用了悬挑钢桁架高位转换的长斜柱混合结构体系,属超限高层建筑工程。还要进行了超限抗震专项审查，根据专家委员会的审查意见,进行了以下的修改和补充工作:
(1)对于主楼高位转换桁架,采用了手算清理荷载的方法复核。位于悬挑桁架端部的集中力按电算结果为1880kN(设计值,下同),初步设计时做了放大,取为2200kN。此次手算清理荷载的结果为按恒载+活载的组合值为3180kN,按恒载+活载+地震作用(水平+竖向)的组合为2810kN(由地震引起的竖向力乘了1.5的放大系数,由于总内力中地震引起的内力比例不大,不起控制作用),按3180kN计算,桁架应力比由0.67增大为1.05,为此对桁架作了截面调整,调整后的最大应力比为0.93。
(2)考虑了个别斜柱失效后的计算。取层14~15楼面之间的受力最大的一根斜柱失效(退出工作),按不屈服计算(荷载和材料设计强度均采用标准值,下同),在无震和大震作用下,该斜柱所支承的上一层(层15)的设计配筋,能满足斜柱失效后相应的框架梁不屈服的条件,不会引起楼层垮塌。在大震作用下,不受该柱支承的其余框架梁有部分出现超筋,表明这些梁端在大震下出现塑性铰,但是由于有相应的柱支承,不会垮塌。
(3)考虑悬挑转换桁架的腹杆失效(如压杆屈曲退出工作)。桁架弦杆退化为钢梁,按不屈曲计算,原设计的配筋能满足桁架腹杆失效后转换桁架以上各层框架梁不屈服的条件,不会出现楼层垮塌的结果。
(4)虽然钢筋混凝土梁和钢管混凝土柱连接的环梁节点已在国内几十项工程中实施,但由于该工程梁与柱属斜交连接，故根据审查意见,专门进行了试验。
6 结语
该工程的结构设计根据项目的具体特点,在基础优化设计、钢管混凝土斜柱抗剪环-环梁节点设计、高位转换桁架设计计算、预应力梁布置方案、防连续倒塌设计、抗震性能设计等方面进行了探索。在保证安全的前提下,在技术先进性、经济性和使用性等方面均取得了较好的效果。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。