某工程大底盘多塔结构设计

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2010-10-22 17:40 热度:

  [摘要]以上海某商业中心为例,介绍了大底盘多塔楼结构设计的特点,例如大底盘结构基础设计中沉降差的控制,以及对结构计算过程中规范要求的关键指标的把握;并指出在多塔楼结构设计中上部结构嵌固部位的确定,对结构计算模型的选取至关重要。
  [关键词]大底盘多塔结构;嵌固部位;上下层刚度比;平动周期;扭转周期
  
  STRUCTURALDESIGNOFMULTI—TOWERWITHALARGE
  CHASSIS—M0UNTF0RACERTAINOFFICEBUILDING
  WuZhen
  (TianhuaArchitecturalPlanning&EngineeringLtd,shanghai,200235,China)
  
  ABSTRACT:Thecharacteristicsfordesignoflarge-chassis-mountmulti-towerstructuresarepresentedbyintroducingabusinesscentre.Thecontrolofthesettlementdifferencefordesignofthiskindofstructuresandthekeyindicesrequiredincodesforstructuralcalculatingarediscussed.Thispaperemphasizesthatthefixingoftheupperstructuresatthebottompartsareofgreatimportancetostructuralanalyticalmodels.
  
  KEYWORDS:large-chassis-mountmulti-towerstructures;fixingparts;uppertolowerstorystiffnessratio;post-castingbelts
  
  近年来,大底盘多塔楼结构作为一种建筑形式越来越多的被采用。《高规》第10章中指出复杂高层包括带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构和多塔楼结构。可见多塔楼结构应属于复杂高层,在设计上应引起一定的重视。本文将以某商业中心为例对多塔楼结构在结构设计中的应注意问题作以分析和探讨。
  
  1工程概况
  
  本工程为上海市某居民区的配套商业地块,集办公、酒店、超市、商场于一体。总建筑面积4.7万m2。地下1层,地上由四栋塔楼组成,分别为办公楼、酒店、餐饮和配套商业楼。皆为现浇钢筋混凝土框架结构,办公楼、酒店地上为10层+1层构架,总高度41.100m;餐饮和配套商业楼地上3层,总高度12.800m。地下室建筑面积为12892.75m2,其中人防建筑面积5978.1平方米,位于办公楼和配套商业楼下部。地下室平面图和地上透视图如图1和图2所示。
  图1地下室平面图
  a13.jpg
  
  图2地上结构透视图
  a12.jpg
  
  2工程地质与基础设计
  
  2.1场地地质情况
  
  根据工程地质勘察报告,拟建场地的抗震设防烈度为7°,基本地震加速度为0.1g,地震分组为第一组。场地土类型为软弱土,属抗震不利地段。建筑场地类别为Ⅳ类,无液化土层。场地地下水属潜水类型,年平均高水位埋深0.5m,低水位1.5m。地下水和土对混凝土无侵蚀性。各土层参数见表1。
  
  
  表1土层参数表
  层号 土层名称 层底标高(m) 天然重度(kN/m3) Es1-2
  (MPa) Es
  (MPa) 桩侧极限摩阻力标准值(kPa) 桩端端阻力标准值(kPa) () Ck(kPa)
  ② 粘土 0.7~0.8 18.8 4.13  15  18 
  ③2 粘质粉土 -1.6~-1.5 18.3 8.1  15  29 
  ③3 淤泥质粉质粘土 -5.9~-5.7 17.4 2.78  15  16.5 
  ⑤1-1
   粘土 -19.7~-19.7 17.6 3.17  35  23 
  ⑤1-2
   粉质粘土 -27.8~-25.1 18 5.1  50 1000 17.5 
  ⑥ 粘土 -27.8~-27.4 19.7 7.9  70 1000 31 
  ⑦1 砂质粉土 -38.2~-37.9 19.2 8.14 25 75 4500 32 
  ⑦2 粉砂 -88.2~-87.9 18.7 14.85 44    
  
  根据拟建场地地层分布状况,第⑦1层作为本工程的地基持力层。
  
  2.2基础设计概况
  
  本工程地下室底板标高为-6.000m,底板厚度600mm,室外地坪-0.600m,地下水高水位为室外以下0.5m,即-1.100m;地下水低水位为室外以下1.5m,即-2.100m。故抗浮时水头高度为5.7m,抗压时为4.5m。而餐饮与配套商业楼地上为三层建筑,当主体施工完毕而未投入使用时,即PM计算中不计入活荷载和填充墙荷载时,与倒楼盖(5.7×10-0.6×25)=42KN/M2的荷载倒于各柱顶的荷载作比较,结果发现两幢三层建筑处于抗浮状态。
  本工程整体采用直径Ф500的预应力高强混凝土管桩,柱下设置独立承台,依据冲切计算结果,办公与酒店柱下承台高1300mm,其余柱下承台高900mm。地下室底板厚600mm。
  对办公与酒店基桩持力层采用⑦1层砂质粉土层,为充分发挥基桩承载力,且有效的控制沉降,桩长取36m,进入⑦1层7m左右。⑦1层土ps平均值为8.55,考虑到沉桩可能会存在难度,采用捶击桩,建议选择较大吨位的压桩设备,而且选用AB型桩提高抗击打能力。实践证明,打桩过程还是比较顺利的。而对于餐饮、配套商业及车库部分的抗拔桩,桩长为24m。桩尖持力层为⑤1-2层灰色粉质粘土。桩长的取值以满足承载力要求即可。
  抗拔桩的具体计算步骤如下:①抗拔极限承载力标准值:Tuk=ΣλiQsikuiLi=778KN即单桩抗拔承载力设计值为Ra=778/1.6=485KN.试桩最终加载量为900KN;②抗拔桩的桩身强度为荷载效应基本组合下,N≤FpyApy+FyAs=10×1000×p×10.72/4=898KN;③抗裂验算:对一般要求不出现裂缝的二级裂缝控制等级的预应力基桩,在荷载效应标准组合下拉应力不应大于混凝土轴心受拉强度标准值,应符合σck-σpc≤ftk;
  先计算各桩型的抗裂预应力值:①对AB型的工程桩,其混凝土有效预压应力为5.3MPa,故其抗裂预应力为5.3×p×(5002-3002)/4=665.6KN<485/1.25=388;②对B型试桩,其混凝土有效预压应力为7.56MPa,故其抗裂预应力为5.3×p×(5002-3002)/4=950<900KN/1.25=725KN。故已满足。
  
  3上部结构设计
  3.1上部结构嵌固部位的确定
  
  复杂高层所指多塔楼结构的主要特点是,在多个高层建筑的底部有一个连成整体的大裙房,形成大底盘。当1幢高层建筑的底部设有较大面积的裙房时,为带底盘的单塔结构,这种结构是多塔楼结构的一个特殊情况。
  对于本工程中多个塔楼仅通过地下室连为一体,地上无裙房或有局部小裙房但不连为一体的情况,一般不属于《高规》所指的大底盘多塔楼结构。主要是当只有地下室将其连为一体时,理论上可以取地下室顶板做为上部塔楼的嵌固端,这样的话无论上部有几个独立的塔楼,他们都将形成一个个独立嵌固于地下室顶板处的单体。
  高层建筑结构计算中,主体结构计算模型的底部嵌固部位,理论上应能限制构件在两个水平方向的平动位移和绕竖轴的转角位移,并将上部结构的剪力全部传递给地下室。因此对作为主体结构嵌固部位地下室楼层的整体刚度和承载力应加以控制,《高规》规定:高层建筑结构计算中,当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,地下室结构的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍—即为形成嵌固的计算条件。
  如遇到较大面积的地下室而上部塔楼面积较小的情况,在计算地下室结构的侧向刚度时,只能考虑塔楼及其周围的抗侧力构件的贡献,塔楼周围的范围可以在两个水平方向分别取地下室层高的2倍左右。当地下室不能满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时,有条件时可增加地下室楼层的侧向刚度,或者将主体的嵌固部位下移至符合要求的部位,例如筏形基础顶面和箱形基础顶面等。届时便形成了《高规》中的多塔楼复杂高层,不再具备各塔分开计算的条件。
  本工程中对酒店和办公楼皆取主体以外一跨进行刚度复核,结果显示:X,Y方向本层塔侧移刚度与下一层相应塔侧移刚度的比值Ratx,Raty见表2:
  
  表2各楼刚度的比值表
   Ratx Raty
  办公楼 0.5254 0.3948
  酒店 0.1089 0.3836
  餐饮 0.6273 0.5730
  配套商业楼 0.0533 0.0553
  注:由于本工程位于上海地区,而上海市《建筑抗震设计规程》规定,地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,地下室结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的1.5倍。
  
  嵌固部位楼盖应采用现浇梁板结构,楼板厚度不宜小于180mm,混凝土等级不宜低于C30,应采用双层双向配筋,且每层每个方向配筋率不宜小于0.25%;地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外,不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍。
  由于达到了规范要求的嵌固条件,便不再形成大底盘多塔楼结构,也形不成复杂高层和超限高层,也给各塔楼进行各自单独计算奠定了基础,这一点在整个工程的后续工作中非常关键。
  
  3.2工程抗震等级的确定
  
  《抗规》规定:当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时,地下一层的抗震等级应按上部结构采用,地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级,地下室中超出上部主楼范围且无上部结构的部分,其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。
  本工程中,办公楼、酒店及其地下室部分为二级,餐饮、配套商业楼及其地下室部分为三级,车库部分为亦三级。
  
  3.3楼盖以及框架梁、柱截面尺寸的确定
  
  办公楼及酒店部分为高层钢筋混凝土框架结构.结构布置本着受力合理、传力明确、形成双向梁柱抗侧力体系、刚度分配合理、控制结构扭转效应的设计原则,通过调整框架柱平面布置和截面尺寸,框架梁截面来满足对强度与刚度要求。楼板均采用现浇钢筋混凝土结构,从而提高房屋的整体性和抗震性能。
  所有隔墙、填充墙,均采用材质较轻的加气砌块,以减轻结构自重,减弱地震力的作用。
  本工程柱网尺寸7.8m×7.8m左右,标准层层高为3.6m,办公楼及酒店主要柱尺寸如表3:
  
  表3柱截面表
   地下室~3层 4~6层 7~11层
  办公楼 中柱 800X900 700X800 600X600
   边柱 700X800 600X700 500X600
  酒店 800X900(700X800) 600X700 500X600
  
  3.4办公楼的超限问题
  
  办公楼由于建筑功能要求,大堂上空需挑空,故在二层处开设有大洞,平面图见图3:
  a11.jpg
  图3办公楼二层平面图
  
  根据上海市《超限高层建筑工程的认定和抗震概念设计》第3.3条,建筑物规则性超限的认定,下列工程为规则性超限的高层建筑工程:
  (2)不规则程度为下列情况之一的高层建筑工程:
  4)楼板局部不连续,即楼板的尺寸和平面刚度急剧变化,例如,有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的40%,或开洞面积大于该层楼面面积的35%(包括错层);
  现楼板挑空部分正对电梯井处板的有效宽度为4150mm<40%×20700=8280。故判别为为规则性超限高层建筑。进而需报送超限高层建筑初步设计抗震设防专项审查,按照报送抗震办要求,需用两种软件进行计算分析。
  另外该工程亦属扭转不规则,在单项地震作用下考虑±5%偶然偏心时部分楼层最大位移与平均位移的比值超过1.2,但计算结果显示,考虑扭转效应时,位移比为<1.5。
  故判定办公楼属于平面特别不规则的超限高层建筑。《抗规》第3.6.6-3条规定,复杂结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析时,应采用不少于两个的不同力学模型,并对其计算结果进行分析比较。第5.1.2-3条规定,对不规则建筑,应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。
  表4办公楼SATWE、PMSAP主要计算结果比较
  程序名
  项次 SATWE PMSAP
  结构自振周期(S)
  (X向+Y向+扭转) T1 1.521
  (0.97+0.02+0.01) 1.649
  (0.99+0.01+0.00)
   T2 1.505
  (0.03+0.94+0.03) 1.629
  (0.00+0.96+0.04)
   T3 1.368
  (0.01+0.04+0.95) 1.464
  (0.00+0.02+0.98)
  第一扭转第一平动周期比  0.8995 0.8927
  剪重比 X向 4.57% 4.69%
   Y向 4.49% 4.58%
  地震力作用下最大层间位移角((双向地震)) X向 1/595 1/664
   Y向 1/563 1/574
  地震力作用下
  顶点最大水平位移(mm) X向 48.83 47.90
   Y向 55.86 56.76
  地震力作用下层间
  最大位移与平均位移之比(无偶然偏心) X向 1.05 1.02
   Y向 1.18 1.19
  地震力作用下层间最大位移与平均位移之比(+5%偶然偏心,-5%偶然偏心) X向 1.02(1.08) 1.01(1.04)
   Y向 1.38(1.06) 1.37(1.04)
  上部结构上下层
  最大刚度比 X向 1.2500 1.25
   Y向 1.2500 1.25
  Ratio1(注1) X向 0.5254 0.5248
   Y向 0.3948 0.3949
  有效质量系数 X向 98.68% 96.42%
   Y向 98.28% 95.83%
  最大轴压比 框架柱 0.65 0.64
  
  注1:Ratio1为每层X,Y方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者的最小值。
  
  3.4主要计算结果
  
  3.4.1办公楼SATWE和PMSAP分析结果比较
  
  本工程超限的办公楼部分采用了SATWE和PMSAP两个软件进行了计算分析,模型以地下室顶板作为上部结构的嵌固端,采用了扭转耦联的振型分解反应谱法,考虑了单向地震作用下±5%偶然偏心及双向地震作用的扭转效应。计算结果见表1。
  
  3.4.2办公楼弹性动力时程分析和振型分解反应谱法计算结果分析
  
  办公楼还采用RHITG090一条人工波及NIN-A-4和MIN-4两条天然波补充进行了多遇地震下的弹性动力时程分析,结果见表2。
  
  表5弹性时程分析结构地震响应计算结果
  结构响应 最大层间位移角 底部剪力 倾覆弯矩
   X向 Y向 X向 Y向 X向 Y向
  CQC 1/664 1/574 9354.72 9125.16 2.69e+5 2.63e+5
  RH1TG09 1/761 1/688 7614.65 7342.44 2.15e+5 2.11e+5
  NIN-A-4 1/738 1/745 7439.83 7446.06 1.94e+5 1.97e+5
  NIN-4 1/750 1/707 7402.63 7408.85 1.93e+5 1.97e+5
  平均值 1/750 1/712 7485.70 7399.12 2.01e+5 2.02e+5
  
  由上表可见每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%(即:X向:9354.72×65%=6080;Y向:9125.16×65%=5931.);而其平均值亦不小于振型分解反应谱法计算结果80%(即:X向:9354.72×80%=7483;Y向:9125.16×80%=7300)。可见地震波的选用是合适的。
  
  3.4.3单体模型和整体模型计算结果比较
  
  对本工程中单独模型与整体模型计算的各项参数做一比较,结果见表6。
  
  表6单独模型与整体模型的几项结果比较
  程序名
  项次 办公楼 酒店
   单体模型 整体模型 单体模型 整体模型
  地震力作用下最大层间位移角(双向地震) X向 1/595 1/572 1/567 1/579
   Y向 1/563 1/561 1/585 1/613
  位移比(无偶然偏心) X向 1.05 1.06 1.06 1.06
   Y向 1.18 1.14 1.10 1.06
  Ratio1(注1) X向 0.5254 0.0209 0.1089 0.0202
   Y向 0.3948 0.0319 0.3836 0.0310
  
  由表6可见,两个模型中几项可参考的参数还是比较接近的。但整体模型中输出的周期、有效质量系数、剪重比等这些参数并不适合于多塔结构,故不具有可比性。
  对于大底盘与多塔的分界部位为地上某层时,由于每一个塔都是独立自由振动的,所以结构的剪重比、刚度比、位移比和周期比都应按各塔分别进行控制;对于整体的配筋计算,则一定要以不切开的模型计算结果为准;而对于本工程是上部结构的嵌固部位(即地下一层顶板)就是大底盘与多塔的分界部位则无此限制(如本工程各单体的内力计算模型取各塔分开的计算模型即可),且应注意以刚性楼板假定的计算结果为适用原则。
  
  3.5构造加强措施
  
  针对办公楼二层开设大洞的部位采取有效的加强措施,如,对二层周边的板均采用150厚,配筋Ф10◎150双层双向。开洞部位相应的三层楼板的厚度及配筋也做了加强。
  地下室顶板室内和室外相交处,形成了错层,对该处竖向构件提高一级采取抗震构造措施;水平构件宜采取梁竖像加腋的方式,以有效保证地震力的可靠传递。
  本工程由于地下室占地面积近14000m2,面积较大且为深基坑,故针对地下室及外墙的防裂措施显得尤为重要。本工程中具体采取以下措施来提高其抗裂性能:
  ①设置后浇带。后浇带在本工程中有两方面的作用,即抗裂和调整差异沉降。故后浇带的浇注时间须待主楼封顶后方可浇筑。
  ②添加混凝土抗裂剂,来改善混凝土的抗裂性。
  ③楼板及外墙采用较为细密的双层双向钢筋。
  ④由于地下室顶板室外与室内不处于同一个标高,其实对地下室顶板是有效的。
  
  4结束语
  
  本工程的结构设计工作,克服了工程中的设计难点,计算内力和变形等数据均能满足《建筑抗震设计规范》的要求,结构施工图审查结果良好,在土建造价、设计成本和设计周期控制等方面达到了很好的效果。在类似结构设计中,应注意以下问题:
  ①在带底盘的塔楼结构中,底盘是关键所在。底盘的刚度、高度、承载力的变化都会对结构的地震反应产生明显的影响。应避免底盘刚度过小、高度过高的情况。
  ②多塔体系采用整体建模时,不存在严格的各塔独立的周期,任一振型和周期都不能理解为某一塔的振型或周期,而应理解为整个结构的振型和周期。对于某一振型,各塔有大小不同的贡献,或者说各塔对该振动有不同的反应。我们应根据结构空间振动的形态,对具体工程各振型的振动特征作出定性判断。
  ③采用SATWE整体计算时,不能准确反映剪重比的情况,主要是由于当采用多塔模型,输出结果为单塔任一楼层层间剪力与总楼层层间重力荷载代表值的比值,需采用单体建模,才能反应真实情况。
  ④对于复杂结构体系,必须认真做好概念设计,分析总结结构特点和结构难点,找出简洁可靠的结构处理方法,应特别注意以刚性楼板假定的计算结果为适用原则,作出总体结构布置。整体结构计算的结果应当是最总体概念设计的量化和证实,因此结构计算的模型应能较好地反映结构的实际工作状态,以免误导设计。除非底盘刚度相对于上部刚度很大的结构,一般情况下,不能简单地将其简化为单塔楼结构进行计算。
  
  参考文献
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  研究院PKPMCAD工程部,2005.
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  [4]JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
  [5]徐培福,黄小坤.高层建筑混凝土结构技术规程理解与应用[J]北京:中国建筑工业出版社,2003.
  [6]复杂多层、高层建筑结构分析与设计软件(广义协调墙元模型)PMSAP[R].北京:中国建筑科学
  研究院PKPMCAD工程部,2006.
  

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