摘要:本工程结构设计针对项目的实际情况,针对限、转换及非荷载效应等难点,根据安全、适用、经济的原则,提出了一系列的解决方案及构造措施,可为类似高层建筑的设计提供了参考。并对结构布置和选型、结构设计措施及计算进行了论述。
关键词:高层建筑、结构布置、计算分析、结构设计
1工程简介
某大厦为大底盘双塔楼建筑,总建筑面积约14万m2,地面以下建筑面积约3万m2,设4层地下室作为停车库,其中负4层兼作6级人防地下室;地上部分建筑面积约11万m2。本工程南北地块统一布局,共设6层裙楼,不设结构防震缝;裙楼以上楼建筑高度175.5m,采用框架-核心筒结构;楼建筑高度99.7m,采用框架-剪力墙结构。本工程抗震设防烈度为7度(商场区域为乙类建筑,抗震构造措施按8度),场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第1组。
2结构设计重点
本工程建筑造型独特,裙楼建筑功能丰富,要求裙楼商业区域有较多的大空间,并对结构高度作出了严格的限制,结构设计中有以下问题需重点解决:
⑴房屋高度为175.5m,采用钢管混凝土柱框架-核心筒体系,据《高层建筑混凝土结构设计技术规程》规定的A级高度为130m。
⑵大厦限结构的位移控制及稳定性验算;
⑶大厦部分由于裙楼大空间的要求,造成多处竖向构件上下不连续,
需进行大跨度结构转换;
⑷竖向构件差异变形的影响及分析。
3结构布置和选型
根据建筑使用功能及立面的需要,本工程采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系,利用电梯井、楼梯间及设备用房等设置沿建筑物全高贯通的核心筒,框架柱则设置在建筑物周边,以使建筑空间能灵活分隔。为提高结构的抗震性能及控制框架柱的轴压比,框架柱和转换桁架支柱均采用钢管混凝土柱。
4结构设计措施及计算分析
4.1整体计算分析
考虑本工程的特殊性,我们采用多个空间结构分析程序进行计算对比分析,并对各程序的计算结果进行判断后用于构件设计。整体分析主要以中国建研院编制的《多层及高层建筑空间有限元分析及设计软件》SATWE为主,采用PMSAP进行设计验证;对于转换桁架及转换大梁等关键构件则采用充分考虑构件轴向变形的ETABS等程序进行重点分析。根据JGJ3-2002《高层建筑混凝土结构设计技术规程》的有关要求,并为确保限结构的安全,本工程计算中按《地震安全性评价报告》所提供的场地人工地震波输入结构作弹性动力时程分析;计算中按罕遇地震的地震影响系数对结构作地震作用下的弹性内力分析,把罕遇地震作用下的弹性内力和竖向荷载进行组合,依次验算落地剪力墙的抗剪强度以及楼板薄弱位置的抗拉、抗剪强度,保证其满足强度要求(验算时荷载分项系数取1.0,材料强度取标准值),以确保在设计罕遇地震作用下关键构件不出现脆性破坏,从而保证符合“大震不倒”的设计原则。
针对本工程结构X向高宽比为5.27及抗侧刚度较小的特点,设计在采用框架-核心筒结构的基础上,设置外框架加强构造宽扁梁及X向宽梁,采用提高竖向构件强度及弹性模量而不加大构件截面及重量的措施,从而达到提高刚重比的要求。本工程在风荷载及地震荷载作用下的最大层间位移见表1,地震荷载及风荷载作用下最大层间位移均未过规范限值1/694。
表1风荷载、地震作用下结构的层间位移
注:括号内数字为PMSAP结果。
4.2转换桁架的设计
根据建筑立面和功能的要求,本工程部分局部结构竖向柱构件上下不连续贯通,需要进行竖向构件转换,考虑工程实际情况,转换结构考虑采用以下3种形式:
1)采用局部梁上托柱转换,通过在7层平面(裙楼屋面)设置1.8m厚的大跨度梁式及厚板式转换层,厚板局部挖空并在其中埋置钢箱暗梁,形成空间受力的宽扁钢-混凝土组合转换梁组,共同支撑上部结构柱。这种转换结构占用建筑空间较高,结构刚度突变较大,抗震性能不甚理想,故设计中未作考虑。
2)采用斜撑式转换结构(如图1),斜撑角度约为51°。由于桁架上弦的拉力及斜撑水平分力的作用,部分剪力墙远端墙肢存在受力及剪力较大,设计时采用反向斜撑平衡部分内力,并在转换桁架上下层柱及剪力墙中加设钢骨,共同抵抗拉力及剪力,必要时可在剪力墙远端墙肢加预应力以减小墙肢的拉力。承受轴向拉力的框架梁,设计时采用与柱中钢骨焊接连通的钢骨混凝土梁。斜撑转换结构尽管对上下层酒店有一定影响,但不影响下层大空间使用,
图1斜撑转换侧面示意图
效果较理想,但由于水平构件及竖向构件均出现一定的拉力,故其构造相对较复杂。
3)由于建筑方案的变化,设计上最终选用了采用传力更合理的桁架式转换结构,其主要转换构件均采用抗震性能好的钢-混凝土组合构件。在不影响建筑功能使用的前提下,在4～5层间设置跨层桁架,既充分利用了空间,又提高了桁架的高度,能有效地减小桁架的挠度,使竖向构件不再出现拉力,水平构件的拉力可以大幅减小。由于转换桁架跨度将近20m,两端框支柱弯矩达5000kN•m,设计上考虑在转换层对钢管柱进行外包钢筋混凝土以增大框支柱整体刚度,减小柱的平面内变形,从而可减小桁架的挠度。另外,为减少托换柱与周边柱变形差造成的梁端弯矩增大,设计中根据计算结果对转换桁架的施工提出了严格的预拱要求。
4.3竖向构件差异变形的分析及措施
本工程楼高层外边框柱、裙楼部分大跨度两端柱及楼转换层以下的支承柱均采用承载力高及抗震性能好的钢管混凝土柱,解决了高层柱、大跨度柱及框支柱采用普通钢筋混凝土时截面过大的问题,但由于计算时对钢管内混凝土三向受力弹性模量不能真实模拟,带来了钢管混凝土柱压缩变形普遍偏大的问题,再加上计算程序对钢筋混凝土构件徐变效应的考虑不足,使部分主楼与裙楼相连的框架梁及高层塔楼框架梁出现了一些不合理的受力情况。针对以上情况,设计考虑以下解决办法:
在楼与裙楼间设后浇带,可有效地解决楼与裙楼柱压缩变形差引起的问题。计算时以SATWE模拟施工方式①计算,考虑消除支座变形差时以竖向构件刚度放大的模拟施工方式②对部分构件进行设计,并结合不同结果综合考虑。
楼外框柱与内筒考虑施工时内筒负荷先上、外框负荷后上的因素,在承载力及刚度满足的基础上适当减小内筒墙厚并控制其轴压比。在高层塔楼水平构件设计时考虑以上因素,可避免不必要的构件截面增大并可使配筋更为合理。
对转换桁架及托换梁构件在施工时进行适当的预拱,控制在恒载作用下构件保持水平,可大大减小转换构件与其它构件的挠度差,减少因支座位移差的梁内力。
4.4楼层刚度局部削弱的问题
本工程除在电梯筒部位局部楼板开洞外,另在裙楼2、3层连接两塔楼的中间楼板位置开有大面积洞口,其开洞面积小于塔楼平面面积的30%,但楼面开洞尺寸过楼面宽度的1/2。针对楼板因开洞削弱而产生的平面内变形,设计上选用能考虑楼板变形影响的设计软件进行整体内力分析计算,采用弹性楼板假定,使结构计算模型能更真实地反映结构受力情况,同时按《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.8条采取相应的加强措施,每层建筑外周边和裙楼室内开洞周边适当加高外框边梁截面,并加强梁筋构造,提高结构的整体刚度,提高建筑物的抗震性能。
裙楼部分因建筑功能的要求,局部柱距达20m以上,且对使用净空的要求较高,设计上局部采用钢骨混凝土宽扁梁构件,次梁采用井字楼盖体系;两栋塔楼的裙楼连接体楼板局部加厚至150mm,连接梁采用钢-混凝土组合梁,增强两栋塔楼之间的变形协调能力。
