蘭州中廣大廈大底盤雙塔樓超限高層鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、蘭州中廣大廈大底盤雙塔樓超限高層鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)         06-03-21 11:09:00     作者：王彩云 毛華業(yè) 金建    編輯：studa9ngns論文作者：王彩云 毛華業(yè) 金建民 馮立平 韓克良摘要：結(jié)合超限高層框支剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討了鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算方法及構(gòu)造措施，可供設(shè)計(jì)人員參考。 關(guān)鍵詞：鋼骨混凝土柱 鋼骨截面形式 鋼骨含鋼率  前   言所謂超限高層建筑工

2、程是指超出國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程所規(guī)定的適用高度和適用結(jié)構(gòu)類型、體型特別不規(guī)則以及有關(guān)規(guī)范、規(guī)程規(guī)定應(yīng)進(jìn)行抗震專項(xiàng)審查的高層建筑工程。中廣大廈是集辦公，住宅, 商場(chǎng), 餐飲, 娛樂(lè)為一體的大型高層綜合性建筑。包括三棟高層塔樓(A, B, C棟). 裙房五層, 地下二層。地下一、 二層為設(shè)備用房，汽車庫(kù)，地下二層戰(zhàn)時(shí)為六級(jí)人防。地上一五層為商場(chǎng)。A、B棟塔樓為626層蝶形平面的高層住宅，房屋高度89.1米，包括局部突出在內(nèi)，建筑總高度106.1米。C棟塔樓為628層大空間辦公室，房屋高度99.6米。包括局部突出在內(nèi)，建筑總高度118.800米。五層商場(chǎng)總面積為26745平方米，總建筑面積100010

3、平方米。因房屋總長(zhǎng)度遠(yuǎn)超過(guò)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距55米的限值，為此設(shè)二道抗震縫將房屋分為三段，形成三個(gè)結(jié)構(gòu)單元。即A、B棟高層為大底盤、雙塔樓；C棟為獨(dú)立帶裙房的框架剪力墻結(jié)構(gòu)高層建筑；其余為框架結(jié)構(gòu)。建筑抗震設(shè)防類別均為乙類，場(chǎng)地類別為類。基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土平板式筏形基礎(chǔ)，底板厚度1600mm（住宅部分）、1800mm（辦公部分），持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值400Kpa，壓縮模量Es=1217Mpa.。本建筑的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。本文以A、B棟為論及對(duì)象。1、結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)A、B棟高層為滿足上部住宅建筑的舒適性、規(guī)則性要求（即住宅室內(nèi)無(wú)柱角）及下部五層商場(chǎng)大

4、空間的使用要求，采用五層大底盤雙塔樓框支剪力墻結(jié)構(gòu)，在五六層中間利用設(shè)備層做轉(zhuǎn)換層，采用梁式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層設(shè)置標(biāo)高為23米。高寬比為3.22，長(zhǎng)寬比為4.13，轉(zhuǎn)換層上下剪切剛度比值=1.395。1、房屋高度超限A、B棟高層房屋高度為89.1米，超過(guò)了鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程（JGJ3-91）中規(guī)定的框支剪力墻結(jié)構(gòu)8度區(qū)適用高度80米的限值。2、采用雙塔樓聯(lián)體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量、剛度分布不均勻，豎向不規(guī)則。3、高位轉(zhuǎn)換：在五六層之間利用設(shè)備層做轉(zhuǎn)換層，標(biāo)高23米。超過(guò)8度區(qū)轉(zhuǎn)換層宜控制在3層以下的限制。4、由于住宅建筑平面的要求，局部存在二次轉(zhuǎn)換。5、由于商場(chǎng)使用功能的限制，A、B棟塔樓的落

5、地剪力墻數(shù)量偏少，且大都布置在商場(chǎng)后部，主體結(jié)構(gòu)與大底盤中心的偏心矩與底盤尺寸之比大于0.2。6、626層住宅部分在外圍剪力墻局部開(kāi)設(shè)角窗。2、構(gòu)造措施經(jīng)我院多次分析論證，認(rèn)為其主要不利因素為：框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層以下，支撐框架與落地剪力墻并存，形成了“支撐框架剪力墻“體系。此中，支撐框架是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)體系，在高位轉(zhuǎn)換時(shí)，由于在轉(zhuǎn)換層附近的剛度、內(nèi)力和傳力途徑發(fā)生突變，易形成薄弱層，對(duì)抗震不利。同時(shí)，支撐框架柱要直接承擔(dān)上部傳來(lái)的重力荷載，直接承擔(dān)其上剪力墻由于傾覆力矩產(chǎn)生的軸力，要直接承擔(dān)不可能依靠樓板全部間接傳力給落地剪力墻而有一部分直接傳來(lái)的地震水平剪力。這樣使得轉(zhuǎn)換層以下支

6、撐框架柱的內(nèi)力遠(yuǎn)大于計(jì)算分析結(jié)果。對(duì)此采取以下措施：1、在塔樓范圍內(nèi)五層以下框支部分采用鋼骨混凝土柱，鋼筋混凝土梁混合結(jié)構(gòu)（鋼骨混凝土柱共48個(gè)）。作為解決高位轉(zhuǎn)換和高度超限的一項(xiàng)重要措施。2、A、B棟塔樓的裙樓樓屋面板，在塔樓高振型的影響下，承受較大反復(fù)作用下的縱向拉壓力及橫向剪力，受力十分復(fù)雜。同時(shí)，由于建筑使用功能的要求，在裙樓中部開(kāi)設(shè)大洞以便設(shè)置電梯，對(duì)樓板削弱較大。針對(duì)這一不利因素，在設(shè)計(jì)中采用了加強(qiáng)開(kāi)大洞處樓板四周梁的斷面及配筋，加大樓板厚度，增設(shè)斜筋的措施。4、在住宅部分開(kāi)設(shè)角窗，削弱了剪力墻結(jié)構(gòu)體系的整體性，對(duì)其抗震性能帶來(lái)了不利影響，改變了剪力墻與框支梁之間的傳力方式。針對(duì)這

7、一不利因素，我們決定從受力計(jì)算和構(gòu)造措施兩方面予以加強(qiáng)處理。3、計(jì)算結(jié)果分析3.1、總體計(jì)算結(jié)果1、計(jì)算軟件：采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院的PKPM系列中的TAT（多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)軟件），SATWE（多、高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件）兩種不同程序分別進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，其總體計(jì)算結(jié)果接近。下面列出TAT、SATWE的計(jì)算結(jié)果。地震影響系數(shù)采用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ11-89中的數(shù)值：多遇地震0.16，罕遇地震0.9，阻尼比取0.052、設(shè)計(jì)參數(shù)：地震烈度  8度； 場(chǎng)地土類別  類；抗震等級(jí)框架、剪力墻均為一級(jí)； 樓層自由度數(shù)：每個(gè)塔樓每層3個(gè)自由度（兩個(gè)平動(dòng)，

8、一個(gè)扭轉(zhuǎn)）；地震作用按側(cè)剛分析模型考慮扭轉(zhuǎn)耦連，用18個(gè)振型計(jì)算，固定端取在±0.000處。3、結(jié)構(gòu)基本周期：SATWE結(jié)果：T1=1.3611    T2=1.3455     T3=1.2611            T4=1.1075    T5=1.0510     T6=1.0458（僅列出前六個(gè)振型）TAT結(jié)果： T1=1.5

9、046    T2=1.4899     T3=1.3669               T4=1.2368    T5=1.1506     T6=1.0749 (僅列出前六個(gè)振型)4、地震作用下的底層水平地震剪力系數(shù)：SATWE結(jié)果：  Qox/G=4.44%    

10、; Qoy/G=4.35% TAT結(jié)果：    Qox/G=4.08%    Qoy/G=4.08%5、地震作用下按彈性方法計(jì)算的最大層間位移與層高比值：    SATWE結(jié)果： Ux/h=1/2262    Uy/h=1/2187      TAT結(jié)果：   Ux/h=1/1573    Uy/h=1/1583

11、60; 6、地震作用下按彈性方法計(jì)算的最大頂點(diǎn)位移與總高比值：  SATWE結(jié)果： Ux/H=1/3021     Ux/H=1/2649     TAT結(jié)果：   Ux/H=1/2428     Ux/H=1/2373   7、結(jié)構(gòu)振型曲線及時(shí)程分析的部分圖形3.2、計(jì)算結(jié)果分析     根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果來(lái)看，兩種計(jì)算結(jié)果接近。下面以SATWE程序?yàn)橹鬟M(jìn)行分析：1、自振周期在合理范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第

12、一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比為0.9，滿足規(guī)范要求。2、振型曲線光滑符合規(guī)律。3、 底層剪重比>3.2%,滿足規(guī)范要求。4、 最大層間位移和頂點(diǎn)位移<1/1000，滿足規(guī)范要求。從最大樓層位移曲線可以看出，五層以下較緩，而轉(zhuǎn)換層以上較陡，說(shuō)明底盤剛度比塔樓剛度小。5、 分析表明，時(shí)程分析的最大位移均不超過(guò)反應(yīng)譜法計(jì)算的位移值，y向樓層剪力，X、Y向樓層彎矩均不超過(guò)反應(yīng)譜法計(jì)算的樓層剪力及樓層彎矩，僅X向樓層剪力TAF-2波大于反應(yīng)譜法，但三個(gè)波的平均值仍小于反映譜法樓層剪力。動(dòng)力時(shí)程分析復(fù)核結(jié)果表明，不需要調(diào)整個(gè)樓層構(gòu)件的內(nèi)力和斷面配筋。3.3、局部計(jì)

13、算及構(gòu)造處理1、框支梁：采用SATWE程序中的框支剪力墻有限元分析程序進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行應(yīng)力分析。同時(shí)，加強(qiáng)框支梁的配筋構(gòu)造措施，為避免框支梁鋼筋過(guò)密，在框支主梁的下部配筋區(qū)加設(shè)一根580mm高的鋼梁。2、 角窗：整體計(jì)算時(shí)，角窗上部墻體按雙懸臂梁進(jìn)行計(jì)算。配筋設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)滿足剪力墻連梁的要求。同時(shí)，加強(qiáng)角窗周圍的暗柱及連梁的配筋，邊墻剪力墻加墻垛，角窗部分樓板加斜筋。3、  鋼骨柱的計(jì)算：首先，確定鋼骨的截面形式，預(yù)定鋼骨柱的鋼骨含鋼率，帶入SATWE程序中進(jìn)行整體計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整含鋼率。有關(guān)鋼骨柱的構(gòu)造及具體做法見(jiàn)下面的詳細(xì)介紹。4、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作采用鋼骨混凝

14、土是解決超限問(wèn)題的重大技術(shù)措施，也是本次設(shè)計(jì)的重要組成部分，在我省也是首次采用。在本次設(shè)計(jì)中，鋼骨柱采用的是實(shí)腹式十字型鋼，鋼骨梁采用的是工字型鋼。在鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的幾個(gè)問(wèn)題如下：4.1、鋼骨的含鋼率：關(guān)于鋼骨混凝土構(gòu)件的最小和最大含鋼率，目前沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但當(dāng)鋼骨含鋼率小于2%時(shí)，可以采用鋼筋混凝土構(gòu)件，而沒(méi)有必要采用鋼骨混凝土構(gòu)件。當(dāng)鋼骨含鋼率太大時(shí)，鋼骨與混凝土不能有效地共同工作，混凝土的作用不能完全發(fā)揮，且混凝土澆注施工有困難。因此，在冶金部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程YB9082-97中將鋼骨含鋼率定為2%15%。一般說(shuō)來(lái)，較為合理的含鋼率為5%8%。另在建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ138-2001中定為4%10%。在中廣大廈鋼骨混凝土柱的設(shè)計(jì)中，考慮到建設(shè)單位盡量節(jié)約鋼材，節(jié)省資金的要求，經(jīng)專家委員會(huì)認(rèn)可，鋼骨柱的含鋼率確定為3.5%。4.2、鋼骨的寬厚比：鋼板的厚度不宜小于6mm，一般為翼緣板20mm以上，腹板16mm以上，但當(dāng)