某大廈建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐

1、某大廈建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐摘要：大廈為雙塔連體高層建筑。本文介紹了該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中針對(duì)其弧形平面、高位連體等特點(diǎn)所做的關(guān)于平扭耦聯(lián)地震效應(yīng)、雙塔連體受力特性等方面的各種對(duì)比分析,并介紹了弧形混凝土箱梁施工等方面的內(nèi)容, 供類似工程設(shè)計(jì)參考。大廈建筑面積萬m2,建筑平面為弧形, 外弧長 , 內(nèi)弧長 ,未設(shè)縫。建筑主體寬度 , 建筑高度 , 地上 16 層雙塔 , 地下 1 層。在地上 1 層及地上 1214 層兩塔相連 , 連體跨度長邊為。地下一層為設(shè)備間 , 兼作人防地下室 , 地上一層為凈化實(shí)驗(yàn)室。入口設(shè)在二層 , 由地面設(shè)置大臺(tái)階通向二層入口。二層以上兩個(gè)塔為研究室、辦公室 ,12 14 層

2、雙塔連體部位使用功能為研究室 , 多功能廳 , 在連體 14 層頂設(shè)置一層鋼結(jié)構(gòu) , 即 15 層, 使用功能為展廳 , 雙塔 16 層為學(xué)術(shù)報(bào)告廳 ( 建筑立面見圖1) 。該建筑設(shè)計(jì)使用年限 50 年 , 基本雪壓 , 基本風(fēng)壓 , 土壤凍結(jié)深度 , 結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí) , 丙類建筑 , 抗震設(shè)防烈度 7 度, 設(shè)計(jì)地震分組為第一組, 場地土類別類。21 地下結(jié)構(gòu)地下結(jié)構(gòu)除滿足建筑使用功能、上部結(jié)構(gòu)要求外, 尚需按六級(jí)人防要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。22 地上雙塔部分根據(jù)使用功能及抗震設(shè)計(jì)的要求, 經(jīng)分析比較, 確定采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu), 主柱網(wǎng)為× ; 柱截面 : 地下1層地上10 層除

3、與連體相接處的、11 軸為1150mm×1150mm外 , 其余為 800mm×800mm,地上 11 層 15 層 700mm× 700mm,15 層 16 層 650mm×650mm;剪力墻截面 : 地下一層400mm,地上 1 層 3 層 350mm,4 層 11 層 300mm,12 層 16層 250mm;樓板厚度 : 地下室頂板 250mm,地上一層 150mm,雙塔2 16 層 120mm;主框架梁350mm× 650mm,次框架梁350mm×600mm,次梁 250mm× 550mm,混凝土標(biāo)號(hào)C40。23

4、連體部位(1) 設(shè)計(jì)參數(shù)確定連體部位是該工程的設(shè)計(jì)難點(diǎn), 該連體在地上12 14 層處相連 , 連體部分為弧形平面, 曾先后對(duì)比了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土幾種不同形式的連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 考慮被連接兩塔完全對(duì)稱, 且塔寬與連體高度的尺度在同一數(shù)量級(jí)上,通過混凝土箱梁的合理設(shè)計(jì), 應(yīng)能取得較好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)效果。在綜合分析了施工難易程度、結(jié)構(gòu)合理性、經(jīng)濟(jì)性等因素后 , 確定采用弧形鋼筋混凝土箱梁作為連體結(jié)構(gòu)體。箱梁與兩側(cè)雙塔剛接, 兩側(cè)各伸進(jìn)塔內(nèi)一跨( 結(jié)構(gòu)布置見圖2) 。由于該結(jié)構(gòu)具有尺度長 , 弧形平面 , 且雙塔高位相連等特點(diǎn) , 扭轉(zhuǎn)振型非常突出 , 平扭耦聯(lián)效應(yīng)明顯 , 經(jīng)過上百次

5、試算 ,尋找規(guī)律 , 最后確定出合理設(shè)計(jì)參數(shù), 使這種效應(yīng)得到平抑。箱梁設(shè)計(jì)參數(shù)如下: 墻 : 縱墻350mm,橫墻從支座邊緣向中間分別為 300mm、350mm、250mm、250mm;板 :11 層 250mm,1214 層 200mm;混凝土標(biāo)號(hào) :11 、12 層 C50,13 層 C45,14 層 C40。(2) 構(gòu)造措施通過有限元彈性分析 , 可以看出 , 兩側(cè)塔身與連體箱梁形成類似拱的受力形式 ( 見圖 3), 而這個(gè)“拱”能否非常合理、均勻地受力、傳力 , 與兩側(cè)塔身和連體箱梁的剛度匹配有關(guān) , 而箱梁自身的拉區(qū)、壓區(qū)的合理分布與箱身的縱橫墻的洞口布置有關(guān) , 根據(jù)多次對(duì)比分析

6、結(jié)果 , 設(shè)計(jì)中在拉應(yīng)力較大區(qū) , 避免了開設(shè)較大洞口。從應(yīng)力圖可以看出洞口角部拉應(yīng)力較大 , 設(shè)計(jì)上在洞口角部設(shè)置了抗拉斜撐 , 而在塔身與箱梁邊緣位置產(chǎn)生應(yīng)力集中處 , 設(shè)置結(jié)構(gòu)腋。為解決建筑跨度較大易產(chǎn)生溫度應(yīng)力和收縮裂縫問題 , 連體部位施工時(shí)在箱梁端部設(shè)置了后澆帶 , 在中部設(shè)置加強(qiáng)膨脹帶 ( 間距 28m)。結(jié)構(gòu)計(jì)算該工程結(jié)構(gòu)計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研究院編制的高層建筑結(jié)構(gòu)有限元分析軟件 SATWE計(jì)算 , 用 PMSAP復(fù)核 , 其主要計(jì)算結(jié)果見表 1。工程地質(zhì)土層分類見表2。表 2 土層分類基礎(chǔ)方案確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一層地下室底板標(biāo)高為-, 對(duì)應(yīng)此標(biāo)高土層為可塑偏軟粉質(zhì)粘土, 承載力標(biāo)

7、準(zhǔn)值為180kPa。雙塔式連體結(jié)構(gòu)其在基底范圍內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力相差懸殊, 塔下荷載很大,不宜按天然地基考慮基礎(chǔ)形式, 因此設(shè)計(jì)人員對(duì)兩種不同的樁基礎(chǔ)形式進(jìn)行了比較。從地質(zhì)資料中可以看出, 該工程場地粘土層較厚, 達(dá) 30余 m,巖層分布較深 , 如果選在巖層作為持力層很不經(jīng)濟(jì)。據(jù)長春工程地質(zhì)經(jīng)驗(yàn) , 長春粘土為超固結(jié)土 , 其硬塑狀態(tài)粘土具有很好的工程力學(xué)性質(zhì) , 因此樁尖持力層可選擇在第 8 層硬塑粘土層。樁型比較了大直徑人工擴(kuò)底樁和靜壓樁兩種形式。在直接造價(jià)上 , 采用大直徑人工擴(kuò)底樁要經(jīng)濟(jì)一些 , 但結(jié)合工期、質(zhì)量、施工便捷性等因素 , 靜壓樁更具有可選性。設(shè)計(jì)中采用了靜壓樁 , 樁截面

8、400mm× 400mm,樁頂標(biāo)高 -, 樁長 16m,樁尖深入第 8 層粘土不小于 , 其單樁承載力特征值1250kN。試樁時(shí)終壓值為2090kN, 即為特征值的倍, 樁基施工完畢后 , 進(jìn)行了樁的完整性檢測及靜載荷試驗(yàn)檢測豎向承載力綜合評(píng)定樁極限承載力為2430kN, 與設(shè)計(jì)所確定極限承載力,2500kN 誤差不超過5%,證明試樁所確定終壓值是合理的。連體部分跨度( ?lw軸)長度,長邊跨度, 寬度,箱梁底標(biāo)高, 整個(gè)連體部分由三層混凝土箱梁組成, 施工期間荷載總重達(dá)45100kN。設(shè)計(jì)要求施工過程要保持箱梁混凝土的連續(xù)澆注 , 不設(shè)施工縫 , 采用摻加 UEA 膨脹劑混凝土 ,

9、 以補(bǔ)償由于水化熱引起的混凝土收縮。連體部分施工方案的確定是一個(gè)難點(diǎn) , 經(jīng)過反復(fù)論證 , 施工單位確定采用鋼結(jié)構(gòu)支撐體系做箱形連體施工平臺(tái)。以兩塔內(nèi)側(cè)邊柱及中間 9 個(gè)鋼格構(gòu)柱 , 作為豎向支撐構(gòu)件 , 其上搭建水平網(wǎng)架作為施工平臺(tái)。施工平臺(tái)采用的是鋼管桁架結(jié)構(gòu), 焊接連接。首先 , 負(fù)荷45100kN 的鋼結(jié)構(gòu)支撐體系用鋼量是相當(dāng)驚人的 , 因此設(shè)計(jì)人員要考慮充分利用箱梁混凝土自身剛度作用 , 以最大限度減少施工平臺(tái)所承擔(dān)的施工荷載。經(jīng)過分步試算分析, 按最不利工況確定支撐體系荷載設(shè)計(jì)值為21443kN。為了保證施工期間箱梁和施工平臺(tái)能夠共同工作 , 分擔(dān)豎向荷載 , 要求施工嚴(yán)格按分步要

10、求實(shí)施。連體施工分四個(gè)步驟進(jìn)行 : 第一步 , 施工連體底部的加強(qiáng)梁和一層箱梁的底板。當(dāng)?shù)谝徊绞┕ね瓿?, 混凝土強(qiáng)度達(dá)到 100%之后 , 進(jìn)行第二步施工。第二步 , 澆筑一層箱梁的墻和頂板 , 此時(shí)未形成箱梁 , 其墻、頂板均作為荷載加在托梁上 , 為最不利工況 , 待該部分強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)值 100%之后 , 進(jìn)行第三步施工。第三步施工時(shí) , 一層的箱梁已形成 , 可以與施工平臺(tái)共同承擔(dān)上部荷載 , 繼續(xù)澆筑二層箱梁的墻體和頂板 , 待第三步施工的混凝土強(qiáng)度達(dá)到 100%時(shí) , 進(jìn)行第四步施工。 第四步施工時(shí) , 下兩層的箱梁已能與施工平臺(tái)共同起作用, 繼續(xù)澆筑三層箱梁的墻體和頂板 , 強(qiáng)度達(dá)

11、到100%之后 , 形成完整三層箱梁。其次 , 鋼結(jié)構(gòu)支撐體系自身變形應(yīng)滿足施工期間箱梁容許變形的要求 , 也是一個(gè)必須嚴(yán)格控制的設(shè)計(jì)參數(shù)。由于箱梁剛度很大 , 經(jīng)計(jì)算整個(gè)箱梁在正常使用過程中梁跨中最大豎向位移僅 , 但在施工期間 , 經(jīng)位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此值 , 因?yàn)橄淞菏侵饾u形成的 , 當(dāng)施工箱體托梁及一層箱梁底板后 , 待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí) , 將一層墻、板作為荷載 , 與施工荷載共同加至托梁上時(shí) , 經(jīng)計(jì)算該工況托梁跨中最大豎向位移達(dá) , 這是不能接受的。為了控制連體結(jié)構(gòu)在施工期間不產(chǎn)生過大的豎向位移 , 在設(shè)計(jì)上對(duì)支撐平臺(tái)變形提出很嚴(yán)格的要求 , 要求提高用鋼量 , 把平臺(tái)負(fù)荷撓度產(chǎn)生的跨中豎向位移控制在13mm之內(nèi) , 并進(jìn)行了施工期間的變形觀測。觀測結(jié)果為 : 施工期間箱梁最大豎向位移, 起拱 30mm,其箱梁實(shí)際豎向位移僅。通過以上的綜合分析, 對(duì)高層雙塔連體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有了一定的認(rèn)識(shí) :(1) 弧形平面高層雙塔連體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型非常突出, 平扭耦聯(lián)效應(yīng)明顯, 但扭轉(zhuǎn)振型的出現(xiàn)次序及扭轉(zhuǎn)分量所占比例 , 能夠通過選擇合理設(shè)計(jì)參數(shù)得到調(diào)整和控制, 通過分析比較來確定結(jié)構(gòu)布置、合理選擇構(gòu)件截面尺寸, 可以使這種效應(yīng)得到平抑。(2) 對(duì)稱高層雙塔連體結(jié)構(gòu), 兩側(cè)塔身與連體箱梁以類似巨型拱的形式受