復(fù)雜超高層結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

復(fù)雜超高層結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

1結(jié)構(gòu)體系及布置鄭州潤豐城項(xiàng)目采用地下三層，其中一層包括潤豐大廈和潤豐祥購物中心（一期）。圖1為整棟建筑的效果圖。本文主要介紹購物中心部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。購物中心地上7層(局部8層)，總高度40.50m，建筑面積193179m2，其中地下面積85030m2，地上面積108149m2ㄢ購物中心的基本柱網(wǎng)為9.0m×9.0m,9.0m×11.0m;地上部分的層高依次為6.0m,5.5m×2,6.0m,5.5m,6.0m×2?？蚣苤孛?5層及以下采用1.4m×1.4m,1.2m×1.2m及1.0m×1.0m;6,7層采用1.2m×1.2m,1.0m×1.0m及0.8m×0.8m。框架柱混凝土強(qiáng)度等級:2層及以下采用C55,3～5層采用C50,6,7層采用C40。圖2及圖3分別為購物中心的結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖。2基礎(chǔ)和基礎(chǔ)2.1地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)根據(jù)巖土工程勘查報(bào)告和工程特點(diǎn)，考慮到華潤大廈主樓為超高層建筑，整個(gè)建筑場地平面較大(地下室最大長度約為278m，最大寬度約為126m)，華潤大廈采用樁基礎(chǔ)，以滿足承載力要求和沉降量的控制。購物中心采用天然地基，地基持力層為層(5)粉砂夾粉土層，承載力特征值為200kPa。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級。應(yīng)業(yè)主要求，基礎(chǔ)底板采用內(nèi)防水，地下室外墻采用外防水，使用階段基礎(chǔ)底板裂縫寬度嚴(yán)格控制在0.2mm以內(nèi)。基礎(chǔ)底板頂標(biāo)高為-15.2m，抗浮設(shè)計(jì)水位為94.50m(水頭為7.2m)。購物中心基礎(chǔ)采用筏板+下柱墩的形式，筏板厚度為1.2m，柱墩高為0.60mㄢ2.2澆帶及混凝土澆筑因建筑及使用功能的要求，地下室不設(shè)永久縫。在華潤大廈和購物中心交界處設(shè)置1道沉降后澆帶(圖4)，減少施工階段的沉降差影響。施工過程中每40m留設(shè)1m寬施工后澆帶(圖4)，待兩側(cè)混凝土澆搗60d后再以高一等級膨脹混凝土封閉，以釋放施工階段的混凝土收縮、徐變?；A(chǔ)配筋考慮了基礎(chǔ)底板連成整體時(shí)，華潤大廈和購物中心之間差異沉降的影響。2.3局部抗浮措施分析購物中心抗浮設(shè)計(jì)水頭為7.2m，且地下1層以上存在多處平面開大洞(圖2)的情況。將結(jié)構(gòu)自重作用下的基底反力與水浮力進(jìn)行比較，結(jié)果表明:1)結(jié)構(gòu)整體抗浮滿足設(shè)計(jì)要求;2)中庭開大洞處局部抗浮需采取措施。設(shè)計(jì)時(shí)考慮了如下2種局部抗浮措施:1)在中庭處筏板下設(shè)置抗拔錨桿或抗拔樁;2)建立基礎(chǔ)筏板與上部結(jié)構(gòu)連成一體的計(jì)算模型(圖5)，進(jìn)行水浮力不利工況下有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果確定筏板、底層框架柱的斷面及配筋，復(fù)核上部結(jié)構(gòu)中相關(guān)構(gòu)件的配筋。由于該項(xiàng)目基礎(chǔ)采用內(nèi)防水，底板裂縫寬度需嚴(yán)格控制在0.2mm以內(nèi)，經(jīng)分析優(yōu)化筏板厚度取為1.2m，筏板具有較大的剛度和協(xié)調(diào)能力。將中庭處的筏板進(jìn)行加厚至1.8m，考慮筏板協(xié)同上部框架梁、柱共同抵抗水浮力作用，進(jìn)行受力分析。分析結(jié)果見圖6～9，由圖可知，水浮力不利工況作用下:1)基礎(chǔ)底板最大位移僅9mm;2)基礎(chǔ)底板頂部的最大彎矩約為1500kN·m/m，柱墩處的最大彎矩約為4500kN·m/m，筏板通過配筋可滿足0.2mm的裂縫寬度控制要求;3)中庭周邊柱底部最大彎矩約為5200kN·m，柱截面為1.2m×1.2m，根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋，截面滿足要求;4)除與基礎(chǔ)相連的底層柱外，上部框架在水浮力作用下的內(nèi)力均不大，該工況不起控制作用。分析原因，由于筏板較厚，剛度很大，在水浮力作用下，內(nèi)力按剛度分配時(shí)，筏板和底層柱吸收了絕大部分的作用。通過以上分析可以看出，通過合理的截面選擇和必要的受力分析，利用基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)協(xié)同作用抵抗水浮力解決局部抗浮的方案是安全、可靠的。該方案省去了施工抗拔錨桿或抗拔樁的工序，從而縮短了施工工期，降低了工程的整體造價(jià)。3結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)限制3.1剪力墻設(shè)置不合理購物中心為大型商業(yè)體，柱網(wǎng)布置極不均勻，且平面多處中庭開大洞，為滿足建筑功能要求，能夠設(shè)置剪力墻或支撐的部位很少。此外，本工程樓梯數(shù)量很多，集中布置在建筑物周邊且上下不連續(xù)。以上條件限制了采用鋼筋混凝土框架-剪力墻體系的可能性。鋼框架-支撐體系也是合適的結(jié)構(gòu)體系，但由于造價(jià)原因也被業(yè)主舍棄。綜合以上因素，結(jié)構(gòu)體系選定為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。3.2結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)得到極限審查結(jié)構(gòu)的超限主要表現(xiàn)在:1)建筑平面中東南主入口(圖10)處6,7層冰場上空開口與橢圓中庭開大洞集中在一起，導(dǎo)致此部分樓板有效寬度僅為28%，屬樓板不連續(xù)，平面凹入比例達(dá)到45%，且凹口高度達(dá)到20m，屬于凹凸不規(guī)則;2)樓層豎向構(gòu)件最大水平位移與該樓層位移平均值的比值為1.31，大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則;3)6,7層處有個(gè)別柱需轉(zhuǎn)換，屬于豎向構(gòu)件不連續(xù);4)東南入口處存在4根從首層至屋頂?shù)男敝?，且斜柱的最大無支撐長度達(dá)到25mㄢ工程進(jìn)行超限審查時(shí)，審查專家組給出了以下意見:1)工程為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，且結(jié)構(gòu)總高度H=40.65m，超過了40m，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取比一級更高的抗震措施，應(yīng)從嚴(yán)控制框架柱的軸壓比，適當(dāng)提高框架柱的最小配筋率;2)大開口、大凹進(jìn)附近及入口斜柱軸壓比應(yīng)嚴(yán)格控制，配筋率適當(dāng)提高;3)長懸臂、大跨度、大凹進(jìn)及斜柱抗震等級應(yīng)比一級強(qiáng)，宜為特一級;4)大開洞、弱連接四周的框架及樓板配筋應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng);5)關(guān)鍵構(gòu)件抗彎、抗剪宜采用不同的性能目標(biāo)，抗剪宜強(qiáng)于抗彎。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)超限專家組意見嚴(yán)格控制框架柱軸壓比不超過0.65，控制框架柱縱筋配筋率不小于1.2%，以提高結(jié)構(gòu)的延性;樓板弱連接處采用雙層雙向配筋，配筋率不小于0.3%;關(guān)鍵構(gòu)件在中震作用下按抗彎不屈服，抗剪彈性設(shè)計(jì)，關(guān)鍵構(gòu)件抗震等級采用特一級。4關(guān)鍵構(gòu)件地震反應(yīng)根據(jù)《高規(guī)》確定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)參照D級執(zhí)行。將東南入口及東北部橢圓中庭樓板開大洞周邊框架柱、東南入口處斜柱、6,7層局部轉(zhuǎn)換柱、跨度超過24m的大跨度梁、懸挑超過4m的長懸臂梁定義為關(guān)鍵構(gòu)件(圖10)。關(guān)鍵構(gòu)件在多遇地震作用下保持彈性狀態(tài);在設(shè)防烈度地震作用下保持受剪彈性、受彎不屈服;在罕遇地震作用下截面滿足不發(fā)生受剪脆性破壞的最小斷面要求。5結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析5.1結(jié)構(gòu)體系及分析程序工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.40s，屬于乙類建筑，安全等級為二級，設(shè)計(jì)使用年限為50年，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震等級為一級。基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，地面粗糙度類別為C類。由于工程結(jié)構(gòu)平面及豎向均存在多項(xiàng)不規(guī)則情況，整體分析時(shí)采用了SATWE和MIDASBuilding兩種軟件，根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行樓板開洞并設(shè)置彈性板，考慮樓板的面內(nèi)變形，并計(jì)入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。多遇地震作用下水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.12，按振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，并考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動的影響。兩個(gè)程序計(jì)算結(jié)果相近，結(jié)構(gòu)的剛度、振動特性、位移、位移比等指標(biāo)在規(guī)范限值之內(nèi)。表1為結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的主要結(jié)果。5.2加速度時(shí)程曲線采用SATWE程序進(jìn)行了多遇地震作用下的彈性動力時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算，選取2組實(shí)際地震記錄(S740,S017)和1組人工模擬的加速度時(shí)程曲線(L064)，尋找結(jié)構(gòu)薄弱層，加速度時(shí)程曲線最大值為55cm/s2。分析表明，結(jié)構(gòu)的平均反應(yīng)在兩個(gè)方向均與CQC法的結(jié)果較為接近，時(shí)程分析計(jì)算的層間位移角均小于CQC分析結(jié)果。5.35結(jié)構(gòu)有限元分析由于建筑平面中東南主入口(圖10)處6,7層冰場上空開口與橢圓中庭開大洞集中在一起，導(dǎo)致此部分連接部位極其薄弱，為保證結(jié)構(gòu)的安全性，超限審查專家組要求對此部分考慮洞口間連接斷開后按雙塔模型進(jìn)行受力分析，并與單塔模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。5.4推覆荷載的位移為了確保結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的安全，還進(jìn)行了靜力彈塑性Pushover分析。分析表明，結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)對應(yīng)使用樓層的最大層間位移角為1/107(X向)，滿足規(guī)范1/50的限值要求。推覆過程中，首先是較低樓層處框架梁開裂，接著框架梁出現(xiàn)塑性鉸，隨著較低樓層處梁塑性鉸的發(fā)展，較高樓層梁逐漸開裂，接著出現(xiàn)塑性鉸，性能點(diǎn)時(shí)，僅局部柱進(jìn)入屈服，塑性鉸基本上集中在5層及以下，6層及以上梁柱均未出現(xiàn)塑性鉸。總體來看，結(jié)構(gòu)沒有明顯的薄弱層，結(jié)構(gòu)的出鉸位置、出鉸順序合理。5.5．縮縫間距購物中心地上部分最大長度約240m，最大寬度約為88m，全長不設(shè)伸縮縫，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)行規(guī)范對伸縮縫間距的限值要求。對于大面積樓板，當(dāng)施工、使用階段的溫度變化和混凝土收縮變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，會產(chǎn)生溫度裂縫，對結(jié)構(gòu)非常不利，設(shè)計(jì)中必須考慮溫度應(yīng)力的影響。5.5.1溫度作用的確定結(jié)構(gòu)溫度作用主要由季節(jié)溫差、晝夜溫差和收縮當(dāng)量溫差3個(gè)部分組成。各類溫差的確定原則詳見文獻(xiàn)。5.5.2混凝土彈性模量的影響在季節(jié)溫差和收縮當(dāng)量溫差的應(yīng)力計(jì)算中，混凝土徐變對大面積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力影響很大。季節(jié)溫差和混凝土收縮都是隨時(shí)間變化比較緩慢的作用，由于徐變的存在，結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力會遠(yuǎn)小于彈性分析的結(jié)果。根據(jù)文獻(xiàn)的結(jié)論，徐變的影響可以等效于混凝土彈性模量的折減，折減系數(shù)可考慮為0.3。另外，在晝夜溫差的溫度應(yīng)力計(jì)算中，由于溫度變化相對較快，不應(yīng)考慮徐變折減的影響。5.5.3溫度應(yīng)力場分布采用MIDAS/Gen軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度應(yīng)力彈性有限元計(jì)算。按整體結(jié)構(gòu)布置整體建模，底層柱腳為固定端。溫度作用分為季節(jié)溫差、收縮當(dāng)量溫差和晝夜溫差。其中，季節(jié)溫差取50℃，緩慢加載，需考慮徐變影響;收縮當(dāng)量溫差取20℃，緩慢加載，需考慮徐變影響;晝夜溫差取8℃，快速加載，不考慮徐變影響。分析結(jié)果見表2ㄢ從圖11可以看出，樓板的溫度應(yīng)力分布受豎向構(gòu)件影響較大，柱側(cè)向剛度較大的部位，計(jì)算得到的溫度應(yīng)力也較大;溫度應(yīng)力主要集中在1,2層處，較高樓層處的溫度應(yīng)力較小。此外，布置洞口的地方存在局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)中對樓板采用雙層雙向配筋并增加洞口周邊應(yīng)力集中部位的配筋率。樓板配筋量根據(jù)組合(1.2恒+1.4活±1.0溫度)的計(jì)算結(jié)果確定。5.6大震作用下樓板應(yīng)力集中現(xiàn)象為了解結(jié)構(gòu)平面開大洞間樓板弱連接在地震作用，特別是罕遇地震作用下的工作性能，采用MIDAS/Gen程序?qū)ζ矫娲蠖纯陂g樓板弱連接進(jìn)行了小震、中震和大震下的應(yīng)力分析(圖12)。分析結(jié)果表明，在小震、中震及大震作用下，樓板X向(Y向)最大拉應(yīng)力分別為0.962(0.914)，2.570(2.370)，4.810(4.570)MPaㄢ分析結(jié)果表明，樓板弱連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但并不嚴(yán)重。這是由于框架結(jié)構(gòu)中樓板弱連接的兩側(cè)結(jié)構(gòu)剛度差別不大，弱連接不需要承擔(dān)過大的協(xié)調(diào)任務(wù)。樓板鋼筋在中震作用下均未屈服，在大震作用下僅部分進(jìn)入屈服狀態(tài)，說明將5層以上考慮為雙塔來計(jì)算的工況在實(shí)際中并不會出現(xiàn)。但應(yīng)注意，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，可能由于弱連接兩側(cè)剛度差異很大，弱連接樓板需承擔(dān)很重的協(xié)調(diào)任務(wù)，大震下可能破壞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起足夠重視。5.7斜柱受力分析購物中心結(jié)構(gòu)東南主入口處存在4根從首層到屋頂?shù)男敝?。由?層冰場上空建筑要求通透效果，導(dǎo)致斜柱在Y向的無支撐長度達(dá)到25m，構(gòu)件較柔弱。斜柱主要承受LED屏和幕墻傳來的水平和豎向荷載。為保證結(jié)構(gòu)的安全性，對該部位進(jìn)行了小震、中震和大震作用下的詳細(xì)受力分析。計(jì)算模型及分析結(jié)果見圖13。分析結(jié)果表明，斜柱在中震作用下保持為彈性狀態(tài)，在大震作用下，并未進(jìn)入屈服，承載力和變形均完好。6加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗應(yīng)力措施6.1預(yù)應(yīng)力梁校核關(guān)鍵構(gòu)件均按特一級構(gòu)造，框架柱中設(shè)芯柱提高構(gòu)件延性，軸壓比嚴(yán)格控制在0.65以下。大跨度及長懸臂構(gòu)件采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁，考慮豎向地震作用，豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值取值不小于重力荷載代表值的15%;除考慮以水平地震作用為主的組合外，尚需考慮豎向地震作用為主的效應(yīng)組合，豎向地震作用分項(xiàng)系數(shù)取1.3，水平向取0.5ㄢ6.2組合結(jié)果配筋樓板弱連接處根據(jù)考慮恒載、活載、溫度作用及中震作用進(jìn)行組合的結(jié)果進(jìn)行配筋。當(dāng)溫度作用與地震同時(shí)組合時(shí)，地震作用分項(xiàng)系數(shù)取1.3，溫度作用分項(xiàng)系數(shù)取0.2。此外，樓板弱連接處采用雙層雙向配筋，配筋率不小于0.3%。7規(guī)方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)對于大型商業(yè)體，中庭開大洞處局部抗浮不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，通過適當(dāng)加厚基礎(chǔ)底板，適當(dāng)加大中庭周邊與基礎(chǔ)相連框架柱的斷面和配筋，考慮基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，共同抵抗水浮力，可節(jié)省常規(guī)方案中