新疆伊寧日報地塊板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)超高層結(jié)構(gòu)

新疆伊寧日報地塊板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)超高層結(jié)構(gòu)

1伊寧機場北樓板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)板柱-墻結(jié)構(gòu)需要厚板，需要混凝土和鋼筋，但由于沒有安裝梁，板的負荷直接從板傳播到柱。板結(jié)構(gòu)簡單，傳輸方式簡單，自由度高，頂部平整美觀，有利于通風，輕松布置管道和施工，空間順暢樸素，平面靈活，能減少建筑層的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。伊寧日報社地塊項目位于新疆伊寧市解放西路、阿合買提江路交匯處,距伊寧機場3km,建筑限高62m。項目占地面積為2.2萬m2。建筑地下共2層,地下2層層高4.8m,地下1層層高5.4m。地上由酒店、辦公塔樓(10~17層),住宅塔樓(10~20層)和商業(yè)裙房(1~9層)3部分組成。平面設置抗震縫分為住宅樓和2棟采用板柱-剪力墻混凝土結(jié)構(gòu)的商業(yè)酒店辦公綜合樓。該項目已于2013年12月竣工,取得良好的社會經(jīng)濟效益(圖1)。本文將對其中的北樓(板柱-剪力墻結(jié)構(gòu))進行闡述。北樓為地上17層的商業(yè)酒店辦公綜合樓,底層層高4.50m(商業(yè)),2、3層層高4.20m(商業(yè)),4~8層層高4.00m(商業(yè)),裙房頂層層高4.6m(商業(yè)),塔樓標準層層高3.30m(9~10層辦公,11~17層酒店),建筑高度60.6m?？拐鹪O防烈度:7度(0.15g),設計地震分組:第三組,屬于高烈度區(qū)的高層建筑。場地土類別:II類,場地特征周期0.45s。(圖2,圖3)2基礎設計2.1地基承載力及基礎地基基礎設計等級為甲級,根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的荷載特點及場地地質(zhì)勘察數(shù)據(jù),基礎選型為天然基礎,以(3)層圓礫為持力層地基承載力特征值500kPa。裙房柱下采用獨立基礎加防水底板;主樓基礎采用梁板式筏基。根據(jù)地基承載力確定芯筒底板厚度、基礎梁截面尺寸,基礎計算采用彈性地基整體計算方法。為防止不同高度建筑引起的不均勻沉降,在主樓四周設置沉降后澆帶,待主體結(jié)構(gòu)完工并沉降相對穩(wěn)定后封閉。本場地無地震液化地層分布;基礎埋深大于標準凍深,(1)、(2)層土位于地下室埋深范圍內(nèi)全部挖除,不考慮濕陷性;勘察深度范圍內(nèi)20m~30m無地下水,地下室無抗浮問題。2.2溫度變化的影響及解決措施本工程地下室平面尺寸89.4m×223.4m,屬超長結(jié)構(gòu)。本設計采取以下措施減小混凝土收縮和環(huán)境溫度變化的不利影響:(1)地下室頂板覆土,加強保溫,減小環(huán)境溫度變化對地下室的不利影響,減小溫度應力。(2)在施工過程中設置施工后澆帶,釋放混凝土的早期收縮應力并有效減少大面積超長地下室施工時引起的溫度收縮應力。(3)混凝土中摻抗?jié)B防裂劑及抗裂纖維,增強混凝土的抗裂性能,減少混凝土的開裂。3主要結(jié)構(gòu)配置3.1剪力墻的設置由于該建筑在伊寧機場航道上,限高62m,且北樓為商業(yè)酒店辦公綜合樓,使用凈高要求高,故上部結(jié)構(gòu)采用板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。(圖4)板柱結(jié)構(gòu)使得商業(yè)區(qū)域的分隔靈活可變,剪力墻均勻布置在建筑物的周邊附近、樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位。剪力墻承擔全部地震作用和80%風荷載作用下的剪力,框架剪力按不小于本層剪力的20%(0.2Q)進行調(diào)整,并按等代框架雙向偏心受壓構(gòu)件計算框架柱的配筋。裙房部分增設置剪力墻,調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度中心,增強結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)剛度,使剛質(zhì)心偏心率控制在邊長的15%之內(nèi)。結(jié)構(gòu)兩主軸方向均設置剪力墻,并結(jié)合樓、電梯間盡量在房屋四角形成小芯筒,避免單片短肢墻。(圖5)房屋周邊設置有梁框架,邊梁高度不小于板厚的2.5倍,樓、電梯洞口周邊設置邊框梁。地下室頂板、裙房頂和塔樓屋面均采用有梁樓蓋進行加強。3.2模型的建立和完善板柱節(jié)點設置托板柱帽,沖切驗算考慮柱兩側(cè)不平衡彎矩。柱上板帶設置暗梁,暗梁寬度不小于柱寬與柱兩側(cè)各1.5倍板厚之和,配筋取柱上板帶配筋的1/2。無梁樓蓋采用“中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部”SLABCAD軟件讀取整體結(jié)構(gòu)地震作用下的位移和內(nèi)力,組合豎向荷載進行配筋設計。SATWE彈性分析采用2種計算模型:(1)樓板采用彈性板6殼元,進行有限元劃分以考慮其面外剛度,有限元可以更為精確的計算結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力,避免荷載傳遞路徑失真,彈性樓板是以一個房間的樓板作為一個超單元與剪力墻墻元類似,由程序自動進行單元劃分和自由度凝聚,保證墻柱承擔荷載及計算內(nèi)力的準確,豎向構(gòu)件配筋計算采用此模型。(2)柱上板帶采用等代梁計算,混凝土容重設為零,樓板自重按面荷載輸入,框架柱自重按節(jié)點荷載輸入,梁、剪力墻自重按線荷載輸入,以避免板帶等代梁自重荷載重復計算,進行抗震分析,保證板帶等代梁地震內(nèi)力計算的準確性。對于等代框架法,和手算一樣,需要在豎向荷載和水平荷載作用下,采用不同的等代梁寬度,豎向荷載作用下等代梁寬度應同跨度,水平荷載作用下等代梁寬度應取跨度的1/2。新版PKPM軟件的復雜樓板有限元分析和設計模塊SLABCAD,完善了板柱結(jié)構(gòu)計算的功能,它將有限元和板帶相結(jié)合,給出了較為完整的板柱結(jié)構(gòu)的設計方法。板帶詳細設計時對樓板劃分柱上板帶和跨中板帶,對柱上板帶,水平作用內(nèi)力取SATWE的計算結(jié)果,豎向作用內(nèi)力取有限元分析的結(jié)果進行積分得到,并將其進行荷載組合。有限元法計算時將樓板分割成較多的有限單元,并以各單元之間的變形協(xié)調(diào)為前提,真實反映出樓板的實際受力過程,計算結(jié)果真實可行,應為工程設計的主要依據(jù)。柱上板帶的支座彎矩遠大于其他截面位置,這是因為有限元法在柱上板帶支座處產(chǎn)生了應力集中,但是峰值應力存在的范圍很小,衰減較快,具體設計配筋時可以進行判斷,人為地進行應力鈍化。3.3柱、柱、墻節(jié)點結(jié)構(gòu)安全等級:二級。建筑抗震設防類別:商業(yè)1層~9層裙房部分為重點設防類(乙類),其余部分為標準設防類(丙類)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震等級:商業(yè)酒店辦公綜合樓地上15層:板柱-剪力墻結(jié)構(gòu),1層~9層裙房板柱框架、剪力墻均為一級(抗震設防類別為乙類);塔樓部分板柱框架為二級,剪力墻為一級。北樓為豎向體型收進的復雜高層,根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第10.6.5條規(guī)定,塔樓周邊豎向構(gòu)件應提高抗震等級,由于裙房部分已按乙類提高了一級,故不再提高,裙房上一層板柱框架提高一級,按一級考慮。地下1層部分:地上有建筑部分及其相鄰三跨及20m范圍內(nèi)同相鄰地上部分的抗震等級,其余無地上建筑部分為三級。地下2層部分:框架及剪力墻比地下1層降低一級,均不小于三級。3.4結(jié)構(gòu)體系及設計結(jié)構(gòu)計算采用“中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部”《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析及設計軟件》SATWE(2011年3月版)計算。(表1)計算時將±0.00作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端;考慮5%偶然偏心及雙向地震的影響;考慮扭轉(zhuǎn)耦連;周期折減系數(shù):0.8;連梁剛度折減系數(shù):0.7(風荷載下不折減);剛性樓板假定:是(構(gòu)件設計時為否);結(jié)構(gòu)阻尼比:5%;重力二階效應(P-△效應):考慮;剪力墻應承擔全部地震作用;按本層剪力20%調(diào)整框架柱地震剪力。通過2種計算軟件的對比分析,新版SATWE程序?qū)Π逯?剪力墻結(jié)構(gòu)的計算分析是準確的。根據(jù)電算結(jié)果,各項基本指標能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。(1)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗算滿足要求;(2)風荷載及地震荷載作用下樓層層間位移滿足規(guī)范要求;(3)結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期比值小于0.9;(4)規(guī)定水平力下的樓層最大位移與平均位移比值及樓層最大層間位移與平均層間位移比值均小于1.4;(5)X向樓層受剪承載力與上一層比值(最小值):0.79;Y向樓層受剪承載力與上一層比值(最小值):0.80;(6)X向樓層側(cè)向剛度與相鄰上部1層70%或相鄰上部3層平均值80%的比值(最小值):1.10;Y向樓層側(cè)向剛度與相鄰上部1層70%或相鄰上部3層平均值80%的比值(最小值):1.16;(7)框架柱最大軸壓比<0.75:0.72;剪力墻最大軸壓比<0.5:0.31;(8)板柱部分承擔的傾覆力矩比<50%:X向17.6%;Y向16.3%。本工程按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)控制剪力墻間距,在框架跨內(nèi)嵌入剪力墻,墻體在樓蓋處設置暗梁,形成帶邊框剪力墻,并按架-剪力墻結(jié)構(gòu)采取基本抗震構(gòu)造措施。通過計算分析,位移曲線呈彎剪型,與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)類似,具有良好的抗震性能。(圖6,圖7)3.5結(jié)構(gòu)體系及設計加強北樓為豎向體型收進的復雜高層,采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算:選用1條人工波(RH1TG045)2條天然波(TH3TG045,TAF-245)特征周期0.45s,地震加速度最大值主方向55cm/s2次方向46.75cm/s2,計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)體系無明顯薄弱層,且每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均大于CQC的65%,3條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于CQC的80%,3組時程曲線與CQC反應譜曲線統(tǒng)計意義上相符,主要周期點上地震效應相差不大于20%。彈性時程分析計算結(jié)果層間位移角滿足規(guī)范要求。由于3條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力包絡值大于CQC法,在施工圖設計中考慮地震放大系數(shù)1.16。針對北樓豎向體型收進根據(jù)《高規(guī)》第10.6.5條規(guī)定采取了如下加強措施:(1)塔樓周邊豎向構(gòu)件應提高抗震等級,由于裙房部分已按乙類提高了一級,故不再提高,裙房上一層板柱框架提高一級,按一級考慮;(2)控制上部收進結(jié)構(gòu)底層層間位移角不大于相鄰下部區(qū)段最大層間位移角的1.15倍;(3)加強收進部位以下2層結(jié)構(gòu)周邊豎向構(gòu)件的配筋構(gòu)造措施(圖8~圖10)。3.6能力譜曲線對比北樓采用“中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部”EPDA進行靜力彈塑性分析:能力譜曲線較為平滑,位移與基底剪力基本呈線性遞增;曲線在設定位移范圍內(nèi)未出現(xiàn)下降段,表明在抗倒塌能力上有較大余地。(圖11、圖12)在各工況下能力譜曲線均能與需求譜相交得到性能點,中震下基本為彈性或少量出鉸,大震下部分工況結(jié)果進入塑性。從得到的能力譜與需求譜交點來看,X,Y方向彈塑性結(jié)果無明顯差別。實際得到性能點時結(jié)構(gòu)層間位移均不大于1/200,遠小于規(guī)范限值1/100,滿足大震抗震性能目標的設防要求。結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則,剛度均勻變化,在大震作用下進入塑性,塑性鉸主要分布于局部連梁,長墻端部,滿足強柱弱梁、多道防線的設計原則,且出現(xiàn)鉸程度較淺,均處于安全極限狀態(tài)之內(nèi),不影響結(jié)構(gòu)整體承載能力,結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的抗震性能。4特殊類型的板柱墻節(jié)點4.1抗沖切鋼筋的設置板柱結(jié)構(gòu)大震破壞,主要由于板柱節(jié)點抗沖切能力不足,板柱節(jié)點處,樓板抗沖切能力差,板在柱帽或柱頂處出現(xiàn)脆性沖切破壞。從結(jié)構(gòu)性能方面看,無梁板的延性較差主要是因為在柱子周邊板內(nèi),未設置抗沖切的鋼筋,或設置得不恰當,節(jié)點處不平衡彎矩對樓板造成的附加剪應力未適當考慮,柱周邊板的厚度不夠,使抗剪箍筋不易充分發(fā)揮作用,或柱子縱筋在節(jié)點處滑移。如果按我國新的抗震規(guī)范的要求去設計,再在沖切方法上作改進,并加強抗震墻的構(gòu)造,這類破壞是可以避免的。本工程在柱頂設置了托板,以減少在柱頂?shù)呢搹澗嘏浣?。托板的長度和厚度應按計算確定,且托板每方向的長度不宜小于板跨度的1/6,托板的厚度不宜小于1/4無梁板的厚度。并結(jié)合暗梁多肢加密箍筋的設置,通過靜力彈塑性分析能實現(xiàn)類似于一般框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的強柱弱梁,多道防線的抗震設計要求。(圖13、圖14)4.2小應符合的要求無梁樓板允許局部洞口,但應驗算滿足承載力及剛度要求。當未作專門分析時,在板的不同部位開洞的大小應符合JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》8.2.4-3的要求,柱上板帶重疊區(qū)域約200mm~300mm,其他區(qū)域約1000mm。設備管井盡量集中布置在局部有梁區(qū)域,當需要在無梁板區(qū)域開較大洞口時,可在框架柱上增設牛腿,洞口邊加梁作為無梁板的邊梁。(圖15)5根據(jù)施工要求設置板柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)綜上所述,在高烈度區(qū)的高層板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)采