重慶世界貿(mào)易中心工程結(jié)構(gòu)超限審查送審報(bào)告[詳細(xì)]

1、第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文 2004年重慶世界貿(mào)易中心工程超限高程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹鄭生慶 趙啟林(重慶市設(shè)計(jì)院,重慶400013) (重慶市設(shè)計(jì)院,重慶400013)提 要 本文介紹了 重慶世界貿(mào)易中心超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概況,鋼管砼柱及穿芯式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),巖石深基坑地下洞室間壁加固設(shè)計(jì).關(guān)鍵詞 超限高層建筑、鋼管砼柱、穿芯式節(jié)點(diǎn)、巖石深基坑一、工程概況 圖1工程地處重慶市渝中區(qū)解放碑鬧市區(qū)商業(yè)黃金地 剖面圖 帶.總建筑面積約128000米2,裙樓52900米2,主樓約 圖2 75100米2. 總層數(shù)為65層,其中地面以上60層,地下 5層;裙樓16層(包括地下室),主樓49層.從0.

2、000鄭生慶,男,1944.3出生,教授級(jí)高工 起算建筑高度234.4米,該建筑裙樓為百貨綜合商場(chǎng),地下部分為設(shè)備用房及停車庫,主樓的功能為公寓式寫字間,上部為餐飲娛樂觀光,頂部設(shè)有直升飛機(jī)停機(jī)坪,主樓設(shè)三個(gè)避難層兼設(shè)備用房. 二、結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)介 塔樓平面為等邊三角形截角后形成的六邊形(詳圖3).從0.000起算高度為234.4米.建筑高寬比H/B=234.4/38.46.核心筒高寬比:H/B1=234.4/17.9=13.塔樓結(jié)構(gòu)方案選用鋼筋砼筒中筒結(jié)構(gòu)外筒柱網(wǎng)4.059.6米 ,采用鋼筋砼梁轉(zhuǎn)換為8.19.6米,框支柱均采用1.5米直徑的鋼筋砼柱,現(xiàn)澆樓面的梁與鋼管柱連結(jié)采用穿芯式節(jié)點(diǎn)作法.

3、五層地下室(24米)采用加強(qiáng)處理的鋼筋砼樓板及側(cè)墻,核心筒下為筏板基礎(chǔ),嵌入完整巖石中4.5米,柱下為人工挖孔嵌巖樁基礎(chǔ),形成高層建筑的可靠嵌固基礎(chǔ).裙樓部分采用鋼筋砼框架結(jié)構(gòu). 圖3 三、電算分析及主要構(gòu)件尺寸用料:1 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的幾何尺寸砼強(qiáng)度等級(jí)塔樓筒體截面尺寸樓層-523151621222728323361長邊外墻900800700600500400角部外墻1000900800700600500內(nèi)墻250300250300250300250300250300250300塔樓外框筒柱截面(12層夾以下為鋼管砼柱)樓層-51212夾131819242538夾293536角柱1500150

4、01400120012001000800框筒柱1500150080014007001400600140050014004001400塔樓外框筒梁截面樓層-59夾101212夾13535461(停機(jī)坪層)框架梁50060050070015004000(轉(zhuǎn)換梁)350120035025005004500(空腹桁架梁)結(jié)構(gòu)砼強(qiáng)度等級(jí)樓層-5781212夾132828夾363744454661墻C60C50C50C50C40C30C30C30柱C60C50C50C50C40C30C30C30梁C30C30C50C30C30C30C40C302.電算分析:本工程結(jié)構(gòu)平面異形,梁系布置較復(fù)雜,帶有轉(zhuǎn)換層,

5、且屬超限高層建筑.為了 保證計(jì)算結(jié)果的可靠,選用TBSA5.0作基本計(jì)算,選用Satwe作補(bǔ)充計(jì)算,選用PKP米系列的“動(dòng)力時(shí)程分析”程序作彈性動(dòng)力時(shí)程分析,選用PKP米系列的“框支有限元分析”程序及“SAP2000、ANSYS”有限元分析程序?qū)D(zhuǎn)換大梁等重要構(gòu)件、特殊構(gòu)件作有限元驗(yàn)證分析.基本風(fēng)壓0.4KN/米2,按7度抗震計(jì)算,場(chǎng)地類別I類.塔樓電算結(jié)果表 電算方法計(jì)算內(nèi)容TBSASATWE動(dòng)力時(shí)程自震周期T14.604.47T31.871.81T51.251.18T180.220.23地震作用地震作用方向XYXYXY基底剪力(KN)21431213802645.8626794.45320

6、69.3734044.86基底彎矩(KN.米)26300522694032915447.2313288.03059617.73387303.2剪重比Qxo/WT1.11.341.63Qyo/WT1.091.361.73結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移U146.65128.91125.17122.10144.05142.15U/H1/16731/19031/19611/20101/17071/1730結(jié)構(gòu)層間位移u15.5812.833.091.743.483.28h1/11751/13871/13581/14981/12061/1282風(fēng)荷載作用風(fēng)荷載作用方向XYXYXY基底剪力(KN)15215.731678.

7、2218447.920596.5基底彎矩(KN.米)213638.0228798523560212591143結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移(米米)U119.9107.66117.68118.97U/H1/20461/22791/20861/2064結(jié)構(gòu)層間位移(米米)u12.4411.162.652.72h1/15311/16931/15841/1542注:動(dòng)力時(shí)程結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算(按新高規(guī)要求)1、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算: X向剛重比EJd/GH2=4.84 Y向剛重比EJd/GH2=5.02EJd/GH2=2.71.4滿足高規(guī)的整體穩(wěn)定驗(yàn)算要求,并可不考慮重力二階效應(yīng).2、各層側(cè)剛比滿足高規(guī)范要求,不存在突變層.3

8、、轉(zhuǎn)換層上、下側(cè)剛比滿足規(guī)范要求.e=1.151.3.從以上計(jì)算結(jié)果可看出TBSA5.0,Satwe,彈性動(dòng)力時(shí)程分析的計(jì)算結(jié)果基本吻合,電算結(jié)果可信.地震荷載起控制作用.四、結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)從電算分析結(jié)果可知本結(jié)構(gòu)整體剛度較好,地震周期、位移、各層側(cè)剛比、轉(zhuǎn)換層上、下層側(cè)剛比均滿足規(guī)范的要求.為實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)目標(biāo),按 “弱梁、強(qiáng)柱、節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)”的原則,“耗能設(shè)計(jì)”的原則,對(duì)電算反映出的薄弱層,結(jié)構(gòu)重點(diǎn)部位和關(guān)鍵承重構(gòu)件作抗震概念性加強(qiáng)處理:1、核心筒剪力墻是抵抗地震力的主要結(jié)構(gòu),采取下列加強(qiáng)措施:筒體剪力墻加強(qiáng)區(qū)(-5層13層)內(nèi)暗柱配筋.筒體角部配筋,適當(dāng)提高配筋

9、率;墻體分布筋配筋率提高為0.35%0.5%.嚴(yán)格控制剪力墻的軸壓比在0.6以內(nèi).2、外框筒采取下列加強(qiáng)措施:轉(zhuǎn)換層框支下采用抗震性能優(yōu)越的鋼管砼柱結(jié)構(gòu),加強(qiáng)框支柱的變形性能和耗能能力.轉(zhuǎn)換梁以上一層的框筒柱提高了 30%的配筋率,加強(qiáng)其抗震性能.外框架筒角柱配筋面積為中柱的1.5倍予以加強(qiáng).控制框筒柱的軸壓比在0.8以內(nèi).3、在三個(gè)避難層及塔樓頂層設(shè)置能提高外框筒受力性能、加強(qiáng)整體性的環(huán)梁.4、地下室24米,周邊側(cè)墻與基坑巖體緊密結(jié)合,并加厚樓板尺寸,能較好的滿足超高層建筑的嵌巖要求和整體穩(wěn)定要求.5、重慶抗震設(shè)防烈度為六度,但根據(jù)重慶市地震辦的初設(shè)審查意見,本工程按七度抗震設(shè)防(滿足建設(shè)部

10、59號(hào)令對(duì)超限高層建筑抗震設(shè)防的要求).五、鋼管砼柱設(shè)計(jì) 本工程外框筒體轉(zhuǎn)換梁以下采用了 27根1500米米直徑的鋼管砼框支柱,壁厚25,16米米鋼,內(nèi)填C60高標(biāo)高砼,砼中摻入U(xiǎn)EA-H砼微膨脹水泥.現(xiàn)澆樓面梁與鋼管柱采用”穿芯式”節(jié)點(diǎn)作法(詳圖4)該鋼管砼柱方案突出優(yōu)點(diǎn)為:1.抗壓承載力高,可減小柱截面,滿足裙樓商場(chǎng)和車庫功能的需要.鋼管對(duì)砼芯柱的套箍約束作用,使砼處于三向受壓狀態(tài),穿芯節(jié)點(diǎn)照片 從而大幅度提高砼抗壓強(qiáng)度和變形能力,借圖4 助砼增強(qiáng)了 鋼管壁的穩(wěn)定性,因此與鋼筋砼柱相比,鋼管砼由于抗壓承載力高且可不限制砼軸壓比,因而在高層建筑中應(yīng)用時(shí)可減小截面50左右.2.可以安全可靠地采

11、用高強(qiáng)度砼.鋼管對(duì)高強(qiáng)度砼的套箍約束作用,防止高強(qiáng)砼的脆性爆裂并改善柱的延性,可以充分發(fā)揮高強(qiáng)砼的抗壓能力.3.提高構(gòu)件的變形能力,改善結(jié)構(gòu)抗震性能.由于柱截面減小,自重減小,地震作用引起的地震反應(yīng)和構(gòu)件內(nèi)力也相應(yīng)減小.4.較好的經(jīng)濟(jì)性.鋼管柱與同等承載力的鋼筋砼柱對(duì)比,可節(jié)約砼用量50,木模全部,總用鋼量基本持平,綜合造價(jià)大體相同,與同等承載力的勁性砼比較,用鋼量可減小40左右,綜合總造價(jià)低320萬元左右.5.鋼管砼柱的防火性能高于鋼柱、鋼筋砼柱和勁性砼柱.6.采用”穿芯式”節(jié)點(diǎn)作法,能更有效地適應(yīng)建筑平面異型,樓面梁受力鋼筋較多的情況,減小現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)焊接量,傳力直接可靠.7.砼中摻入U(xiǎn)EA-

12、H水泥,可減小高標(biāo)號(hào)砼收縮量,在鋼管內(nèi)產(chǎn)生一定量的預(yù)應(yīng)力,更有效地保證鋼管與砼共同受力,協(xié)同變形,提高鋼管砼的組合剛度和減少壓縮.六、深基坑支護(hù)設(shè)計(jì) 本工程基坑開挖總深度24.5米,上部有4-6米深人工雜填土,坑頂鄰近臨時(shí)性磚混建筑,基坑開挖時(shí)填土段不穩(wěn)定.下部為厚層砂巖、泥巖(其frk=19.5米pa),巖體結(jié)構(gòu)完整無外傾向坑內(nèi)影響巖石邊坡整體的弱結(jié)構(gòu)層,僅有局部外傾角80度左右的構(gòu)造裂隙面,基坑開挖時(shí)有局部掉塊可能.按GB50330-2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范中巖質(zhì)邊坡分類標(biāo)準(zhǔn),該巖石邊坡可定為I類邊坡,其特征為基坑邊坡整體穩(wěn)定性高,可出現(xiàn)部分區(qū)域掉巖塊現(xiàn)象. 為確?；娱_挖時(shí)土坡及鄰近

13、建筑物安全,本工程采用排樁錨桿擋墻支護(hù).錨桿擋墻土壓力取主動(dòng)土壓力的1.3倍,以達(dá)到控制錨桿擋墻變形過大對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)生的不利影響.基坑巖石段作邊坡整體穩(wěn)定支護(hù)處理,對(duì)可能掉塊(沿外傾80度結(jié)構(gòu)面滑移)區(qū)域的巖石邊坡采用錨釘支護(hù).開挖期間對(duì)巖石邊坡進(jìn)行了 變形及應(yīng)力監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)管理,實(shí)測(cè)資料反映,巖石邊坡開挖后向坑 內(nèi)彈性卸荷位移為2-3米米,表明巖石基坑的整體穩(wěn)定性較好.七、深基坑與地下人防洞巖石間壁加固設(shè)計(jì) 1. 加固設(shè)計(jì)方案本工程基坑側(cè)壁與鄰近洞室?guī)r石間壁最小尺寸約2米(詳圖5),地勘報(bào)告按傳統(tǒng)方計(jì)算(巖石卸荷拱上完整巖體和填土折算或荷載作用在拱上),洞室拱腳推力300KN/米,需要間壁1

14、2米厚才能確?；觽?cè)壁穩(wěn)定,由此將使工程地下室難以實(shí)施,我們認(rèn)為將完整巖石作為荷載作用在巖石拱的計(jì)算方法過于粗糙,誤差過大,未能真實(shí)地反映巖石拱上完整巖體的抗力.工程實(shí)施中改用了 以下綜合處理方案: 改用有限元數(shù)值計(jì)算方法,真實(shí)反映 圖5 人防洞處基坑剖面 拱頂巨厚層巖體的抗力作用.在拱腳處加設(shè)水平預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精軋鋼拉桿,32直徑,共39根,以平衡拱推力,減小巖石間壁負(fù)荷. 逆施工法開挖基坑時(shí),采用全粘結(jié)錨桿及壓力注漿,對(duì)巖石間壁結(jié)構(gòu)面和巖體加固處理.在巖石間壁內(nèi)設(shè)置量測(cè)錨桿,測(cè)定間壁的受力狀況,同時(shí)量測(cè)拱腳鋼拉桿應(yīng)力,以便及時(shí)反饋信息,保證安全,指導(dǎo)施工,完善設(shè)計(jì).2.有限元數(shù)值計(jì)算計(jì)算模型:

15、將地面覆土和建筑以加載形成處理,巖體均視為彈塑性介質(zhì),計(jì)算范圍取洞底以下兩倍半徑,邊墻側(cè)面取4倍半徑,巖石間壁寬度取2米和4米兩種情況,采用德魯克-布拉格準(zhǔn)則進(jìn)行有限元分析(計(jì)算參數(shù)和結(jié)果表略)計(jì)算結(jié)果與分析:2米巖石間壁可維持系統(tǒng)基本穩(wěn)定,但安全儲(chǔ)備較低,間壁巖體出現(xiàn)條形塑性區(qū),屈服面積約為7米2,不能作為實(shí)施方案.當(dāng)采用4米厚巖石間壁,系統(tǒng)為線彈性穩(wěn)定.由于拱效應(yīng)作用,洞室外側(cè)拱腳高度處巖壁水平截面上的總剪力,僅335355kN,拱腳水平推力不大,因而安全儲(chǔ)備較高.此外,支洞兩側(cè)垂直壓力相差不大,表明4米厚間壁時(shí)洞兩側(cè)受力比較均勻,無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象,因而可以作方案. 計(jì)算表明,洞室拱腳處

16、,切坡后的水平位移僅1.97米米,因而在拱腳處設(shè)置非預(yù)應(yīng)力拉桿時(shí)難以發(fā)揮作用,單根拉桿的內(nèi)力僅18kN,作用不大,故加固錨桿必須設(shè)置預(yù)應(yīng)力.3.現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果在4米厚的巖石間壁中水平放置,二根22量測(cè)錨桿,量測(cè)錨桿兩端設(shè)鋼筋傳感器,最終測(cè)得錨桿最大拉力15.5KN,則錨桿應(yīng)力為40.8米pa,應(yīng)變?yōu)?.194米米,算得巖力應(yīng)力為0.85米pa,反映出巖石間壁受力不大.在拱腳加設(shè)的預(yù)應(yīng)力錨桿上設(shè)置的鋼筋應(yīng)力傳感器,實(shí)測(cè)拉力從原80KN預(yù)應(yīng)力(初始 )增大為100.5KN,算得錨桿應(yīng)力為115.6kPa(遠(yuǎn)小于高強(qiáng)鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度750米pa)4.結(jié)論傳統(tǒng)簡(jiǎn)化方法算得拱腳推力保守,應(yīng)當(dāng)充分考慮完整巖體整體抗力作用,否則會(huì)使算得的間壁最小厚度偏大.只要計(jì)算參數(shù)選用正確,采用有限元法計(jì)算拱腳推力是可行的,計(jì)算結(jié)果誤差較小,與實(shí)測(cè)結(jié)果比較相近.本工程采用的綜合治理方案取得成功為類同工程處理提供了 可借鑒的經(jīng)驗(yàn).八、結(jié)語1.超高層底部帶框支的鋼筋砼筒中筒結(jié)構(gòu),采用鋼管砼柱,具有截面小,承載力高,抗震性能優(yōu),較經(jīng)濟(jì)的綜合優(yōu)點(diǎn),應(yīng)在工程中推廣使用.2.穿芯式節(jié)點(diǎn)方案,具有傳力直接,受力清楚,減小現(xiàn)場(chǎng)焊