某大廈建筑的結構設計實踐
關鍵詞：高層雙塔連體結構;平扭耦聯(lián)效應;弧形混凝土箱梁
1工程概況
大廈建筑面積3.9萬m2,建筑平面為弧形,外弧長133.34m,內(nèi)弧長126.38m,未設縫。建筑主體寬度22.2m,建筑高度72.9m,地上16層雙塔,地下1層。在地上1層及地上12～14層兩塔相連,連體跨度長邊為31.86m。地下一層為設備間,兼作人防地下室,地上一層為凈化實驗室。入口設在二層,由地面設置大臺階通向二層入口。二層以上兩個塔為研究室、辦公室,12～14層雙塔連體部位使用功能為研究室,多功能廳,在連體14層頂設置一層鋼結構,即15層,使用功能為展廳,雙塔16層為學術報告廳(建筑立面見圖1)。
該建筑設計使用年限50年,基本雪壓0.35kNPm2,基本風壓0.65kNPm2,土壤凍結深度1.7m,結構安全等級二級,丙類建筑,抗震設防烈度7度,設計地震分組為第一組,場地土類別Ⅱ類。
2結構設計
2．1地下結構
地下結構除滿足建筑使用功能、上部結構要求外,尚需按六級人防要求進行設計。
2．2地上雙塔部分
根據(jù)使用功能及抗震設計的要求,經(jīng)分析比較,確定采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構,主柱網(wǎng)為8.26m×7.2m;柱截面:地下1層～地上10層除與連體相接處的⑦、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,混凝土標號C40。
2．3連體部位
(1)設計參數(shù)確定
連體部位是該工程的設計難點,該連體在地上12～14層處相連,連體部分為弧形平面,曾先后對比了預應力結構、鋼結構、鋼筋混凝土幾種不同形式的連體結構設計,考慮被連接兩塔完全對稱,且塔寬與連體高度的尺度在同一數(shù)量級上,通過混凝土箱梁的合理設計,應能取得較好的結構性能和經(jīng)濟效果。在綜合分析了施工難易程度、結構合理性、經(jīng)濟性等因素后,確定采用弧形鋼筋混凝土箱梁作為連體結構體。箱梁與兩側雙塔剛接,兩側各伸進塔內(nèi)一跨(結構布置見圖2)。由于該結構具有尺度長,弧形平面,且雙塔高位相連等特點,扭轉振型非常突出,平扭耦聯(lián)效應明顯,經(jīng)過上百次試算,尋找規(guī)律,最后確定出合理設計參數(shù),使這種效應得到平抑。
箱梁設計參數(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,12～14層200mm;混凝土標號:11、12層C50,13層C45,14層C40。
(2)構造措施
通過有限元彈性分析,可以看出,兩側塔身與連體箱梁形成類似拱的受力形式(見圖3),而這個“拱”能否非常合理、均勻地受力、傳力,與兩側塔身和連體箱梁的剛度匹配有關,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,根據(jù)多次對比分析結果,設計中在拉應力較大區(qū),避免了開設較大洞口。從應力圖可以看出洞口角部拉應力較大,設計上在洞口角部設置了抗拉斜撐,而在塔身與箱梁邊緣位置產(chǎn)生應力集中處,設置結構腋。為解決建筑跨度較大易產(chǎn)生溫度應力和收縮裂縫問題,連體部位施工時在箱梁端部設置了后澆帶,在中部設置加強膨脹帶(間距28m)。
2.4結構計算
該工程結構計算采用中國建筑科學研究院編制的高層建筑結構有限元分析軟件SATWE計算,用PMSAP復核,其主要計算結果見表1。
3基礎設計
3.1工程地質(zhì)土層分類見表2。
表2土層分類
3.2基礎方案確定
結構設計中一層地下室底板標高為-5.52m,對應此標高土層為可塑偏軟粉質(zhì)粘土,承載力標準值為180kPa。雙塔式連體結構其在基底范圍內(nèi)產(chǎn)生的壓應力相差懸殊,塔下荷載很大,不宜按天然地基考慮基礎形式,因此設計人員對兩種不同的樁基礎形式進行了比較。
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。據(jù)長春工程地質(zhì)經(jīng)驗,長春粘土為超固結土,其硬塑狀態(tài)粘土具有很好的工程力學性質(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底樁和靜壓樁兩種形式。在直接造價上,采用大直徑人工擴底樁要經(jīng)濟一些,但結合工期、質(zhì)量、施工便捷性等因素,靜壓樁更具有可選性。設計中采用了靜壓樁,樁截面400mm×400mm,樁頂標高-6.57m,樁長16m,樁尖深入第8層粘土不小于1.0m,其單樁承載力特征值1250kN。
試樁時終壓值為2090kN,即為特征值的1.8倍,樁基施工完畢后,進行了樁的完整性檢測及靜載荷試驗檢測豎向承載力,綜合評定樁極限承載力為2430kN,與設計所確定極限承載力2500kN誤差不超過5%,證明試樁所確定終壓值是合理的。
4連體部位施工方案的確定
連體部分跨度(⑥～lw軸)長度57.82m,長邊跨度31.86m,寬度18.6m,箱梁底標高46.65m,整個連體部分由三層混凝土箱梁組成,施工期間荷載總重達45100kN。設計要求施工過程要保持箱梁混凝土的連續(xù)澆注,不設施工縫,采用摻加UEA膨脹劑混凝土,以補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難點,經(jīng)過反復論證,施工單位確定采用鋼結構支撐體系做箱形連體施工平臺。以兩塔內(nèi)側邊柱及中間9個鋼格構柱,作為豎向支撐構件,其上搭建水平網(wǎng)架作為施工平臺。施工平臺采用的是鋼管桁架結構,焊接連接。
首先,負荷45100kN的鋼結構支撐體系用鋼量是相當驚人的,因此設計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所承擔的施工荷載。經(jīng)過分步試算分析,按最不利工況確定支撐體系荷載設計值為21443kN。為了保證施工期間箱梁和施工平臺能夠共同工作,分擔豎向荷載,要求施工嚴格按分步要求實施。連體施工分四個步驟進行:第一步,施工連體底部的加強梁和一層箱梁的底板。當?shù)谝徊绞┕ね瓿?混凝土強度達到100%之后,進行第二步施工。第二步,澆筑一層箱梁的墻和頂板,此時未形成箱梁,其墻、頂板均作為荷載加在托梁上,為最不利工況,待該部分強度達設計值100%之后,進行第三步施工。第三步施工時,一層的箱梁已形成,可以與施工平臺共同承擔上部荷載,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度達到100%時,進行第四步施工。第四步施工時,下兩層的箱梁已能與施工平臺共同起作用,繼續(xù)澆筑三層箱梁的墻體和頂板,強度達到100%之后,形成完整三層箱梁。
其次,鋼結構支撐體系自身變形應滿足施工期間箱梁容許變形的要求,也是一個必須嚴格控制的設計參數(shù)。
由于箱梁剛度很大,經(jīng)計算整個箱梁在正常使用過程中梁跨中最大豎向位移僅10.56mm,但在施工期間,經(jīng)位移遠遠大于此值,因為箱梁是逐漸形成的,當施工箱體托梁及一層箱梁底板后,待混凝土強度達到設計要求時,將一層墻、板作為荷載,與施工荷載共同加至托梁上時,經(jīng)計算該工況托梁跨中最大豎向位移達42.24mm,這是不能接受的。為了控制連體結構在施工期間不產(chǎn)生過大的豎向位移,在設計上對支撐平臺變形提出很嚴格的要求,要求提
高用鋼量,把平臺負荷撓度產(chǎn)生的跨中豎向位移控制在13mm之內(nèi),并進行了施工期間的變形觀測。觀測結果為:施工期間箱梁最大豎向位移37.1mm,起拱30mm,其箱梁實際豎向位移僅7.1mm。
5結束語
通過以上的綜合分析,對高層雙塔連體結構的設計有了一定的認識:
(1)弧形平面高層雙塔連體結構扭轉振型非常突出,平扭耦聯(lián)效應明顯,但扭轉振型的出現(xiàn)次序及扭轉分量所占比例,能夠通過選擇合理設計參數(shù)得到調(diào)整和控制,通過分析比較來確定結構布置、合理選擇構件截面尺寸,可以使這種效應得到平抑。
(2)對稱高層雙塔連體結構,兩側塔身與連體箱梁以類似巨型拱的形式受力。
(3)弧形鋼筋混凝土箱梁作為連體結構體是一種嘗試,通過工程實踐證明,如果兩側塔身和連體箱梁的剛度匹配、設計合理,能夠取得較好的結構性能和經(jīng)濟效果。
參考文獻:
[1]楊紅衛(wèi),張晶波,郭志東.弧形平面高層連體結構平扭藕聯(lián)自振特性分析[J].建筑結構,2005.
[2]JGJ322002,高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].
[3]徐培福,付學怡.復雜高層建筑結構設計[M].
