某大廈建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐
關(guān)鍵詞：高層雙塔連體結(jié)構(gòu);平扭耦聯(lián)效應(yīng);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(shè)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(shè)備間,兼作人防地下室,地上一層為凈化實驗室。入口設(shè)在二層,由地面設(shè)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(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)報告廳(建筑立面見圖1)。
該建筑設(shè)計使用年限50年,基本雪壓0.35kNPm2,基本風(fēng)壓0.65kNPm2,土壤凍結(jié)深度1.7m,結(jié)構(gòu)安全等級二級,丙類建筑,抗震設(shè)防烈度7度,設(shè)計地震分組為第一組,場地土類別Ⅱ類。
2結(jié)構(gòu)設(shè)計
2．1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,尚需按六級人防要求進行設(shè)計。
2．2地上雙塔部分
根據(jù)使用功能及抗震設(shè)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(jié)構(gòu),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(shè)計參數(shù)確定
連體部位是該工程的設(shè)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(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,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(shè)計,應(yīng)能取得較好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟效果。在綜合分析了施工難易程度、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體。箱梁與兩側(cè)雙塔剛接,兩側(cè)各伸進塔內(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,扭轉(zhuǎn)振型非常突出,平扭耦聯(lián)效應(yīng)明顯,經(jīng)過上百次試算,尋找規(guī)律,最后確定出合理設(shè)計參數(shù),使這種效應(yīng)得到平抑。
箱梁設(shè)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(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“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)多次對比分析結(jié)果,設(shè)計中在拉應(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,連體部位施工時在箱梁端部設(shè)置了后澆帶,在中部設(shè)置加強膨脹帶(間距28m)。
2.4結(jié)構(gòu)計算
該工程結(jié)構(gòu)計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計算,用PMSAP復(fù)核,其主要計算結(jié)果見表1。
3基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)方案確定
結(jié)構(gòu)設(shè)計中一層地下室底板標高為-5.52m,對應(yīng)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(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)計人員對兩種不同的樁基礎(chǔ)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(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(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(shè)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(shè)計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,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(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。以兩塔內(nèi)側(cè)邊柱及中間9個鋼格構(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。施工平臺采用的是鋼管桁架結(jié)構(gòu),焊接連接。
首先,負荷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(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(dān)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(dāng)?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(shè)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(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(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,也是一個必須嚴格控制的設(shè)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(dāng)施工箱體托梁及一層箱梁底板后,待混凝土強度達到設(shè)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(jié)構(gòu)在施工期間不產(chǎn)生過大的豎向位移,在設(shè)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(jié)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(jié)束語
通過以上的綜合分析,對高層雙塔連體結(jié)構(gòu)的設(shè)計有了一定的認識:
(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力。
(3)弧形鋼筋混凝土箱梁作為連體結(jié)構(gòu)體是一種嘗試,通過工程實踐證明,如果兩側(cè)塔身和連體箱梁的剛度匹配、設(shè)計合理,能夠取得較好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟效果。
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