超限高层建筑结构设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 超限高层建筑结构设计 摘要：本文结合超限高层建筑工 程实例，对其地基基础、主体结构设计、 结构计算及超限情况及超限审查进行了 分析，以供同行参考。 中国论文网 /2/view-12911284.htm 关键词：超限高层建筑，结构设 计 1、工程概况 该建筑由主楼、裙楼和辅楼组成。 主楼(室外地面至大屋面) 高 135.15m,地 上 31 层,地下 2 层,采用框架-核心筒体 系。裙楼(室外地面至屋面最高处)高 28.85m,地上 4 层(局部 6 层),地下 2 层, 采用框架结构。主楼与裙楼共用大底盘 地下室,地面部分用防震缝分开。工程总 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 用地面积 65854.6m2,建筑占地面积 15762.50m2,总建筑面积 135221.02m2。 该工程抗震设防烈度 7 度,设计地震分组 为第一组,设计基本地震加速度值为 0.10g,设计特征周期为 0.35s。建筑抗震 设防类别为乙类。建筑结构安全等级主 楼为一级,裙楼及辅楼为二级。地基基础 设计等级主楼为甲级,裙楼及辅楼为乙级。 基本风压值 w0=0.35kN/m2,地面粗糙度 B 类,基本雪压 0.10kN/m2。结构的设计 使用年限为 50 年。 该工程0.00 相当于绝对标高 489.00m,抗浮设防水位 485.50m。 2、地基基础 2.1 拟建场地的地质资料 拟建场地类别为类,属中软中 硬土。土层结构由上而下依次为填土、 黏性土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂、 卵石层、泥岩。地基土主要土层的工程 特性指标见表 1。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 2.2 主楼基础选型 根据该工程的地质资料,主楼底板 标高处为承载力较高的中密和密实卵石 层,承载力特征值 fak580kPa,适宜采用 天然地基。综合考虑到上部结构及地下 室的结构类型、场地的施工条件及对周 边相邻建筑的影响,主楼部分初步确定采 用整体式筏板基础。经过计算发现基础 采用整体式筏板基础后,由于两个筒体承 受的荷载比周边柱的大很多,考虑整体作 用冲切计算需要的筏板厚度达 3.4m,配 筋太大且布筋困难。经过分析,最终采取 了两个筒体单独做筏板(筏板厚度为 2.8m),周边与地下室外墙相连的柱做条 形基础(基础高度为 1.5m),独立柱做独立 基础(基础高度为 1.51.6m)的方案,使 筏板厚度及配筋量都大大减小。通过调 整基础尺寸,各类基础的沉降量相差很小,其 沉降值:筏板基础为 21mm,条形基础为 17mm,独立基础为 1719mm。采用该 基础布置方案,中筒筏板下卵石层的承载 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 力得到充分利用,下卧层泥岩的承载力经 复核也满足要求。 3 主体结构设计 3.1 防震缝设置 由于建筑平面尺度很大,在主楼与 裙房间的地面以上部分设置伸缩缝(兼 防震缝),将其划分为尺度较小的结构单 元,以减少温度及收缩应力的影响。鉴于 主楼及裙房的基础持力层良好,压缩层较 薄,主楼与裙房之间的沉降差异较小,并 且考虑到主楼的抗震稳定性,故不再设置 沉降缝,仅于主楼与裙楼间设置沉降后浇 带。 3.2 主体结构选型 主楼采用框架-核心筒体系,框架 抗震等级为一级,核心筒抗震等级为特一 级。 主楼体型是在长方体的基础上,对 处于反对称位置的部分立面进行扭曲 90而形成的。由此使位于东西两端的 部分框架柱(共 4 根,约占总数的 15.4%) 不能直接落地,部分柱成为斜柱,竖向荷 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 载的传递路径发生改变,形成复杂的空间 结构体系。其中:1)东西立面的第二根柱,在 层 8 以上为直线柱,在层 8 以下该柱弯折 后落地;2)东西立面的第三、四根柱,在 层 18,26 进行转换,由核心筒出挑伸臂桁 架承托层 18,26 以上的柱子,把该部分的 荷载转换到核心筒上去;3)为满足下部设 置大空间的需要,在层 17 抽掉了位于 两个核心筒之间的柱,在层 89 设置跨度 为 17m 的转换桁架。 为提高框架柱的延性和减小柱的 面积,外围框架斜柱沿柱全高、直柱在层 19 以下采用直径为 700mm 的钢管混凝 土柱,钢管壁厚 1214mm,内填 C40 C60 混凝土。钢管柱与框架梁的 连接主要采用环梁节点,该节点已在我国 20 多幢高层建筑(最高 68 层)中得到成 功应用1,是一种构造简单、造价低、 适用于与多方向梁相连接、利于施工的 连接方式,同时也通过了多批节点的静力 试验和反复载荷试验,是安全可靠的。部 分钢管柱与框架梁的连接采用穿心和半 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 穿心牛腿节点。 核心筒、楼盖梁板及层 19 以上 的框架柱(斜柱除外) 均采用钢筋混凝土 结构,以降低造价。为满足建筑的交通要 求(开设门洞 )和减轻自重,悬挑桁架采用 钢结构,与悬挑桁架相连的核心筒剪力墙 中设置部分钢骨,使悬挑桁架牢固地连接 于核心筒上。 该工程采用了高位转换(现行规 范规定的转换层高度不宜超过 5 层,该结 构最高为 26 层),为超限高层结构。为保 证结构的安全,除满足现行规范的设计指 标外,根据建设部超限高层建筑工程抗 震设防专项审查技术要点(建质2006 220 号通知文件),基于按性能设计的理 念,对于核心筒底部加强区和转换桁架 (转换梁), 以及外围框架柱中断区域,要求 在设防烈度(中震) 下保持弹性工作状态, 并严格控制小震下的层间位移。加强相 应区域及核心筒的抗震构造措施,控制柱 的轴压比(不大于 0.75）及剪力墙轴压 比,提高核心筒安全度,并采用多程序分 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 析比较及多阶段(小、中、大震)抗震设 计。 3.3 主楼转换桁架 主楼轴与轴相交处的两根柱,由 于功能需要在层 8 以下取消,从而形成高 位转换。通过方案比较并与建筑方面协 调,采用了在层 89 的两层空间内设置桁 架式转换结构(图 1),桁架杆件采用型钢 混凝土制作。桁架支座处的筒体边缘构 件也配置了型钢以减小该处的局部应力。 图 1 轴，处人字转换桁架立面 布置图 主楼轴与轴相交处的两根柱 Z1,以及轴与轴,轴与轴相交处的两 根柱 Z2,由于建筑立面造型的需要不能 直接落地,分别在层 17,25 与斜柱相交。 为减小斜柱的压力,并结合电算结果的内 力分布情况,经与建筑协调,对柱 Z1 采用 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 了分别在层 17,层 25 的一层空间内设置 两榀桁架式转换结构,对柱 Z2 采用了在 层 25 的一层空间内设置一榀桁架式转 换结构的方案(图 2),桁架的上下弦杆件 采用型钢混凝土制作。桁架的上下弦杆 均延伸至筒体的整个宽度,以平衡桁架的 倾覆力矩,桁架支座处的筒体边缘构件也 配置了型钢以减小该处的局部应力。 图 21,2 号转换桁架立面布置图 3.4 预应力结构 主楼两筒体间的净跨为 16.6m,中 部因功能需要不能设柱。由于层高及净 高限制,梁高需控制在 600900mm 范围 (其中跨中范围 600700mm,支座范围 700900mm),为满足建筑的净高要求,经 分析研究,决定该范围内采用预应力梁。 在进行预应力梁布置时,由于两端均为剪 力墙,如果采用普通的布置方式,对预应 力的张拉及建立均较难实现,且两端支座 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 配筋量与跨中相比很大,配筋困难。为方 便施工,设计时采用了通过由两边筒体挑 出一定长度的主梁支承的封口梁,然后在 此基础上布置预应力次梁。由于出挑长 度适当,悬挑主梁的配筋量有所降低,采 用普通钢筋混凝土梁即可,预应力次梁的 受力分析也大大简化,布筋也相对简单, 支承预应力次梁的封口梁的扭转效应由 于悬挑主梁端部有一定的转角变形的影 响也大大减小。采用该布置方式后,仅中 部的次梁采用预应力,土建施工时在次梁 端部预留张拉孔供预应力张拉,施工方便。 4 结构计算 主楼采用 SATWE 及 ETABS 软 件进行结构在恒载、活载、风载、地震 作用下的内力计算和时程分析,并考虑扭 转耦联效应。主要分析结果见表 2。 主要分析结果 表 2 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 5 超限情况及超限审查 如前所述,该项目主楼为 B 级高 度高层建筑,采用了悬挑钢桁架高位转换 的长斜柱混合结构体系,属超限高层建筑 工程。还要进行了超限抗震专项审查， 根据专家委员会的审查意见,进行了以下 的修改和补充工作: (1)对于主楼高位转换桁架,采用 了手算清理荷载的方法复核。位于悬挑 桁架端部的集中力按电算结果为 1880kN(设计值,下同), 初步设计时做了 放大,取为 2200kN。此次手算清理荷载 的结果为按恒载+活载的组合值为 3180kN,按恒载+活载+ 地震作用 (水平+ 竖向)的组合为 2810kN(由地震引起的竖 向力乘了 1.5 的放大系数,由于总内力中 地震引起的内力比例不大,不起控制作用), 按 3180kN 计算,桁架应力比由 0.67 增大 为 1.05,为此对桁架作了截面调整,调整 后的最大应力比为 0.93。 (2)考虑了个别斜柱失效后的计算。 取层 1415 楼面之间的受力最大的一根 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 斜柱失效(退出工作), 按不屈服计算(荷载 和材料设计强度均采用标准值,下同),在 无震和大震作用下,该斜柱所支承的上一 层(层 15)的设计配筋 ,能满足斜柱失效后 相应的框架梁不屈服的条件,不会引起楼 层垮塌。在大震作用下,不受该柱支承的 其余框架梁有部分出现超筋,表明这些梁 端在大震下出现塑性铰,但是由于有相应 的柱支承,不会垮塌。 (3)考虑悬挑转换桁架的腹杆失效 (如压杆屈曲退出工作) 。桁架弦杆退化 为钢梁,按不屈曲计算,原设计的配筋能 满足桁架腹杆失效后转换桁架以上各层 框架梁不屈服的条件,不会出现楼层垮塌 的结果。 (4)虽然钢筋混凝土梁和钢管混凝 土柱连接的环梁节点已在国内几十项工 程中实施,