某大厦建筑的结构设计实践

1、某大厦建筑的结构设计实践摘要：大厦为双塔连体高层建筑。本文介绍了该工程结构设计中针对其弧形平面、高位连体等特点所做的关于平扭耦联地震效应、双塔连体受力特性等方面的各种对比分析,并介绍了弧形混凝土箱梁施工等方面的内容, 供类似工程设计参考。大厦建筑面积万m2,建筑平面为弧形, 外弧长 , 内弧长 ,未设缝。建筑主体宽度 , 建筑高度 , 地上 16 层双塔 , 地下 1 层。在地上 1 层及地上 1214 层两塔相连 , 连体跨度长边为。地下一层为设备间 , 兼作人防地下室 , 地上一层为净化实验室。入口设在二层 , 由地面设置大台阶通向二层入口。二层以上两个塔为研究室、办公室 ,12 14 层

2、双塔连体部位使用功能为研究室 , 多功能厅 , 在连体 14 层顶设置一层钢结构 , 即 15 层, 使用功能为展厅 , 双塔 16 层为学术报告厅 ( 建筑立面见图1) 。该建筑设计使用年限 50 年 , 基本雪压 , 基本风压 , 土壤冻结深度 , 结构安全等级二级 , 丙类建筑 , 抗震设防烈度 7 度, 设计地震分组为第一组, 场地土类别类。21 地下结构地下结构除满足建筑使用功能、上部结构要求外, 尚需按六级人防要求进行设计。22 地上双塔部分根据使用功能及抗震设计的要求, 经分析比较, 确定采用钢筋混凝土框架剪力墙结构, 主柱网为× ; 柱截面 : 地下1层地上10 层除

3、与连体相接处的、11 轴为1150mm×1150mm外 , 其余为 800mm×800mm,地上 11 层 15 层 700mm× 700mm,15 层 16 层 650mm×650mm;剪力墙截面 : 地下一层400mm,地上 1 层 3 层 350mm,4 层 11 层 300mm,12 层 16层 250mm;楼板厚度 : 地下室顶板 250mm,地上一层 150mm,双塔2 16 层 120mm;主框架梁350mm× 650mm,次框架梁350mm×600mm,次梁 250mm× 550mm,混凝土标号C40。23

4、连体部位(1) 设计参数确定连体部位是该工程的设计难点, 该连体在地上12 14 层处相连 , 连体部分为弧形平面, 曾先后对比了预应力结构、钢结构、钢筋混凝土几种不同形式的连体结构设计, 考虑被连接两塔完全对称, 且塔宽与连体高度的尺度在同一数量级上,通过混凝土箱梁的合理设计, 应能取得较好的结构性能和经济效果。在综合分析了施工难易程度、结构合理性、经济性等因素后 , 确定采用弧形钢筋混凝土箱梁作为连体结构体。箱梁与两侧双塔刚接, 两侧各伸进塔内一跨( 结构布置见图2) 。由于该结构具有尺度长 , 弧形平面 , 且双塔高位相连等特点 , 扭转振型非常突出 , 平扭耦联效应明显 , 经过上百次

5、试算 ,寻找规律 , 最后确定出合理设计参数, 使这种效应得到平抑。箱梁设计参数如下: 墙 : 纵墙350mm,横墙从支座边缘向中间分别为 300mm、350mm、250mm、250mm;板 :11 层 250mm,1214 层 200mm;混凝土标号 :11 、12 层 C50,13 层 C45,14 层 C40。(2) 构造措施通过有限元弹性分析 , 可以看出 , 两侧塔身与连体箱梁形成类似拱的受力形式 ( 见图 3), 而这个“拱”能否非常合理、均匀地受力、传力 , 与两侧塔身和连体箱梁的刚度匹配有关 , 而箱梁自身的拉区、压区的合理分布与箱身的纵横墙的洞口布置有关 , 根据多次对比分析

6、结果 , 设计中在拉应力较大区 , 避免了开设较大洞口。从应力图可以看出洞口角部拉应力较大 , 设计上在洞口角部设置了抗拉斜撑 , 而在塔身与箱梁边缘位置产生应力集中处 , 设置结构腋。为解决建筑跨度较大易产生温度应力和收缩裂缝问题 , 连体部位施工时在箱梁端部设置了后浇带 , 在中部设置加强膨胀带 ( 间距 28m)。结构计算该工程结构计算采用中国建筑科学研究院编制的高层建筑结构有限元分析软件 SATWE计算 , 用 PMSAP复核 , 其主要计算结果见表 1。工程地质土层分类见表2。表 2 土层分类基础方案确定结构设计中一层地下室底板标高为-, 对应此标高土层为可塑偏软粉质粘土, 承载力标

7、准值为180kPa。双塔式连体结构其在基底范围内产生的压应力相差悬殊, 塔下荷载很大,不宜按天然地基考虑基础形式, 因此设计人员对两种不同的桩基础形式进行了比较。从地质资料中可以看出, 该工程场地粘土层较厚, 达 30余 m,岩层分布较深 , 如果选在岩层作为持力层很不经济。据长春工程地质经验 , 长春粘土为超固结土 , 其硬塑状态粘土具有很好的工程力学性质 , 因此桩尖持力层可选择在第 8 层硬塑粘土层。桩型比较了大直径人工扩底桩和静压桩两种形式。在直接造价上 , 采用大直径人工扩底桩要经济一些 , 但结合工期、质量、施工便捷性等因素 , 静压桩更具有可选性。设计中采用了静压桩 , 桩截面

8、400mm× 400mm,桩顶标高 -, 桩长 16m,桩尖深入第 8 层粘土不小于 , 其单桩承载力特征值1250kN。试桩时终压值为2090kN, 即为特征值的倍, 桩基施工完毕后 , 进行了桩的完整性检测及静载荷试验检测竖向承载力综合评定桩极限承载力为2430kN, 与设计所确定极限承载力,2500kN 误差不超过5%,证明试桩所确定终压值是合理的。连体部分跨度( ?lw轴)长度,长边跨度, 宽度,箱梁底标高, 整个连体部分由三层混凝土箱梁组成, 施工期间荷载总重达45100kN。设计要求施工过程要保持箱梁混凝土的连续浇注 , 不设施工缝 , 采用掺加 UEA 膨胀剂混凝土 ,

9、 以补偿由于水化热引起的混凝土收缩。连体部分施工方案的确定是一个难点 , 经过反复论证 , 施工单位确定采用钢结构支撑体系做箱形连体施工平台。以两塔内侧边柱及中间 9 个钢格构柱 , 作为竖向支撑构件 , 其上搭建水平网架作为施工平台。施工平台采用的是钢管桁架结构, 焊接连接。首先 , 负荷45100kN 的钢结构支撑体系用钢量是相当惊人的 , 因此设计人员要考虑充分利用箱梁混凝土自身刚度作用 , 以最大限度减少施工平台所承担的施工荷载。经过分步试算分析, 按最不利工况确定支撑体系荷载设计值为21443kN。为了保证施工期间箱梁和施工平台能够共同工作 , 分担竖向荷载 , 要求施工严格按分步要

10、求实施。连体施工分四个步骤进行 : 第一步 , 施工连体底部的加强梁和一层箱梁的底板。当第一步施工完成 , 混凝土强度达到 100%之后 , 进行第二步施工。第二步 , 浇筑一层箱梁的墙和顶板 , 此时未形成箱梁 , 其墙、顶板均作为荷载加在托梁上 , 为最不利工况 , 待该部分强度达设计值 100%之后 , 进行第三步施工。第三步施工时 , 一层的箱梁已形成 , 可以与施工平台共同承担上部荷载 , 继续浇筑二层箱梁的墙体和顶板 , 待第三步施工的混凝土强度达到 100%时 , 进行第四步施工。 第四步施工时 , 下两层的箱梁已能与施工平台共同起作用, 继续浇筑三层箱梁的墙体和顶板 , 强度达

11、到100%之后 , 形成完整三层箱梁。其次 , 钢结构支撑体系自身变形应满足施工期间箱梁容许变形的要求 , 也是一个必须严格控制的设计参数。由于箱梁刚度很大 , 经计算整个箱梁在正常使用过程中梁跨中最大竖向位移仅 , 但在施工期间 , 经位移远远大于此值 , 因为箱梁是逐渐形成的 , 当施工箱体托梁及一层箱梁底板后 , 待混凝土强度达到设计要求时 , 将一层墙、板作为荷载 , 与施工荷载共同加至托梁上时 , 经计算该工况托梁跨中最大竖向位移达 , 这是不能接受的。为了控制连体结构在施工期间不产生过大的竖向位移 , 在设计上对支撑平台变形提出很严格的要求 , 要求提高用钢量 , 把平台负荷挠度产生的跨中竖向位移控制在13mm之内 , 并进行了施工期间的变形观测。观测结果为 : 施工期间箱梁最大竖向位移, 起拱 30mm,其箱梁实际竖向位移仅。通过以上的综合分析, 对高层双塔连体结构的设计有了一定的认识 :(1) 弧形平面高层双塔连体结构扭转振型非常突出, 平扭耦联效应明显, 但扭转振型的出现次序及扭转分量所占比例 , 能够通过选择合理设计参数得到调整和控制, 通过分析比较来确定结构布置、合理选择构件截面尺寸, 可以使这种效应得到平抑。(2) 对称高层双塔连体结构, 两侧塔身与连体箱梁以类似巨型拱的形式受