新疆伊宁日报地块板柱-剪力墙结构超高层结构

新疆伊宁日报地块板柱-剪力墙结构超高层结构

1伊宁机场北楼板柱-剪力墙结构板柱-墙结构需要厚板，需要混凝土和钢筋，但由于没有安装梁，板的负荷直接从板传播到柱。板结构简单，传输方式简单，自由度高，顶部平整美观，有利于通风，轻松布置管道和施工，空间顺畅朴素，平面灵活，能减少建筑层的优点，具有广阔的应用前景。伊宁日报社地块项目位于新疆伊宁市解放西路、阿合买提江路交汇处,距伊宁机场3km,建筑限高62m。项目占地面积为2.2万m2。建筑地下共2层,地下2层层高4.8m,地下1层层高5.4m。地上由酒店、办公塔楼(10~17层),住宅塔楼(10~20层)和商业裙房(1~9层)3部分组成。平面设置抗震缝分为住宅楼和2栋采用板柱-剪力墙混凝土结构的商业酒店办公综合楼。该项目已于2013年12月竣工,取得良好的社会经济效益(图1)。本文将对其中的北楼(板柱-剪力墙结构)进行阐述。北楼为地上17层的商业酒店办公综合楼,底层层高4.50m(商业),2、3层层高4.20m(商业),4~8层层高4.00m(商业),裙房顶层层高4.6m(商业),塔楼标准层层高3.30m(9~10层办公,11~17层酒店),建筑高度60.6m。抗震设防烈度:7度(0.15g),设计地震分组:第三组,属于高烈度区的高层建筑。场地土类别:II类,场地特征周期0.45s。(图2,图3)2基础设计2.1地基承载力及基础地基基础设计等级为甲级,根据上部结构的荷载特点及场地地质勘察数据,基础选型为天然基础,以(3)层圆砾为持力层地基承载力特征值500kPa。裙房柱下采用独立基础加防水底板;主楼基础采用梁板式筏基。根据地基承载力确定芯筒底板厚度、基础梁截面尺寸,基础计算采用弹性地基整体计算方法。为防止不同高度建筑引起的不均匀沉降,在主楼四周设置沉降后浇带,待主体结构完工并沉降相对稳定后封闭。本场地无地震液化地层分布;基础埋深大于标准冻深,(1)、(2)层土位于地下室埋深范围内全部挖除,不考虑湿陷性;勘察深度范围内20m~30m无地下水,地下室无抗浮问题。2.2温度变化的影响及解决措施本工程地下室平面尺寸89.4m×223.4m,属超长结构。本设计采取以下措施减小混凝土收缩和环境温度变化的不利影响:(1)地下室顶板覆土,加强保温,减小环境温度变化对地下室的不利影响,减小温度应力。(2)在施工过程中设置施工后浇带,释放混凝土的早期收缩应力并有效减少大面积超长地下室施工时引起的温度收缩应力。(3)混凝土中掺抗渗防裂剂及抗裂纤维,增强混凝土的抗裂性能,减少混凝土的开裂。3主要结构配置3.1剪力墙的设置由于该建筑在伊宁机场航道上,限高62m,且北楼为商业酒店办公综合楼,使用净高要求高,故上部结构采用板柱-剪力墙结构体系。(图4)板柱结构使得商业区域的分隔灵活可变,剪力墙均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位。剪力墙承担全部地震作用和80%风荷载作用下的剪力,框架剪力按不小于本层剪力的20%(0.2Q)进行调整,并按等代框架双向偏心受压构件计算框架柱的配筋。裙房部分增设置剪力墙,调整结构刚度中心,增强结构的抗扭转刚度,使刚质心偏心率控制在边长的15%之内。结构两主轴方向均设置剪力墙,并结合楼、电梯间尽量在房屋四角形成小芯筒,避免单片短肢墙。(图5)房屋周边设置有梁框架,边梁高度不小于板厚的2.5倍,楼、电梯洞口周边设置边框梁。地下室顶板、裙房顶和塔楼屋面均采用有梁楼盖进行加强。3.2模型的建立和完善板柱节点设置托板柱帽,冲切验算考虑柱两侧不平衡弯矩。柱上板带设置暗梁,暗梁宽度不小于柱宽与柱两侧各1.5倍板厚之和,配筋取柱上板带配筋的1/2。无梁楼盖采用“中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部”SLABCAD软件读取整体结构地震作用下的位移和内力,组合竖向荷载进行配筋设计。SATWE弹性分析采用2种计算模型:(1)楼板采用弹性板6壳元,进行有限元划分以考虑其面外刚度,有限元可以更为精确的计算结构的位移和内力,避免荷载传递路径失真,弹性楼板是以一个房间的楼板作为一个超单元与剪力墙墙元类似,由程序自动进行单元划分和自由度凝聚,保证墙柱承担荷载及计算内力的准确,竖向构件配筋计算采用此模型。(2)柱上板带采用等代梁计算,混凝土容重设为零,楼板自重按面荷载输入,框架柱自重按节点荷载输入,梁、剪力墙自重按线荷载输入,以避免板带等代梁自重荷载重复计算,进行抗震分析,保证板带等代梁地震内力计算的准确性。对于等代框架法,和手算一样,需要在竖向荷载和水平荷载作用下,采用不同的等代梁宽度,竖向荷载作用下等代梁宽度应同跨度,水平荷载作用下等代梁宽度应取跨度的1/2。新版PKPM软件的复杂楼板有限元分析和设计模块SLABCAD,完善了板柱结构计算的功能,它将有限元和板带相结合,给出了较为完整的板柱结构的设计方法。板带详细设计时对楼板划分柱上板带和跨中板带,对柱上板带,水平作用内力取SATWE的计算结果,竖向作用内力取有限元分析的结果进行积分得到,并将其进行荷载组合。有限元法计算时将楼板分割成较多的有限单元,并以各单元之间的变形协调为前提,真实反映出楼板的实际受力过程,计算结果真实可行,应为工程设计的主要依据。柱上板带的支座弯矩远大于其他截面位置,这是因为有限元法在柱上板带支座处产生了应力集中,但是峰值应力存在的范围很小,衰减较快,具体设计配筋时可以进行判断,人为地进行应力钝化。3.3柱、柱、墙节点结构安全等级:二级。建筑抗震设防类别:商业1层~9层裙房部分为重点设防类(乙类),其余部分为标准设防类(丙类)。钢筋混凝土结构抗震等级:商业酒店办公综合楼地上15层:板柱-剪力墙结构,1层~9层裙房板柱框架、剪力墙均为一级(抗震设防类别为乙类);塔楼部分板柱框架为二级,剪力墙为一级。北楼为竖向体型收进的复杂高层,根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第10.6.5条规定,塔楼周边竖向构件应提高抗震等级,由于裙房部分已按乙类提高了一级,故不再提高,裙房上一层板柱框架提高一级,按一级考虑。地下1层部分:地上有建筑部分及其相邻三跨及20m范围内同相邻地上部分的抗震等级,其余无地上建筑部分为三级。地下2层部分:框架及剪力墙比地下1层降低一级,均不小于三级。3.4结构体系及设计结构计算采用“中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部”《多层及高层建筑结构三维分析及设计软件》SATWE(2011年3月版)计算。(表1)计算时将±0.00作为上部结构的嵌固端;考虑5%偶然偏心及双向地震的影响;考虑扭转耦连;周期折减系数:0.8;连梁刚度折减系数:0.7(风荷载下不折减);刚性楼板假定:是(构件设计时为否);结构阻尼比:5%;重力二阶效应(P-△效应):考虑;剪力墙应承担全部地震作用;按本层剪力20%调整框架柱地震剪力。通过2种计算软件的对比分析,新版SATWE程序对板柱-剪力墙结构的计算分析是准确的。根据电算结果,各项基本指标能满足现行规范要求。(1)结构的整体稳定性验算满足要求;(2)风荷载及地震荷载作用下楼层层间位移满足规范要求;(3)结构第一扭转周期与第一平动周期比值小于0.9;(4)规定水平力下的楼层最大位移与平均位移比值及楼层最大层间位移与平均层间位移比值均小于1.4;(5)X向楼层受剪承载力与上一层比值(最小值):0.79;Y向楼层受剪承载力与上一层比值(最小值):0.80;(6)X向楼层侧向刚度与相邻上部1层70%或相邻上部3层平均值80%的比值(最小值):1.10;Y向楼层侧向刚度与相邻上部1层70%或相邻上部3层平均值80%的比值(最小值):1.16;(7)框架柱最大轴压比<0.75:0.72;剪力墙最大轴压比<0.5:0.31;(8)板柱部分承担的倾覆力矩比<50%:X向17.6%;Y向16.3%。本工程按框架-剪力墙结构控制剪力墙间距,在框架跨内嵌入剪力墙,墙体在楼盖处设置暗梁,形成带边框剪力墙,并按架-剪力墙结构采取基本抗震构造措施。通过计算分析,位移曲线呈弯剪型,与框架-剪力墙结构类似,具有良好的抗震性能。(图6,图7)3.5结构体系及设计加强北楼为竖向体型收进的复杂高层,采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算:选用1条人工波(RH1TG045)2条天然波(TH3TG045,TAF-245)特征周期0.45s,地震加速度最大值主方向55cm/s2次方向46.75cm/s2,计算结果表明结构体系无明显薄弱层,且每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于CQC的65%,3条时程曲线计算所得结构底部剪力平均值大于CQC的80%,3组时程曲线与CQC反应谱曲线统计意义上相符,主要周期点上地震效应相差不大于20%。弹性时程分析计算结果层间位移角满足规范要求。由于3条时程曲线计算所得结构底部剪力包络值大于CQC法,在施工图设计中考虑地震放大系数1.16。针对北楼竖向体型收进根据《高规》第10.6.5条规定采取了如下加强措施:(1)塔楼周边竖向构件应提高抗震等级,由于裙房部分已按乙类提高了一级,故不再提高,裙房上一层板柱框架提高一级,按一级考虑;(2)控制上部收进结构底层层间位移角不大于相邻下部区段最大层间位移角的1.15倍;(3)加强收进部位以下2层结构周边竖向构件的配筋构造措施(图8~图10)。3.6能力谱曲线对比北楼采用“中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部”EPDA进行静力弹塑性分析:能力谱曲线较为平滑,位移与基底剪力基本呈线性递增;曲线在设定位移范围内未出现下降段,表明在抗倒塌能力上有较大余地。(图11、图12)在各工况下能力谱曲线均能与需求谱相交得到性能点,中震下基本为弹性或少量出铰,大震下部分工况结果进入塑性。从得到的能力谱与需求谱交点来看,X,Y方向弹塑性结果无明显差别。实际得到性能点时结构层间位移均不大于1/200,远小于规范限值1/100,满足大震抗震性能目标的设防要求。结构竖向规则,刚度均匀变化,在大震作用下进入塑性,塑性铰主要分布于局部连梁,长墙端部,满足强柱弱梁、多道防线的设计原则,且出现铰程度较浅,均处于安全极限状态之内,不影响结构整体承载能力,结构表现出较好的抗震性能。4特殊类型的板柱墙节点4.1抗冲切钢筋的设置板柱结构大震破坏,主要由于板柱节点抗冲切能力不足,板柱节点处,楼板抗冲切能力差,板在柱帽或柱顶处出现脆性冲切破坏。从结构性能方面看,无梁板的延性较差主要是因为在柱子周边板内,未设置抗冲切的钢筋,或设置得不恰当,节点处不平衡弯矩对楼板造成的附加剪应力未适当考虑,柱周边板的厚度不够,使抗剪箍筋不易充分发挥作用,或柱子纵筋在节点处滑移。如果按我国新的抗震规范的要求去设计,再在冲切方法上作改进,并加强抗震墙的构造,这类破坏是可以避免的。本工程在柱顶设置了托板,以减少在柱顶的负弯矩配筋。托板的长度和厚度应按计算确定,且托板每方向的长度不宜小于板跨度的1/6,托板的厚度不宜小于1/4无梁板的厚度。并结合暗梁多肢加密箍筋的设置,通过静力弹塑性分析能实现类似于一般框架-剪力墙结构的强柱弱梁,多道防线的抗震设计要求。(图13、图14)4.2小应符合的要求无梁楼板允许局部洞口,但应验算满足承载力及刚度要求。当未作专门分析时,在板的不同部位开洞的大小应符合JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》8.2.4-3的要求,柱上板带重叠区域约200mm~300mm,其他区域约1000mm。设备管井尽量集中布置在局部有梁区域,当需要在无梁板区域开较大洞口时,可在框架柱上增设牛腿,洞口边加梁作为无梁板的边梁。(图15)5根据施工要求设置板柱框架-剪力墙结构综上所述,在高烈度区的高层板柱-剪力墙结构采