蘭州中廣大廈大底盤雙塔樓超限高層鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、蘭州中廣大廈大底盤雙塔樓超限高層鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計         06-03-21 11:09:00     作者：王彩云 毛華業(yè) 金建    編輯：studa9ngns論文作者：王彩云 毛華業(yè) 金建民 馮立平 韓克良摘要：結(jié)合超限高層框支剪力墻的優(yōu)化設(shè)計，探討了鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計、計算方法及構(gòu)造措施，可供設(shè)計人員參考。 關(guān)鍵詞：鋼骨混凝土柱 鋼骨截面形式 鋼骨含鋼率  前   言所謂超限高層建筑工

2、程是指超出國家現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程所規(guī)定的適用高度和適用結(jié)構(gòu)類型、體型特別不規(guī)則以及有關(guān)規(guī)范、規(guī)程規(guī)定應(yīng)進行抗震專項審查的高層建筑工程。中廣大廈是集辦公，住宅, 商場, 餐飲, 娛樂為一體的大型高層綜合性建筑。包括三棟高層塔樓(A, B, C棟). 裙房五層, 地下二層。地下一、 二層為設(shè)備用房，汽車庫，地下二層戰(zhàn)時為六級人防。地上一五層為商場。A、B棟塔樓為626層蝶形平面的高層住宅，房屋高度89.1米，包括局部突出在內(nèi)，建筑總高度106.1米。C棟塔樓為628層大空間辦公室，房屋高度99.6米。包括局部突出在內(nèi)，建筑總高度118.800米。五層商場總面積為26745平方米，總建筑面積100010

3、平方米。因房屋總長度遠超過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距55米的限值，為此設(shè)二道抗震縫將房屋分為三段，形成三個結(jié)構(gòu)單元。即A、B棟高層為大底盤、雙塔樓；C棟為獨立帶裙房的框架剪力墻結(jié)構(gòu)高層建筑；其余為框架結(jié)構(gòu)。建筑抗震設(shè)防類別均為乙類，場地類別為類?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土平板式筏形基礎(chǔ)，底板厚度1600mm（住宅部分）、1800mm（辦公部分），持力層為強風(fēng)化砂巖，地基承載力標準值400Kpa，壓縮模量Es=1217Mpa.。本建筑的結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計基準期為50年。本文以A、B棟為論及對象。1、結(jié)構(gòu)布置特點A、B棟高層為滿足上部住宅建筑的舒適性、規(guī)則性要求（即住宅室內(nèi)無柱角）及下部五層商場大

4、空間的使用要求，采用五層大底盤雙塔樓框支剪力墻結(jié)構(gòu)，在五六層中間利用設(shè)備層做轉(zhuǎn)換層，采用梁式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層設(shè)置標高為23米。高寬比為3.22，長寬比為4.13，轉(zhuǎn)換層上下剪切剛度比值=1.395。1、房屋高度超限A、B棟高層房屋高度為89.1米，超過了鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程（JGJ3-91）中規(guī)定的框支剪力墻結(jié)構(gòu)8度區(qū)適用高度80米的限值。2、采用雙塔樓聯(lián)體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量、剛度分布不均勻，豎向不規(guī)則。3、高位轉(zhuǎn)換：在五六層之間利用設(shè)備層做轉(zhuǎn)換層，標高23米。超過8度區(qū)轉(zhuǎn)換層宜控制在3層以下的限制。4、由于住宅建筑平面的要求，局部存在二次轉(zhuǎn)換。5、由于商場使用功能的限制，A、B棟塔樓的落

5、地剪力墻數(shù)量偏少，且大都布置在商場后部，主體結(jié)構(gòu)與大底盤中心的偏心矩與底盤尺寸之比大于0.2。6、626層住宅部分在外圍剪力墻局部開設(shè)角窗。2、構(gòu)造措施經(jīng)我院多次分析論證，認為其主要不利因素為：框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層以下，支撐框架與落地剪力墻并存，形成了“支撐框架剪力墻“體系。此中，支撐框架是一個薄弱環(huán)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)體系，在高位轉(zhuǎn)換時，由于在轉(zhuǎn)換層附近的剛度、內(nèi)力和傳力途徑發(fā)生突變，易形成薄弱層，對抗震不利。同時，支撐框架柱要直接承擔(dān)上部傳來的重力荷載，直接承擔(dān)其上剪力墻由于傾覆力矩產(chǎn)生的軸力，要直接承擔(dān)不可能依靠樓板全部間接傳力給落地剪力墻而有一部分直接傳來的地震水平剪力。這樣使得轉(zhuǎn)換層以下支

6、撐框架柱的內(nèi)力遠大于計算分析結(jié)果。對此采取以下措施：1、在塔樓范圍內(nèi)五層以下框支部分采用鋼骨混凝土柱，鋼筋混凝土梁混合結(jié)構(gòu)（鋼骨混凝土柱共48個）。作為解決高位轉(zhuǎn)換和高度超限的一項重要措施。2、A、B棟塔樓的裙樓樓屋面板，在塔樓高振型的影響下，承受較大反復(fù)作用下的縱向拉壓力及橫向剪力，受力十分復(fù)雜。同時，由于建筑使用功能的要求，在裙樓中部開設(shè)大洞以便設(shè)置電梯，對樓板削弱較大。針對這一不利因素，在設(shè)計中采用了加強開大洞處樓板四周梁的斷面及配筋，加大樓板厚度，增設(shè)斜筋的措施。4、在住宅部分開設(shè)角窗，削弱了剪力墻結(jié)構(gòu)體系的整體性，對其抗震性能帶來了不利影響，改變了剪力墻與框支梁之間的傳力方式。針對這

7、一不利因素，我們決定從受力計算和構(gòu)造措施兩方面予以加強處理。3、計算結(jié)果分析3.1、總體計算結(jié)果1、計算軟件：采用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM系列中的TAT（多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計軟件），SATWE（多、高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件）兩種不同程序分別進行對比計算，其總體計算結(jié)果接近。下面列出TAT、SATWE的計算結(jié)果。地震影響系數(shù)采用建筑抗震設(shè)計規(guī)范GBJ11-89中的數(shù)值：多遇地震0.16，罕遇地震0.9，阻尼比取0.052、設(shè)計參數(shù)：地震烈度  8度； 場地土類別  類；抗震等級框架、剪力墻均為一級； 樓層自由度數(shù)：每個塔樓每層3個自由度（兩個平動，

8、一個扭轉(zhuǎn)）；地震作用按側(cè)剛分析模型考慮扭轉(zhuǎn)耦連，用18個振型計算，固定端取在±0.000處。3、結(jié)構(gòu)基本周期：SATWE結(jié)果：T1=1.3611    T2=1.3455     T3=1.2611            T4=1.1075    T5=1.0510     T6=1.0458（僅列出前六個振型）TAT結(jié)果： T1=1.5

9、046    T2=1.4899     T3=1.3669               T4=1.2368    T5=1.1506     T6=1.0749 (僅列出前六個振型)4、地震作用下的底層水平地震剪力系數(shù)：SATWE結(jié)果：  Qox/G=4.44%    

10、; Qoy/G=4.35% TAT結(jié)果：    Qox/G=4.08%    Qoy/G=4.08%5、地震作用下按彈性方法計算的最大層間位移與層高比值：    SATWE結(jié)果： Ux/h=1/2262    Uy/h=1/2187      TAT結(jié)果：   Ux/h=1/1573    Uy/h=1/1583

11、60; 6、地震作用下按彈性方法計算的最大頂點位移與總高比值：  SATWE結(jié)果： Ux/H=1/3021     Ux/H=1/2649     TAT結(jié)果：   Ux/H=1/2428     Ux/H=1/2373   7、結(jié)構(gòu)振型曲線及時程分析的部分圖形3.2、計算結(jié)果分析     根據(jù)以上計算結(jié)果來看，兩種計算結(jié)果接近。下面以SATWE程序為主進行分析：1、自振周期在合理范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第

12、一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.9，滿足規(guī)范要求。2、振型曲線光滑符合規(guī)律。3、 底層剪重比>3.2%,滿足規(guī)范要求。4、 最大層間位移和頂點位移<1/1000，滿足規(guī)范要求。從最大樓層位移曲線可以看出，五層以下較緩，而轉(zhuǎn)換層以上較陡，說明底盤剛度比塔樓剛度小。5、 分析表明，時程分析的最大位移均不超過反應(yīng)譜法計算的位移值，y向樓層剪力，X、Y向樓層彎矩均不超過反應(yīng)譜法計算的樓層剪力及樓層彎矩，僅X向樓層剪力TAF-2波大于反應(yīng)譜法，但三個波的平均值仍小于反映譜法樓層剪力。動力時程分析復(fù)核結(jié)果表明，不需要調(diào)整個樓層構(gòu)件的內(nèi)力和斷面配筋。3.3、局部計

13、算及構(gòu)造處理1、框支梁：采用SATWE程序中的框支剪力墻有限元分析程序進行計算，并進行應(yīng)力分析。同時，加強框支梁的配筋構(gòu)造措施，為避免框支梁鋼筋過密，在框支主梁的下部配筋區(qū)加設(shè)一根580mm高的鋼梁。2、 角窗：整體計算時，角窗上部墻體按雙懸臂梁進行計算。配筋設(shè)計時同時滿足剪力墻連梁的要求。同時，加強角窗周圍的暗柱及連梁的配筋，邊墻剪力墻加墻垛，角窗部分樓板加斜筋。3、  鋼骨柱的計算：首先，確定鋼骨的截面形式，預(yù)定鋼骨柱的鋼骨含鋼率，帶入SATWE程序中進行整體計算，并根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整含鋼率。有關(guān)鋼骨柱的構(gòu)造及具體做法見下面的詳細介紹。4、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計前的準備工作采用鋼骨混凝

14、土是解決超限問題的重大技術(shù)措施，也是本次設(shè)計的重要組成部分，在我省也是首次采用。在本次設(shè)計中，鋼骨柱采用的是實腹式十字型鋼，鋼骨梁采用的是工字型鋼。在鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的幾個問題如下：4.1、鋼骨的含鋼率：關(guān)于鋼骨混凝土構(gòu)件的最小和最大含鋼率，目前沒有統(tǒng)一的認識，但當(dāng)鋼骨含鋼率小于2%時，可以采用鋼筋混凝土構(gòu)件，而沒有必要采用鋼骨混凝土構(gòu)件。當(dāng)鋼骨含鋼率太大時，鋼骨與混凝土不能有效地共同工作，混凝土的作用不能完全發(fā)揮，且混凝土澆注施工有困難。因此，在冶金部行業(yè)標準鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程YB9082-97中將鋼骨含鋼率定為2%15%。一般說來，較為合理的含鋼率為5%8%。另在建設(shè)部行業(yè)標準型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ138-2001中定為4%10%。在中廣大廈鋼骨混凝土柱的設(shè)計中，考慮到建設(shè)單位盡量節(jié)約鋼材，節(jié)省資金的要求，經(jīng)專家委員會認可，鋼骨柱的含鋼率確定為3.5%。4.2、鋼骨的寬厚比：鋼板的厚度不宜小于6mm，一般為翼緣板20mm以上，腹板16mm以上，但當(dāng)