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某多塔楼带转换层复杂高层建筑结构初步设计

摘要:通过对某多塔楼带转换层复杂建筑结构初步设计的简要介绍,阐述了在概念设计思想指导下,克服建筑功能、布置限制条件,结合实际情况;隹确计算分析,优化结构设计的具体做法。

关键词:复杂高层多塔

带转换层

高位转换转换层设于塔楼平面不规则

向构件不连续

1.工程概况

钻石年代商务公寓楼为一商业、住宅综合楼,拟建场地位于南宁市建政东路与葛村路交汇处西南侧,用地呈西北窄东南宽的直角三角形,总用地面积4424m2。地下一层平战结合平时作为车库及设备用房,战时作6级防空地下室,一~三层为商场,四~二十层为A、B、c三座塔式住宅,详见图1,商场与住宅间设架空层(即第四层),作为会所和屋顶空中花园。该

建筑总建筑面积32959m。。商场

部分层高4.5o~4.8om,住宅部分层高3.oom,房屋高度66.00m,

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裙楼高度1

3.8om。

本工程的建筑设计特点为由于受相邻建政东路和葛村路规划拓宽的影响,净用地面积减少,为尽量达到许建面积,建筑平面顺应地形呈直角三角形,宽度方向最宽尺寸46.95m,最窄尺寸15.00m,总长78.75m,建筑使用功能沿竖向布置有车库、商场、架空层的会所及花园、住宅。

2.结构设计

2.1结构布置

本工程由于建筑平面宽窄不一、建筑布局复杂和使用功能要求较多等原因,使结构构件在数量、位置、形状、尺寸等方面受到较多的限制,因此结构布置时尤其需要考虑如何更好的发挥结构构件的性能,克服限制条件带来的不利影响。

本工程上部结构型式采用现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构,结构平面详见图2、图3、图4、图5,住宅部分采用较密的柱网,以尽量减小梁柱截面尺寸,形成较好的建筑净空,剪力墙在楼电梯间核心筒部位及周边对称位置布置,同时,为满足下部

商场、车库(尤其车库入口、车道)较大自由灵活空间要求,设置少数转换构件将上部住宅较

某多塔楼桊转掼层复杂高层

建筑结构韧步设计

田3集空差桂剪力墙布I茸

雕4转换层拄尊力-布l翟

簧接层柱尊力t希l图

圈54—19层拄!|}力崎市l田

密柱网转换为下部柱距较大的框支框架。

上部住宅A、B、c三座塔楼的布局呈”L”型,考虑到B座与c座间连接宽度仅为3.30m,属抗震薄弱部位,故于B座与c座间设防震缝,简化结构平面,详见图4;A座与B座间设置防震缝,使上部住宅平面形成较简单、规则的结构单元,且各单元层数、刚度相近。

由于转换构件及防震缝的设置,依据《高层建筑混凝土结构技术规程>>JGJ3—2002,<<建筑抗震设计规范>>GB50011—2001的相关规定,本工程属多塔楼、带转换层的复杂高层建筑,属

竖向不规则(竖向抗侧力构件

不连续)结构,应采取相应的

有效抗震措施。

2.2转换层设置位置的比

较及确定

依据嫱层建筑混凝土结

构技术规程》的要求,转换层

不宜设置在底盘屋面的上层塔

楼内,因此考虑将转换构件布

置于底盘屋面(简称方案二)。

由于受建筑平面、建筑布置、功

能要求的限制,方案二需将三

层层高由原4.50m提高至5.70m~

6.0Qn方能满足商场净空要求,

没有取得建筑工种及业主的同

意,故考虑将转换构件布置于

架空层(即底盘屋面的上一层

即第四层塔楼内)(简称方案一),

方案一尽可能的满足了建筑功

能、层高、立面要求,建筑通

过对布有转换梁的部位作局部

处理,可避免转换梁对层高的

影响,为建筑工种所能够接受

的方案,但对结构容易形成薄

弱部位。为验证方案一的可行

性,结合该工程的结构布置特

点,对方案一薄弱部位作进一

步分析、比较。

计算结果表明:该工程被

转换的竖向构件数量相对较少,

属局部结构构件的转换,被转

换层的柱墙构件面积与下层竖

向构件总面积的比值:塔A、B

一.■臣墨翟固盈

e2{}osandTOwr{sC0n靠r¨c{}0n}nG“ang×l

为6.4%,塔c为13.9%,其对

楼层刚度变化的影响远小于架

空层层高(层高4.20m与相邻上

层层高3.00m差别较大)对楼层

刚度变化的影响,详见表1。同

时,通过采取下述措施能够使

转换层刚度接近相邻上一层的

刚度:(1)对转换层下部框架柱

截面尺寸及剪力墙截面尺寸作

适当调整;(2)与建筑专业充

分协商,在满足建筑功能的前提

下适当减小转换层(即架空层)

层高,拟采用3.90m的层高,使

转换层刚度值接近上一层刚度。

此外,对框支框架、塔楼与裙

楼连接体相连的外围柱墙采取

提高抗震等级、构件内力乘增

大系数以提高承载能力等构造

措施,通过上述调整,进行结构

整体分析,结果表明,各项控

制指标基本符合规范要求。转

换层设置在架空层即底盘屋面

上一层塔楼内的结构布置方案

是可行的。

2.3结构措施

结合本工程结构布置的特点,

拟采取下述构造抗震加强措施:

(1)针对转换层设置在底盘屋

面上层塔楼内的对抗侧力构件

的加强措施,详见前文第2.2.

(1)~(2)项。同时,转换层楼面

加强措施:转换层楼板厚180mm,

双层双向通长配筋,每层每向

配筋率不小于o.25%,转换层

转换层楼层侧向刚度随层高的变化比较附表1

转换层楼层侧向刚度

I层高(m)塔A塔c备注

x向Y向x向Y向

4.2。

13.7014.6014.90】5.40原初步设计采用的层高

4.oo15.7916.6017.1617.83

3.9017.9918.8319.4320.26经与建筑专业协商拟采用的层高

3.6020.7921.6922.2023.20

I相邻上一层采用3.90m层高时转换层刚度与

21.2020.5021.7019.20

I佣向刚度相邻层刚度较接近

相邻上层楼板板

厚、配筋适当加

强,框支框架抗

震等级,考虑高

位转换,提高至

一级。转换层框

支柱内增设芯

柱,以提高短柱

延性。(2)针对

■隘蔷臣豳

:墅m曼8粤蔓碧黑“sG。ns{rc-’讲惜njn(jLj引{霹x

多塔楼结构的措施:多塔楼底盘屋面楼板及相邻下层即第3层楼板加厚至150mm,采用双层双向通长配筋,塔楼中与裙房相连的外围柱、剪力墙,抗震等级提高一级,增大内力,从基础顶至四层楼板范围内,柱纵向钢筋适当加强,柱箍筋于底盘屋面上、下一层范围内全高加密,剪力墙按约束边缘构件设计;塔楼之间裙楼连接体屋面梁加强。(3)针对较大楼板洞口的加强措施:由于楼梯、电梯间使中部楼板有较大削弱,围绕核心筒周边板厚采用150mm,双层双向通长配筋,上部钢筋适当伸入周边楼板内,进行局部加强;洞口与平面凹角相邻时,加设板内斜向钢筋。(4)转角窗剪力墙加强措施:由于建筑功能需要,c座设有转角窗,对结构抗侧力刚度具有一定影响,角部构件扭转效应明显,将转角处楼板加厚至120mm,双层双向通长配筋并提高配筋率,设置斜向加强筋;转角窗洞口顶部梁截面增大,配筋加强;洞口两侧剪力墙及端柱按约束边缘构件设计。(5)主楼平面凹角处,增设拉梁及板带。

2.4结构计算分析

本工程所在地南宁市的抗震设防基本烈度为6度,按<<建筑设防分类标准>>卡日关规定,抗震设防类别为丙类,故本工程地震作用与抗震措施均应按本地区设防烈度即6度考虑,设计抗震分组为第一组,设计基本地震加速度值为o.059,建筑场地类别为II类,特征周期为o.359。基本风压值w。为o.4KN/衍,地面粗糙度为B类。

结构计算分析采用删系

列软件(中国建筑科学研究院

2003年1月版)的sATwE墙元模

型及田薄壁柱模型进行计算

分析。抗震计算考虑平扭耦联

(cQc振型组合法)计算结构的扭

转效应,振型数选取30,振型

参与质量与总质量的比值为x

向92.74%,Y向92.79%。中部

楼梯电梯间范围有效楼板宽度

小,楼板局部不连续,计算中

考虑楼板平面内刚度变化,选

取蹦【'ljl】崤元模型的弹性板模型

计算。采用弹性时程分析法进

行补充计算,选用二组实际强

震记录和一组人工模拟加速度

时程曲线。

对框支剪力墙、框支框架

补充局部平面有限元分析,计

算模型选取框支柱、转换梁及

其上四层框架(剪力墙)。

部分计算参数选用:(1)周

期折减系数o.75,结构阻尼比

o.05;(2)柱墙考虑活荷载折

减;(3)o.20Q。调整:各层框

架总剪力按o.2Vo与1.5Vfmax较

小值调整;(4)楼层最小剪力

系数取o.aB薄弱层剪力放大

系数1.15;(5)梁端调幅系数

o.8(不含框支梁);(6)转换构附表2SAT、ⅣE及毋叮程序部分计算结果

—、\

程序SAWE1谴T项次、~\

周期TTl2.60990.012.38050.00

及扭转T22.43250.002.1465O.OO

系数T32.3366O.032.1256O.OO

(S)T42.0741O.061.9035O.0l

T51.92430.101.7663O.oo

T61.82690.Ol1.74800.00

T71.7242O.971.06340.99

T81.6617O.921.00201.00

T91.14070.90O.7208O.99基底剪力(刖)及X向56730.8765491.41

剪重比(%)Y向5357O.8343880.84

振型参与质量与x向92.72%90.Oo%

总质量的比值Y向92.70%90.OO%

刚度刚度刚度刚度刚度剐度

比值1比值2比值1比值2楼层一层X向33.6O.861.1013.51.522.22

侧向Y向33.OO.871.097.51.472.03

刚度二层X向38.91.001.498.91.252.39

及相Y向38.11.001.475.11.242.02

关比三层X向38.92.161.937.13.233.55

值Y向38.12.021.914.12.162.4l

(塔架空层x向18.OO.85O.852.21.161.16

A)(转换层)Y向18.8O.92O.921.91.191.19标准层X向21.21.001.OO1.91.oo1.OO

Y向20.51.OO1.001.61.OO1.00地震作用最大层X向1/3441l/2924

间位移角(塔A)Y向l/15841/1969

风荷作用最大层X向l/10921/3518

间位移角(塔A)Y向l/20871/1747

刚重比X向4.66未提供

Y向3.52

刚度:楼层侧向刚度(xlOdl(N/m)

刚度比值l:楼层侧向刚度与相邻上部楼层侧向刚度的比值

刚度比值2:楼层侧向刚度与相邻上部三层楼层侧向刚度平均值的比值

I件水平地震作用计算内力增大系l数(框支柱.框支粱),每层框支柱l剪力之和取基底剪力的30%;(7)l竖向力计算方式采用模拟施工加I荷方式;(8)地下室顶板考虑人I防荷载,板厚250及双层双向配:筋。

部分计算结果详见表2,表中数据表明,sATwE和TAT两程序

的计算结果接近,结构自振周期、地震作用、位移、轴压比、剪压

比、抗侧力刚度、整体稳定等符

合规范要求,上部各塔楼刚度接近,避免了薄弱部位,计算结果基

本合理,可以作为施工图设计的依据。

2.5基础设计

根据岩土工程勘察报告,本工程场地覆盖土层自上而下主要

为杂填土、淤泥、粘土、圆砾、

粘土、强风化泥岩、中风化泥岩,

其中强风化泥岩埋深为4~8.7m,

钻孔揭露层厚约10m,承载力特征值fak=300kPa,地下室底板板底标

高为一6.40m,基坑开挖后,大部份

已达到强风化泥岩,岩层强度高,

厚度大,结合荷载条件,基础采用

经济、易于施工的梁板式筏形基础,局部超深位置采用素混凝土

垫至设计标高。场地地下水位埋深约为o.43~1.92m,水量有限.

本工程基坑开挖深度约6.4m,场

地四周除西南侧距已有建筑较近,

需采用护坡桩支护外,其它地段

可采用自然放坡处理。

3.设计体会

本工程结构初步设计过程中,反复分析、比较结构布置方案,

充分考虑建筑功能要求,结合构

造措施进行结构方案的优化设计,积极吸取有关主管部门组织的混凝土结构技术规程

专家评审会意见,使方案得到[5]全国民用建筑工程设计

更好的完善,功能与经济性兼技术措施结构建设部工程

顾,该结构初步设计已通过主质量安全监督与行业发展司.

管部门评审,并完成施工图设中国建筑标准设计研究所.2003

计,得到有关各方肯定。[6]包世华.新编高层建筑通过本工程设计实践,我们结构.中国水利水电出版社.

总结出的体会是建筑布置、功2001年

能的限制并不意味着结构设计[7]唐兴荣.高层建筑转换层

只能被动、牵强地完成,相反结构设计与施工.中国建筑工业

的,通过分析具体工程实际情出版社.2002年

况,以现行规范规程为指导,概[8]吴耀辉.娄宇.李爱群.念设计为原则,通过与各设计谳.建燃.2oo3年9

工种尤其建筑工种的相互间密月.大底盘多塔楼结构抗震分

切配合,找出结构不利因素,有析研究进展.

针对性地进行调整和采取构造[9]杨学林.益德清.工程

措施,最大限度地减少客观不力学.2oo1年4月.多塔楼高

利条件的影响,使结构布置趋层结构振动特性与抗震设计

于简洁、合理,刚度分布较均[10]多层及高层建筑结构空

匀,避免或减少可能出现的薄间有限元分析与设计软件(墙元

弱部位,当不能完全避免时,予模型)sATwE.中国建筑科学研

以有效的加强,可使建筑的功究院PKPMcAD工程部

能、美观要求得以实现;若完

全以结构设计牵制建筑专业的(作者单位:广西建筑科学

发挥,则难以取得满意的建筑研究设计院)

功能等各方面的效果。在计算

方面,采用与工程实际相适应

的力学模型计算软件,合理选

择计算参数,对计算结果不盲

从,应根据结构概念经仔细的

分析、判断,确认合理及有效

后作为设计依据。

参考文献[1]GB50007—2002建筑地一l

基基础设计规范11t广西大方曩薄设鲁安装有限蠢任公司l

l■■●(*^,m㈣r^H“M日YInN}^Ⅳ㈣vIIN~1^lL^1t…‘,¨,7[2]GB50011—2001建筑抗产茹崔一l震设计规范I郑之林消防贰缎承包赛质l!

[3]GB50010一2002混凝土I总经珲地址南宁市是接丈∽母醛富华锶裙1”童l结构黧芝慧…盲巳撞篇l@圜薰器撼“”一“5I[4]JGJ3—2002高层建筑I::竺兰型:二:二二二二二:

某多塔楼带转换层复杂高层建筑结构初步设计

作者:曾昭燕

作者单位:广西建筑科学研究设计院

刊名:

广西城镇建设

英文刊名:CITIES AND TOWNS CONSTRUCTION IN GUANGXI

年,卷(期):2004,(5)

引用次数:0次

参考文献(10条)

1.GB50007-200

2.建筑地基基础设计规范 2002

2.GB50011-2001.建筑抗震设计规范 2002

3.GB50010-2002.混凝土结构设计规范 2002

4.JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程 2002

5.结构建设部工程质量安全监督与行业发展司全国民用建筑工程设计技术措施 2003

6.包世华新编高层建筑结构 2001

7.唐兴荣高层建筑转换层结构设计与施工 2002

8.吴耀辉.娄宇.李爱群.卞朝东大底盘多塔楼结构抗震分析研究进展[期刊论文]-建筑结构 2003(9)

9.杨学林.益德清多塔楼高层结构振动特性与抗震设计[期刊论文]-工程力学 2001(2)

10.中国建筑科学研究院 PKPM CAD工程部多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件(墙元模型)SATWE

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近年来,随着工程技术的发展,高层建筑形式日趋多样化。连体建筑由于其宏伟的气势,现代化的气息而被建筑师们所喜爱。连体建筑是指由设置在一定高度处连接体(如高空连廊)相连接的两个或多个建筑单体组成的建筑集群。由于连体的存在,使得原来彼此独立的各单体结构成为一个复杂结构系统中的一部分。这就给高层结构的分析和设计提出了更高的要求。如何高效、准确地对复杂高层多塔楼连体结构体系进行分析和设计,并在此基础上评价多塔楼连体结构的抗震性能,已成为一个急待解决的重要课题。

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强措施、结构设计要点及若干技术措施。分析结果除直接指导该工程结构设计外,对多塔楼大底盘带转换层复杂高层建筑结构的设计得到以下可供其他设计参考的主要结论:

①大底盘多塔楼带转换层结构转换层附近由于质量、刚度的变化,地震内力明显增大且容易形成薄弱层。转换层的设计除应控制层剪切刚度比外

,还应控制转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比以避免薄弱层出现在框支层,保证地震作用下落地剪力墙和框支柱不先于转换层上部结构进入屈服状态;

②大底盘多塔楼结构的分析必须考虑平扭耦联振动和楼板平面内振动的影响。除底盘刚度相对于上部刚度很大的结构,一般情况下,不能简单地将其简化为单塔楼结构进行计算;有条件时应进行大底盘多塔楼结构的弹塑性时程分析;

③多塔楼高层建筑结构布置不规则时宜采用时程分析法进行补充计算。采用振型分解反应谱法计算结构内力时应根据振型参与系数选择振型避免漏选;

④大底盘多塔楼结构连接各塔楼的裙房屋面刚度应做得大些,以保证底部裙房与上部塔楼共同振动,但也不能过刚;

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1.利用一工程实例,对带桁架转换层高层结构进行了较系统的设计分析。分析结果表明:(1)带竖杆的斜杆桁架中各构件的内力较为接近,可以取得较为一致美观而又经济的截面;而不带竖杆的斜杆桁架中各构件的内力差别较大,最大达40%左右;(2)在单独对转换桁架的内力分析中,转换桁架上部仅取一层框架时其计算结果比取三层框架以上时误差将达到10%左右;而在转换桁架上部取三层框架以上时,其计算结果的误差值将控制在2%左右

,可以满足工程精度的要求;(3)转换桁架两侧支承柱刚度的变化对桁架的内力有较大的影响,柱刚度增大时,柱内的内力增幅较大,弯矩最大增幅达86%;而弦杆及斜杆内力则有所减小,减小幅度最大的是下弦杆,达到22%;(4)处于外立面上的转换桁架在考虑昼夜温差25℃时,主要竖向构件中温度应力与恒载引起的应力的最大比例达8.3%,对于一些水平构件,最大比例达18.9%。

2.对一大底盘多塔楼高层建筑结构的进行了实例分析,结果表明:(1)大底盘顶层楼板可作为上部多塔楼的嵌固层时,属一般的高层建筑结构,塔楼对大底盘层远离塔楼处的影响很小;大底盘顶层楼板不可作为上部多塔楼的嵌固层时,必须用两个不同力学模型的三维空间分析软件对大底盘多塔楼结构作整体分析,并按复杂高层建筑结构的设计控制指标来调整结构体系方案,对于结构的关键部位还必须进行单独的有限元应力分析;(2)振型分解反应谱法(CQC)计算结果为多条时程曲线计算结果平均值的2.0-3.07倍,计算结果偏于安全。

3.对一错层住宅结构,分别使用ETABS和SATWE两种有限元程序进行了实例整体建模和计算比较,分析了力学模型和结构动力特性间的差异。结果表明,采用ETABS程序建模的结构刚度明显大于SATWE程序建模的结构刚度。

4.对错层框架结构和普通框架结构分别进行了Pushover分析,对比了两者分别在7度、8度、9度多遇和罕遇地震下的反应结果。比较两者的基底剪力一顶点位移曲线图可以看出,无论是弹性阶段还是塑性阶段,错层框架结构的力一位移曲线的斜率均略大于普通规则框架结构的力一位移曲线的斜率;在两条曲线的下降阶段,错层框架结构的曲线下降更早,表明错层框架结构较普通框架结构更早进入破坏阶段。

7.期刊论文陈雪亮浅谈某高层建筑的结构设计-科技风2009(19)

本文简要介绍了一例带转换层的多塔楼复杂高层建筑的结构设计过程及设计体会.

8.期刊论文柯春明.KE Chun-ming某大底盘多塔楼结构嵌固层判定条件的研究-安徽建筑工业学院学报(自然科

学版)2006,14(5)

安徽圣大国际商贸中心工程为大底盘多塔楼结构,通过地下室剪力墙的合理布置、选用合适的剪力墙厚,满足了结构将地下室作为上部多塔楼的嵌固端的要求,从而避免结构成为大底盘多塔楼复杂高层结构,也解决了各塔楼质量、刚度分布不均匀的缺陷.该文探讨了地下室作为上部结构嵌固端的判定条件及构造措施,可供类似的工程设计参考.

9.学位论文肖伟多塔高层建筑结构地震反应分析2003

多塔结构是一种复杂的结构体系,由于多个塔楼之间的相互耦联振动,其抗震性能与传统结构体系有较大的不同。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)对作为复杂高层建筑结构之一的多塔结构的抗震设计做了一些规定,但对其抗震分析方法和措施未做更深入、明确的规定,可操作性不强。就目前的工程实践而言,高层建筑结构大多不超过双塔,3个及以上塔楼高层建筑结构的工程实践较少,可借鉴的实践经验较为缺乏。因此,深入研究具有3个及以上塔楼的复杂高层建筑结构的地震反应特性是很有必要的。

本文以具有3个塔楼的厦门东方时代广场为分析对象,采用国际通用有限元分析软件SAP2000进行结构建模和分析,考虑双向地震动输入,研究结构的振动特性,分析底盘与塔楼刚度比对结构的影响以及多塔之间的扭转效应和平扭耦联作用,对比风荷载和地震作用下塔楼在两个结构主轴方向的层间位移、顶点位移以及塔楼底层的变形,分析地震作用下转换层楼板的应力分布特点及主要竖向构件的正应力和剪应力分布特点。

通过上述分析,得出以下主要结论:①多塔楼结构存在频率密集现象,各振型间耦联效应明显,地震作用计算应采用CQC组合原则而不能简单地采用SRSS组合原则;

②非对称多塔结构的振型中,扭转作用明显,平扭耦联效应值得考虑;

③裙楼刚度对整体结构的抗震性能影响很大,非对称多塔结构宜控制裙楼与塔楼刚度比在适宜的范围;

④非对称多塔易导致平面刚度分布不均匀,结构扭转效应不仅在竖向抗侧构件中引起较大的扭转内力,对转换层楼板应力有较大的影响,且延续至相邻楼层,对相应楼层均应采取相应的加强措施。

10.学位论文闫磊大底盘双塔楼高层建筑的地震动响应研究2005

本文在武汉市建委科研计划项目(No.2005-18)的资助下对多塔楼高层建筑设计方法以及地震作用下动力响应进行了理论与数值研究。首先回顾了多塔楼高层建筑的发展历程、结构体系、受力特点及当前的研究现状,对高层建筑结构计算分析方法、常见模型形式进行了总结。认为地震作用的反应谱方法计算简便,可信度高,得到的结构最大响应可靠,是计算动力响应较适宜的方法。而时程分析方法能得到结构在地震作用下的响应时程,可详细了解结构在整个地震持时内的响应,是目前技术比较成熟的、可以获得结构性能和表现定量的一种主要计算方法。三维有限元模型是最具通用性、灵活性和精确性,最接近实际情况,较理想的计算分析模型。

借用结构分析专用软件ETABS对一工程算例——武汉圣淘沙大厦进行了地震作用下动力响应分析,探讨了复杂高层建筑结构计算分析中有关动力特性、振型的选择、地震波的合理选取及抗震验算、有限元模型建立过程中的几个关键问题。通过分析结构在不同工况下的动力反应,对进一步了解此类结构的性能、验证结构抗震能力、完善抗震设计理论具有重要的理论意义和工程实践指导作用。最后,总结多塔楼结构抗震性能,提出了改善抗震性能的建议,并指出了尚待解决的研究问题。

本文链接:https://www.doczj.com/doc/5611315580.html,/Periodical_gxczjs200405017.aspx

下载时间:2010年5月11日

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