型钢混凝土框架—混凝土筒体结构设计在超高层建筑中的应用与探讨
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型钢混凝土框架—混凝土筒体结构设计在超高层建筑中的应用与探讨
在高度为近190米的超高层建筑的结构设计中,采用型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体结构形式。本文着重探讨了结构体系及布置、结构设计的构想、结构整体计算与分析等。并在核心筒剪力墙极其外围墙体设计、外框架型钢混凝土梁柱节点设计、上部结构嵌固部位的分析验算、连梁超筋问题的处理以及抗震构造措施上,作进一步的探讨。
标签:超高层建筑;型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体;关键构件
1 工程概况
本工程位于上海浦东新区,包括5栋高层商办楼、1栋多层商业楼以及3层整体地下室。地下室场地平面尺寸约为250mx190m,总建筑面积约14万平方。(总平面图见图1)
1号楼坐落在大地下室的西北角,地上41层,底层和标准层层高分别为6.4m和4.5m,主屋面高近190m;标准层外包平面尺寸为50.4m×50.4m,地上建筑面积96600m2,采用型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体结构。
地下室顶板面-1.200,覆土厚1米。地下室顶板面作为上部结构的嵌固端。
本文重点阐述1号楼的结构布置,见标准层结构平面图(图2),以及关键构件的处理措施。
2 结构设计分析
1号楼地上建筑面积近10万平方,经常使用人数超过8000人,按照重点设防类(乙类设防),应按8度要求加强其抗震措施。结构设计年限为50年,结构重要系数为1.0。
根据工程的工程性质、使用功能及业主要求,为钢组合框架-钢筋混凝土筒体结构,根据《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》DG/TJ08-015-2004(上海),钢组合框架-混凝土筒体结构不超过限高190米的高度,不属于超限高层范围。地下一层顶板作为上部结构嵌固端,三层地下室为框架结构,高层对应地下部分局部采用型钢混凝土,上部钢柱和混凝土筒体内型钢倒插入地下一层。地下一层顶板作为上部结构嵌固端处。高层建筑首层结构层标高高出地下室顶板600,在高低处通过构造措施保证地下室顶板的连续性。
抗震设防烈度为7度,场地土类别为IV类,特征周期为0.90s,基本地震加速度:0.10g,水平地震影响系数:0.08(多遇地震时),0.45(罕遇地震时),时
程分析用地震加速度最大值:35cm/s2(多遇地震时),200cm/s2(罕遇地震时),结构阻尼比取为0.05。基本风压取重现期100年值0.61KN/m2,地面粗糙度取为C类(市区),风压体型系数取为1.3。
结构抗震等级,上部结构外周框架为一级,核心筒为特一级,地下一层为一级,地下二、三层为二级。层间位移角限值(地下室顶层作为上部结构嵌固端),多遇地震时1/680,罕遇地震时1/100。
主楼结构在平面中央采用钢筋混凝土筒体结构,并以它作为结构主要抗侧构件。外围框架梁、柱采用型钢混凝土(SRC),剪力墙筒体与周边的柱相连接的框架梁则采用钢结构,这种结构的选择可减轻自重,减小框架柱的截面,加快施工进度,便于设备穿管。
为保证计算的准备性,弹性分析时按照规范规定采用SATWE和PMSAP两个软件进行整体计算,并对结果进行对比分析,见表1。
两种软件的整体计算指标接近,无明显差异。补充计算0度和45度方向的地震作用效应,并进行分析比较,计算指标也比较接近,符合有关规定。
根据《建筑抗震设计规范》(上海规范)5.1.2应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。计算结果表明,每条波计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法的65%,三条波的平均值大于振型反应谱法的80%;在罕遇地震作用下的最大弹塑性位移角均小于1/100,符合规范要求。综上所述,1号楼结构体系,结构布置是合理安全可靠的。
3 关键构件设计要点
3.1 核心筒剪力墙及外围墙体
核心筒作为主要的抗侧力构件,在满足中震弹性的情况下, 即核心筒剪力墙底部加强区满足中震基本弹性;在罕遇地震时,墙肢所承受的剪力不大于0.15fckbh0;拉应力标准值不大于1.5ftk(C60的剪力墙,限值为4.3N/mm2)。
对关键部位采取了以下措施以提高其抗震性能:(1)核心筒外围墙体的四周转角部位以及和钢梁连接处设置构造型钢,以提高延性。(2)核心筒四周转角部位通高设置约束边缘构件。(4)核心筒墙体内部约束边缘构件的设置按轴压比控制,小于0.2时设置构造边缘构件。(5)外围墙体处的连梁均设有型钢,以满足连梁截面的控制要求,同时也满足强剪弱弯要求。(6)核心筒底部加强部位的墙体分布筋最小配筋率提高至0.6%,一般部位取0.3%;筒体在每层楼板处均设置暗梁。
3.2 外框架型钢混凝土梁柱的设计
外框采用型钢混凝土梁,增大了结构的抗扭刚度,与此同时也增大了土建施
工的难度,特别是梁柱节点处的施工。因此,外框架型钢混凝土梁截面和配筋的确定,除了需要满足刚度和承载力的要求外,还应该尽可能减小施工的难度。首先,合理配置型钢柱、梁截面板件厚度,在计算时尽量使外框型钢混凝土梁柱的配筋为构造配筋,为了避免与外框柱内型钢相碰,当外框梁底部钢筋根数较多时,采用在梁柱节点处1:3变截面加腋的方式,在不影响梁的整体刚度的前提下解决钢筋的锚固问题。节点做法见图2。
3.3 与筒体相连框架梁截面的优化
在保证结构在地震荷载作用下整体位移满足规范要求的前提下,钢梁与核心筒内筒设计为铰接连接,大大地减小了构件内力,使得构件截面大幅减小,这样做可以有效提高办公区域的净空高度,同时也减小了框架柱与筒体竖向压缩变形差异所带来的钢结构安装上的难度。注意:控制外框架型钢混凝土柱轴压比限值为0.7,剪力墙轴压比限值为0.5。目前计算结果,外框架柱轴压比最大值为0.68,剪力墙轴压比最大值为0.43。根据电算所得的轴压比合理选择框架柱,核心筒剪力墙的截面尺寸,也是控制框架柱与筒体竖向变形差的重要手段之一。3.4 上部结构嵌固部位的处理
本工程上部结构位于地下室大底盘的中部,周边远离地下室外墙。因为地上有6个塔楼,上部结构的嵌固部位宜设置在地下室顶板处。故与建筑协调后,在离大地下室外墙较远处周边增设了剪力墙,具体见总平面图(图1)。地下室与首层剪切刚度比,由SATWE软件计算可得,X向为3.281,Y向2.961,主楼地下室一侧侧向刚度均大于地上底层侧向刚度的2倍。地下室顶板取厚度250mm>180mm。故大底盘多塔计算模型简化为各塔楼单塔模型,嵌固端设置在地下室顶板处。
3.5 连梁超筋的处理
3.5.1 减小连梁截面高度;增大连梁截面跨度;在连梁中部开水平缝,以降低连梁的刚度。
3.5.2 内力计算前,直接将连梁刚度进行折减,折减系数取0.7。
3.5.3 采用对连梁弯矩调幅的办法,考虑连梁的塑性内力重分布,降低连梁的计算内力,同时应加大剪力墙的地震效应设计值。调幅后的弯矩不小于前弯矩的0.8倍(6~7度)。
3.5.4 通过改变连梁计算截面高度,寻求实际截面连梁的最大抗剪承载力所对应的截面弯矩设计值,及与之相应的剪力墙内力和配筋。
3.5.5 当连梁抗剪截面不足时,可采取在连梁中设置型钢或钢板的措施。
3.5.6 连梁的铰接处理,根据《高层建筑结构技术规程》JGJ3-2002,当连梁破坏时对承受竖向荷载无明显影响时,可考虑在大震作用下该连梁不参与工作按
独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析,墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计。方法4和方法6剪力墙均为按两次计算结构包络设计。
本工程核心筒外围剪力墙东西两侧的两根连梁LL1超筋见图2,该连梁不作为次梁或主梁的支撑梁,故两端设铰,剪力墙按照两次计算结果包络设计。
4 结束语
本工程作为超高层办公楼,除了通过电算结果分析作为辅助手段,分析结构体系的合理与安全性;同时为避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力,故需要对关键构件采用合理的设计方法,及可靠的抗震构造措施;来有效保证结构的关键部位在地震作用时的安全可靠性。通过对整体计算,在局部关键部位采取可靠抗震构造措施,验证了型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体结构应用于超高层办公楼,是安全可靠,切实可行的。
参考文献
[1]GB50009-2001.建筑结构设计荷载规范[M].北京:中国建筑工业出版社.
[2]GB50011-2008.建筑抗震设计规范[M].北京:中国建筑工业出版社.
[3]JGJ 3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程[M].北京:中国建筑工业出版社.
[4]GB50010-2002.混凝土结构设计规范[M].北京:中国建筑工业出版社.
[5]CECS 230:2008.高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程[M].北京:中国计划出版社.
[6]DG/TJ08-015-2004.高层建筑钢-混凝土混合建筑设计规程[S].
作者简介:朱蔚惠,国家一级注册结构工程师,十年结构工程设计实践,设计有多种类型建筑,包括多个超高层超限建筑。设计项目:上海陆家嘴塘东项目、竹园项目、陆家嘴金融中心等。