某新建大廈構造設計討論

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摘要:本文結合工程實際，介紹了某擬建大廈轉換層的結構設計、計算方法、采取的構造措施,同時對本工程設計中幾個主要問題的處理也進行了較詳細的探討,供同行參考。

關鍵詞:高層建筑；結構設計；抗震計算；抗震構造

1工程概況

擬建大廈位于某市中心立交橋的西南部，東臨芙蓉南路，西鄰市百貨系統家屬區。由商業裙樓（1～4層），南北兩棟塔樓，及其地下三層車庫構成，總建筑面積63449.4㎡，建筑高度：分別為99.85m、99.4m，高層建筑。主樓由兩部分組成，北塔樓為25層的高檔辦公樓，南塔樓為27層的住宅樓，住宅樓下設有物業管理房及住戶活動場地。裙房為四層大空間商場，地下三層為停車及設備用房，可停車237輛，同時在第三層地下室布置平戰結合的防空地下室。設計建筑物占地面積為2097.7平方米，總建筑面積為63449.4平方米。南北塔樓通過抗震縫分為兩個部分,南塔樓就成為普通的框架剪力墻結構,北塔樓由于建筑立面開大洞給結構設計帶來了較為復雜的因素,本文通過對北塔樓的計算分析與設計,探索此類結構的設計方法,為此類結構的設計和應用提供參考。

本工程設計條件:使用年限為50年,抗震設防烈度取6度,設計基本地震加速度為0.05g,Ⅱ類場地,場地特征周期0.35s。

2結構方案選擇

本工程需要解決的主要結構問題是:

(1)由于大跨度開口,跨度達到15.5米,轉換層在五層,造成結構豎向構件(框架柱)不連續,一～四層樓板不連續,采用何種轉換形式是本工程設計要考慮的首要問題;

(2)立面收進,收進比率大于25%,帶來側向剛度突變;

(3)由于平面局部設置夾層,帶來每隔一層中部縱向框架梁無法拉通,對結構的抗側剛度是否有影響,在計算分析中要予以考慮;

(4)剪力墻布置不均勻,可能造成抗扭剛度較弱,設計中如何結合建筑功能上的要求合理布置剪力墻以及框架梁柱截面的確定顯得尤為重要。

針對上述問題以及建筑功能上的要求,本工程采用框架剪力墻結構體系,利用兩個樓電梯間布置剪力墻核心筒,并在適當部位布置一定數量的單片剪力墻,以使結構整體剛度較為均勻。大跨度水平轉換構件的形式一般有:鋼筋混凝土轉換大梁、焊接工字鋼梁、鋼桁架、鋼筋混凝土空腹桁架、箱型鋼筋混凝土轉換層、型鋼混凝土框架梁等。由于轉換層以上為單元式住宅,且每一單元平面內局部都設有夾層,對結構構件的截面高度都有很嚴格的限制,因此在結構布置時的出發點就是要把上部荷載全部傳到轉換構件上,且轉換構件要有足夠的剛度,避免其產生過大撓度而使上部結構產生附加內力。通過計算分析比較,結合建筑專業對結構構件造型的要求,最終選擇型鋼混凝土框架梁作為水平轉換構件,相應的框支柱采用型鋼混凝土柱。

3結構抗震計算與分析

3.1計算模型與分析程序

采用中國建研院編制的多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件SATWE和特殊多、高層建筑結構分析與設計軟件PMSAP對結構整體內力位移進行分析。在建模中勁性梁、柱均直接輸入,以考慮其對整體結構剛度的貢獻。局部夾層樓板采用彈性樓板假定。PMSAP程序能夠分析由于轉換構件的變形對上部結構的影響,因此,要重點查看轉換構件的撓度變形以及上部框架梁的變形特征和內力情況。

3.2主要計算結果

(1)周期與振型

兩種程序計算的周期值簡表1。

表1

T1/平動分量(X+Y)T2/平動分量T3/平動分量T4/平動分量T5/平動分量T6/平動分量

SATWE1.9122/0.98(0.10+0.88)1.8224/0.99(0.90+0.09)1.2562/0.25(0.01+0.24)0.7118/0.86(0.82+0.04)0.6190/0.67(0.17+0.50)0.5142/0.34(0.03+0.31)

PMSAP1.821/Y1.719/X1.217/T0.694/X0.623/Y0.504/T

表注:表中X為X向振動;Y為Y向振動;T為扭轉振動。

(2)層間位移角

表2

地震作用風荷載作用

地震工況X向Y向X向Y向

最大位移角最大位移比最大位移角最大位移比最大位移角最大位移角

SATWE單向地1/917[24]1.15[23]1/980[24]1.35[7]1/2818[22]1/1138[18]

雙向地震1/891[24]1.15[24]1/880[24]1.37[18]----

偶然偏心-5%1/944[24]1.13[23]1/943[22]1.44[18]----

偶然偏心+5%1/891[24]1.15[27]1/905[24]1.31[18]----

PMSAP單向地震1/984[24]1.62[9]1/1011[24]1.38[9]1/3071[20]1/1266[18]

雙向地震1/937[24]1.63[9]1/883[24]1.38[9]----

偶然偏心-5%1/964[24]1.62[9]1/1009[24]1.41[9]----

偶然偏心+5%1/1004[24]1.62[9]1/969[24]1.35[9]----

注:[]內為樓層號

(3)剪重比

表3

地震作用(KN/%)風荷載作用(KN/%)

X向Y向X向Y向

SATWE13908.20/2.65%12435.77/2.37%4395.3/0.83%12234.6/2.33%

PMSAP2.72%2.46%----

注：活載產生的總質量(t):3973.255

恒載產生的總質量(t):48496.434

結構的總質量(t):52469.688

(4)樓層剛度比

a．SATWE與PMSAP樓層剛度計算結果均在第六層與第八層X向出現薄弱層,地震力均進行了1.15的放大。

b.轉換層上下剛度比為:

X方向剛度比=0.2959

Y方向剛度比=0.3712

轉換層下部剛度比上部剛度大,對抗震有利。

3.3計算結果分析及處理措施

(1)從周期計算及振型圖可以看出,第一振型為Y向振型,第二振型為X向振型,第三振型為扭轉振型,且T3/T1=0.66<0.9,立面大開洞沒有引起局部構件的振動,表明結構布置合理,具有較好的抗扭能力。

(2)從SATWE與PMSAP兩種程序計算的比較來看,周期、層間位移、地震力等指標均比較接近,未發現異常情況,說明計算結果可靠,可以作為設計依據。

(3)從PMSAP計算的位移結果看,最大位移比達到1.63,且發生在第九層,經查看計算簡圖,最大位移節點在平面角點上,層間位移角為1/2832,而在相同樓層SATWE計算結果的層間位移角比則為1.11,第九層正好為結構轉換所在層,因此設計中應對該層的抗側力構件進行加強。其他樓層的位移比均滿足規范的要求,從整體結構布置上看是能滿足規范要求的。

(4)經查閱轉換構件內力計算結果,沿轉換梁方向框支柱頂出現極大彎矩與剪力,為提高柱子抗彎能力,與轉換梁相鄰跨的框架梁截面及配筋均采取了加強措施,框支柱、轉換梁均采用勁性柱、勁性梁的方式以提高其承載力。為檢驗洞口兩邊主體結構是否滿足整體剛度的要求,轉換層以下還采用多塔模型進行了分析計算,經查閱計算結果空間振型圖中沒有出現轉換層以下兩塔分別振動的情況,周期值也體現出整體作用的效果,表明洞口兩邊具有足夠的抗側剛度,同時轉換層以上連接構件的剛度、強度均足以使本工程結構為一個整體起到抵抗地震、風荷載的作用。

4抗震構造措施

本工程因立面大開洞、平面使用功能的變化等原因形成了洞口兩側結構的體型、平面、層數、剛度相差懸殊,同時帶有高位轉換構件,且立面收進水平尺寸大于相鄰下層25%的側向剛度不規則等,在設計階段應特別注意幾下幾點:

(1)提高結構抗震等級:框支梁、框支柱為特一級,底部加強部位的剪力墻、框架為一級,框支框架按中震彈性設計,并加強與框支柱相連的斜向框架抗震措施。

(2)剪力墻布置應盡量均勻,應保證偶然偏心下的扭轉位移比不大于1.4。

(3)應特別加強轉換層及以上一層樓層抗震設計與構造措施。

(4)轉換層以下框支柱應滿足“高規”第10.2.7條要求,即每根框支柱所受的剪力不小于基底剪力的3%。

(5)為解決10層(計算層9-20)處縱向高位體型內收所引起的剛度突變的不利影響,在構造上將Y7軸柱的底部加強區延伸至11層頂。并加強Y7軸柱和屋面連接節點處柱的構造。

5轉換構件設計

本工程采用梁式轉換,上部框架柱直接落在轉換梁上,由于上部框架的截面尺寸較小,柱子微小的垂直位移就可能產生較大的附加應力,因此必須嚴格控制轉換梁的撓度,同時應提高轉換框架的抗震承載力以及抗震等級,根據抗震專項審查專家意見,框支柱及轉換梁強度設計采用中震下仍保持彈性受力狀態,抗震等級采用特一級,其截面中均設置勁性鋼骨,梁柱截面參見圖1所示。

圖1轉換梁上柱插鋼筋示意簡圖

由于轉換梁上荷載很大,中部轉換梁上柱底恒載作用下軸力達到了7215KN,轉換梁跨中和支座最大組合彎矩也分別達到了48132KN/M和41001KN/M,梁柱節點的承載力必須加強,同時加強相鄰跨框架梁的剛度和強度從而提高平衡轉換梁支座彎矩的能力。

6小結

由于建筑功能和造型的要求而使本工程成為高層結構,但在設計中已注意到了薄弱部位和重要環節,采取了相應的計算分析和加強措施,整體結構具有較好的抗震性能,相關指標能夠滿足規范要求。

參考文獻

[1]《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)

[2]《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)

[3]GB50010-2002混凝土結構設計規范[S]

[4]GB50011-2001建筑抗震設計規范[S]