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攻沙与荏苒
正文
2017-08-25 09:22:11 | 分类:结构专业 | 标签:结构专业


    随着国民经济的迅速发展、人们生活水平的不断提高,对居住环境有了更新、更高的要求。在高层建筑中,由于使用功能的要求,复杂结构形式的高层建筑不可避免。本文通过对同时具有带转换层结构和错层结构两种复杂结构形式的高层建筑的设计,提出了若干复杂高层建筑的抗震设计原则和构造措施。
 

1 工程概况
    湖南某综合住宅楼,抗震设防烈度6度,地下室共 3 层,地上由 1#楼和 2#楼两栋高层住宅组成,总建筑面积 61000 m2。其中 1#楼共 39 层,建筑高度为 123 m。地上1 层为商场,层高6 m2 ~39层: 错层区为错层式住宅,层高 3 m,分为全上型和上下型两种户型,全上型从下到上依次为客厅层、餐厅层、主卧层,上下型从下到上依次为主卧层、餐厅层、客厅层平层区为层高3 m 的普通住宅。建筑户型剖面如图 1 所示。地下室和 1 层商场结构形式为框架—剪力墙筒体结构,上部住宅2~39层为剪力墙结构,在 1 层顶部设钢筋混凝土转换层,进行上下不同结构形式的转换。结构平面布置如图 2 所示。基础采用大直径人工挖孔桩,桩端持力层为微风化花岗岩。


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图 1 户型剖面
       IMG_257图 2 标准层结构平面


2 上部结构设计特点
    (1) 1#楼上部住宅平面形状为三角形,共分为 4个区,其中两个腰边部位为错层区,底边部位为平层区,中心部位为楼电体组成的核心筒区,各部位分区和标高关系见上部结构布置图2各区均由剪力墙围合成筒,每个筒之间用走道板、花池和连梁联系成一体。
    (2) 由于建筑功能的要求,错层区结构楼面不能水平贯通,形成错层结构,属于错层式复杂超高层建筑。
    (3) 错层处的剪力墙平面外承受错层板传来的集中荷载,使得结构的计算层高为 1. 5 m,形成竖向的短墙肢,其受力复杂,延性降低。
    (4) 由于地下室和 1 层商场建筑使用功能上需要大空间,故在 1 层的顶部即 2 层楼面标高处设置钢筋混凝土转换层,将上部结构部分墙体转换成框支柱,因而本工程为带框支转换层的复杂超高层结构。
    (5) 本工程高度 123 m、标准层错层、底部带有转换层,按照 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010)中的规定,本工程应属于含有两种复杂结构形式的超高层建筑,其规则程度属于特别不规则。特别是建筑高度 123 m 已经大大超过《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010)规定的 80 m。因此,分析研究此类复杂结构的受力特点,提出正确的计算分析方法以及合理的构造措施,对设计该类复杂高层建筑有重要意义。


3 结构受力特点
    (1) 2 层以上部分剪力墙不能直接连续贯通落地,在 2 层设置转换层。转换层承受上部结构传下来的全部竖向荷载,并传递到底层转换层承受上部结构传下来的全部水平荷载,并传递到底层各抗侧力构件。
    (2) 错层处的剪力墙在层间承受错层板传来的集中荷载如图 3 所示。因此,结构的计算层高仅为1. 5 m,竖向剪力墙为 1. 5 m 高的短墙肢,剪力墙的延性降低。


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图 3 错层处墙体受力


4 计算分析方法和设计原则
    (1)《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010)规定,框支层周围楼板不应错层布置,而上部建筑首层为客厅和餐厅,其上下错开1. 5 m,为避免转换层错层,统一将2 层的客厅楼面板设计为转换层。这样虽然避免了转换层错层,但是2层上的餐厅板与转换楼板之间层高仅为 1. 5m,满足不了转换层上下刚度比的要求,因此将 2 层上的餐厅板改为预制板,使其与主体结构脱开,这样2 层的结构计算高度仍然为 3 m,转换层上下的层高比为 3/6,从而降低了转换层上下的刚度突变。转换层上下空间关系如图 1 所示。
    (2)任何计算模型假定都不可能与结构实际状态完全相同,因此对关键的结构构件如转换梁、框支柱等应采取多控的原则进行设计,采用正确的计算简图和电算程序,即满足不同计算模型假定的各种最不利受力状态时的设计承载力和变形要求。本工程分别采用两个不同的计算模型软件(有限元分析软件 SATWE 和空间薄壁柱杆系 TAT 软件) 的电算程序进行计算,取较大值作控制参数。同时,采用有限元分析法 FEQ 对框支梁进行局部补充验算,确保转换梁、框支柱在大震作用下可靠工作而不受破坏。
    (3)转换层以上取 5 层计入局部计算模型,考虑了实际结构三维空间盒子效应。
    (4)错层的两侧采用结构布置和侧向刚度相近的结构体系。
    (5)错层结构中,将错开的楼层各自参加结构整体计算,每个计算层层高为 1. 5 m。
    (6)错层处平面外受力的剪力墙,其截面厚度≥300 mm,同时设置与之垂直的墙肢。
    (7)适当提高错层处结构承载力的安全储备,错层处剪力墙的抗震等级提高一级取特一级,地震剪力增大系数提高为 3. 0。
    (8)本工程相应的计算参数: 基本风压承载能力计算时取0.35 kN/m2,用于舒适度验算风压取0.25kN / m2,地面粗糙度类别为C类,计算结果见表 1。

表 1 主要计算结果
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    从表 1 两种不同的程序计算结果可以看出,整个结构的整体刚度较好,各项计算结果均较合理,基本满足规范要求。


5 构造措施
    (1) 正确确定结构的抗震等级,本工程设防烈度为6度,总高度为 123 m,2 层以下框架和剪力墙抗震等级为特一级,2 层以上错层处剪力墙的抗震等级取特一级,其他部位剪力墙的抗震等级取一级。
    (2) 减少转换,核心筒和大部分墙体上、下贯通,使结构沿竖向基本连续贯通。
    (3) 传力直接,转换层上部的竖向抗侧力的剪力墙直接落在转换层的主体结构上,水平转换结构传力直接,避免多级复杂转换,采用经济合理的柱梁转换形式,最大框支梁截面为 600 ×1600。
    (4) 强化下部、弱化上部,落地剪力墙和核心筒底部墙体加厚至 600,框支柱截面为 1200 × 1200,1500 × 1500。严格控制转换层上、下等效侧向刚度比,使转换层上、下等效剪切刚度比小于2,本工程:


rx= 1. 701
ry= 1. 830


    式中 rx—X 方向转换层上、下等效剪切刚度比ry—Y 方向转换层上、下等效剪切刚度比。
    (5) 转换层避免错层。
    (6) 严格控制框支柱和落地剪力墙的轴压比,提高其配筋率和体积配箍率,避免竖向抗侧力构件的脆性破坏。
    (7) 加大转换层板厚为 220,配双层双向钢筋 14@ 150,配筋率为 0. 467% ,提高转换层楼板的延性。转换梁高≥1/6 L(L为梁跨度) 。加强其箍筋和腰筋的配筋率,提高其抗剪能力,加大其延性,腰筋梁下部为 2 20@100,上部为 2 20@150。
    (8) 加强转换层上、下相邻层的板厚和配筋率,同时,加强相邻层墙体的配筋率。转换层上1层,即第3层,板厚为150,配双层双向钢筋10@180,配筋率为0.27%。
    (9) 错层处平面外受力的剪力墙,其厚度≥300mm,同时设置与之垂直的墙肢。为保证错层处的剪力墙在多遇地震作用下仍然处于弹性工作阶段,满足结构小震不坏的三水准抗震设防要求,因此在2~20层墙体的暗柱中设置了型钢,以提高其延性。同时,减少了墙体的厚度,有效地加大了建筑的使用空间,其构造如图4所示。


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图 4 墙体型钢暗柱


    (10) 错层处剪力墙的混凝土强度等级不低于C30,水平和竖向分布钢筋的配筋率大于 0. 5% 。
    (11) 在平层和错层的楼面标高处,剪力墙上设置水平暗梁,暗梁截面为墙厚 ×400,上下各配 4 20纵筋、 10@200 的箍筋。
    (12) 优化标准层,上部住宅平面形状为三角形,共分为 5 个区,中心部位为楼电体组成的核心筒区,各区均由剪力墙围合成筒,每个筒之间用走道板、花池和连梁联系成一体。加大连接部位走道板、连梁的截面尺寸,提高其配筋率(走道连接板厚150,配双层双向钢筋  10@ 180,配筋率为 0. 27% 连梁截面为 300 × 600,上下各配 4 22 纵筋、4 12的腰筋、 10@200 的箍筋) ,加强了每个区之间的连接,使每个区域各自为筒,同时又互为支撑,相互约束,形成平面对称、整体性较强的结构体系,确保其共同抵抗水平力。


    6 结语
    本次复杂超高层工程的设计,尝试了带转换层结构和错层结构两种复杂结构形式在超高层建筑中的应用。通过整体计算分析和构造加强措施,保证了复杂超高层建筑结构体系的合理性,力求做到安全可靠、技术先进、经济合理。同时,也说明了在合理措施的保证下,超越规范的复杂高层建筑在实际工程中是可实现的。

参考规范:《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010


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