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-建筑工程

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-建筑工程    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)化想象，探討了鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的想象、 計算 方法 及構(gòu)造措施，可供想象人員 參考 。 關(guān)鍵詞： 鋼骨混凝土柱 鋼骨截面形式 鋼骨含鋼率  編輯。 前    言    所謂超限高層建筑工程是指超出國家現(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)進行抗震專項檢查的高層建筑工程。中廣大廈是集辦公，住

2、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、 二層為裝備用房，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

3、，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。基礎(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，想象基準期為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、空間的運用要求，采用五層大底盤雙塔樓框支剪力墻結(jié)構(gòu)，在五六層中間利用裝備層做轉(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)想象與施工規(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。   &#

5、160; 3、高位轉(zhuǎn)換：     在五 六層之間利用裝備層做轉(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、由于商場運用功能的限制，A、B棟塔樓的落地剪力墻數(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&#

6、160;    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上部傳來的重力荷載，直接承擔其上剪力墻由于傾覆力矩產(chǎn)生的軸力，要直接承擔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：    

7、 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，承受較大反復作用下的縱向拉壓力及橫向剪力，受力非常復雜。同時，由于建筑運用功能的要求，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，在想象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。     3、由于上部住宅為蝶形平面，在轉(zhuǎn)換層個別部位出現(xiàn)了二次轉(zhuǎn)換梁。根據(jù)高層建

8、筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）第10.2.10條的規(guī)定：轉(zhuǎn)換層上部的豎向抗側(cè)力構(gòu)件（墻、柱）宜直接落在轉(zhuǎn)換層的主結(jié)構(gòu)上。當結(jié)構(gòu)豎向布置復雜，框支主梁承托剪力墻并承托轉(zhuǎn)換次梁及其上剪力墻時，應(yīng)進行應(yīng)力分析，按應(yīng)力校核配筋，并加強配筋構(gòu)造措施。B級高度框支剪力墻高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，不宜采用框支主、次梁方案。針對這一不利因素，我們采取了加強框支主梁的配筋構(gòu)造措施，并在框支主梁的下部配筋區(qū)設(shè)置鋼梁的措施。    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。針對這一不利因素，我

9、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 研究 院的 PKPM系列中的TAT（多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與想象軟件），SATWE（多、高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與想象軟件）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)采用建筑抗震想象規(guī)范GBJ11-89中的數(shù)值：多遇地

10、震0.16，罕遇地震0.9，阻尼比取0.05     2、想象參數(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，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.

11、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=1.5046    T2=1.4

12、899     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：

13、60; Qox/G=4.44%     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：

14、   Ux/h=1/1573    Uy/h=1/1583         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  

15、;     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.

16、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。   

17、0;3.3、局部計算及構(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。配筋想象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，預定鋼骨柱的

18、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)想象前的準備工作    采用鋼骨混凝土是解決超限 問題 的重大技術(shù)措施，也是本次想象的重要組成部分，在我省也是首次采用。在本次想象中，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)想象中需要注意的幾個問題如下：        4.1、鋼骨的含鋼率：  

19、  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)想象規(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想象中，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

20、.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，但當鋼板厚度大于36mm時，鋼材的厚度方向的斷面收縮率應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準厚度方向性能鋼板GB5313中的Z15級的規(guī)定。這是因為厚度較大的鋼板在軋制過程中存在各向異性，由于在焊縫附近常形成約束，焊接時容易引起層狀撕裂，焊接質(zhì)量不易保證。鋼骨的寬厚比應(yīng)滿足規(guī)范的要求。     4.3、鋼骨的混凝土保護層厚度：    根據(jù)

21、規(guī)范規(guī)定，對鋼骨柱，混凝土最小保護層厚度不宜小于 120mm，對鋼骨梁則不宜小于100mm。     4.4、要重視鋼骨混凝土柱與鋼筋混凝土梁在構(gòu)造連接上的配合協(xié)調(diào)問題。         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，

22、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)想象規(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想象中，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，但當鋼板厚度大于36mm時，鋼材的厚度方向的斷

23、面收縮率應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準厚度方向性能鋼板GB5313中的Z15級的規(guī)定。這是因為厚度較大的鋼板在軋制過程中存在各向異性，由于在焊縫附近常形成約束，焊接時容易引起層狀撕裂，焊接質(zhì)量不易保證。鋼骨的寬厚比應(yīng)滿足規(guī)范的要求。     4.3、鋼骨的混凝土保護層厚度：    根據(jù)規(guī)范規(guī)定，對鋼骨柱，混凝土最小保護層厚度不宜小于 120mm，對鋼骨梁則不宜小于100mm。     4.4、要重視鋼骨混凝土柱與鋼筋混凝土梁在構(gòu)造連接上的配合協(xié)調(diào)問題。   

24、      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)想象規(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

25、廈鋼骨混凝土柱的想象中，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，但當鋼板厚度大于36mm時，鋼材的厚度方向的斷面收縮率應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準厚度方向性能鋼板GB5313中的Z15級的規(guī)定。這是因為厚度較大的鋼板在軋制過程中存在各向異性，由于在焊縫附近常形成約束，焊接時容易引起層狀撕裂，焊接質(zhì)量不易保證。鋼骨的寬厚比應(yīng)滿足規(guī)范的要求。     4.3、鋼骨的混凝土保護層厚度：    根據(jù)規(guī)范規(guī)定，對鋼骨柱，混凝土最小保護層厚度不宜小于 120mm，對鋼骨梁則不宜小于100mm。  &#