某新建大厦构造设计讨论

摘要:本文结合工程实际，介绍了某拟建大厦转换层的结构设计、计算方法、采取的构造措施,同时对本工程设计中几个主要问题的处理也进行了较详细的探讨,供同行参考。

关键词:高层建筑；结构设计；抗震计算；抗震构造

1工程概况

拟建大厦位于某市中心立交桥的西南部，东临芙蓉南路，西邻市百货系统家属区。由商业裙楼（1～4层），南北两栋塔楼，及其地下三层车库构成，总建筑面积63449.4㎡，建筑高度：分别为99.85m、99.4m，高层建筑。主楼由两部分组成，北塔楼为25层的高档办公楼，南塔楼为27层的住宅楼，住宅楼下设有物业管理房及住户活动场地。裙房为四层大空间商场，地下三层为停车及设备用房，可停车237辆，同时在第三层地下室布置平战结合的防空地下室。设计建筑物占地面积为2097.7平方米，总建筑面积为63449.4平方米。南北塔楼通过抗震缝分为两个部分,南塔楼就成为普通的框架剪力墙结构,北塔楼由于建筑立面开大洞给结构设计带来了较为复杂的因素,本文通过对北塔楼的计算分析与设计,探索此类结构的设计方法,为此类结构的设计和应用提供参考。

本工程设计条件:使用年限为50年,抗震设防烈度取6度,设计基本地震加速度为0.05g,Ⅱ类场地,场地特征周期0.35s。

2结构方案选择

本工程需要解决的主要结构问题是:

(1)由于大跨度开口,跨度达到15.5米,转换层在五层,造成结构竖向构件(框架柱)不连续,一～四层楼板不连续,采用何种转换形式是本工程设计要考虑的首要问题;

(2)立面收进,收进比率大于25%,带来侧向刚度突变;

(3)由于平面局部设置夹层,带来每隔一层中部纵向框架梁无法拉通,对结构的抗侧刚度是否有影响,在计算分析中要予以考虑;

(4)剪力墙布置不均匀,可能造成抗扭刚度较弱,设计中如何结合建筑功能上的要求合理布置剪力墙以及框架梁柱截面的确定显得尤为重要。

针对上述问题以及建筑功能上的要求,本工程采用框架剪力墙结构体系,利用两个楼电梯间布置剪力墙核心筒,并在适当部位布置一定数量的单片剪力墙,以使结构整体刚度较为均匀。大跨度水平转换构件的形式一般有:钢筋混凝土转换大梁、焊接工字钢梁、钢桁架、钢筋混凝土空腹桁架、箱型钢筋混凝土转换层、型钢混凝土框架梁等。由于转换层以上为单元式住宅,且每一单元平面内局部都设有夹层,对结构构件的截面高度都有很严格的限制,因此在结构布置时的出发点就是要把上部荷载全部传到转换构件上,且转换构件要有足够的刚度,避免其产生过大挠度而使上部结构产生附加内力。通过计算分析比较,结合建筑专业对结构构件造型的要求,最终选择型钢混凝土框架梁作为水平转换构件,相应的框支柱采用型钢混凝土柱。

3结构抗震计算与分析

3.1计算模型与分析程序

采用中国建研院编制的多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE和特殊多、高层建筑结构分析与设计软件PMSAP对结构整体内力位移进行分析。在建模中劲性梁、柱均直接输入,以考虑其对整体结构刚度的贡献。局部夹层楼板采用弹性楼板假定。PMSAP程序能够分析由于转换构件的变形对上部结构的影响,因此,要重点查看转换构件的挠度变形以及上部框架梁的变形特征和内力情况。

3.2主要计算结果

(1)周期与振型

两种程序计算的周期值简表1。

表1

T1/平动分量(X+Y)T2/平动分量T3/平动分量T4/平动分量T5/平动分量T6/平动分量

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为X向振动;Y为Y向振动;T为扭转振动。

(2)层间位移角

表2

地震作用风荷载作用

地震工况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单向地1/917[24]1.15[23]1/980[24]1.35[7]1/2818[22]1/1138[18]

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

双向地震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:[]内为楼层号

(3)剪重比

表3

地震作用(KN/%)风荷载作用(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：活载产生的总质量(t):3973.255

恒载产生的总质量(t):48496.434

结构的总质量(t):52469.688

(4)楼层刚度比

a．SATWE与PMSAP楼层刚度计算结果均在第六层与第八层X向出现薄弱层,地震力均进行了1.15的放大。

b.转换层上下刚度比为:

X方向刚度比=0.2959

Y方向刚度比=0.3712

转换层下部刚度比上部刚度大,对抗震有利。

3.3计算结果分析及处理措施

(1)从周期计算及振型图可以看出,第一振型为Y向振型,第二振型为X向振型,第三振型为扭转振型,且T3/T1=0.66<0.9,立面大开洞没有引起局部构件的振动,表明结构布置合理,具有较好的抗扭能力。

(2)从SATWE与PMSAP两种程序计算的比较来看,周期、层间位移、地震力等指标均比较接近,未发现异常情况,说明计算结果可靠,可以作为设计依据。

(3)从PMSAP计算的位移结果看,最大位移比达到1.63,且发生在第九层,经查看计算简图,最大位移节点在平面角点上,层间位移角为1/2832,而在相同楼层SATWE计算结果的层间位移角比则为1.11,第九层正好为结构转换所在层,因此设计中应对该层的抗侧力构件进行加强。其他楼层的位移比均满足规范的要求,从整体结构布置上看是能满足规范要求的。

(4)经查阅转换构件内力计算结果,沿转换梁方向框支柱顶出现极大弯矩与剪力,为提高柱子抗弯能力,与转换梁相邻跨的框架梁截面及配筋均采取了加强措施,框支柱、转换梁均采用劲性柱、劲性梁的方式以提高其承载力。为检验洞口两边主体结构是否满足整体刚度的要求,转换层以下还采用多塔模型进行了分析计算,经查阅计算结果空间振型图中没有出现转换层以下两塔分别振动的情况,周期值也体现出整体作用的效果,表明洞口两边具有足够的抗侧刚度,同时转换层以上连接构件的刚度、强度均足以使本工程结构为一个整体起到抵抗地震、风荷载的作用。

4抗震构造措施

本工程因立面大开洞、平面使用功能的变化等原因形成了洞口两侧结构的体型、平面、层数、刚度相差悬殊,同时带有高位转换构件,且立面收进水平尺寸大于相邻下层25%的侧向刚度不规则等,在设计阶段应特别注意几下几点:

(1)提高结构抗震等级:框支梁、框支柱为特一级,底部加强部位的剪力墙、框架为一级,框支框架按中震弹性设计,并加强与框支柱相连的斜向框架抗震措施。

(2)剪力墙布置应尽量均匀,应保证偶然偏心下的扭转位移比不大于1.4。

(3)应特别加强转换层及以上一层楼层抗震设计与构造措施。

(4)转换层以下框支柱应满足“高规”第10.2.7条要求,即每根框支柱所受的剪力不小于基底剪力的3%。

(5)为解决10层(计算层9-20)处纵向高位体型内收所引起的刚度突变的不利影响,在构造上将Y7轴柱的底部加强区延伸至11层顶。并加强Y7轴柱和屋面连接节点处柱的构造。

5转换构件设计

本工程采用梁式转换,上部框架柱直接落在转换梁上,由于上部框架的截面尺寸较小,柱子微小的垂直位移就可能产生较大的附加应力,因此必须严格控制转换梁的挠度,同时应提高转换框架的抗震承载力以及抗震等级,根据抗震专项审查专家意见,框支柱及转换梁强度设计采用中震下仍保持弹性受力状态,抗震等级采用特一级,其截面中均设置劲性钢骨,梁柱截面参见图1所示。

图1转换梁上柱插钢筋示意简图

由于转换梁上荷载很大,中部转换梁上柱底恒载作用下轴力达到了7215KN,转换梁跨中和支座最大组合弯矩也分别达到了48132KN/M和41001KN/M,梁柱节点的承载力必须加强,同时加强相邻跨框架梁的刚度和强度从而提高平衡转换梁支座弯矩的能力。

6小结

由于建筑功能和造型的要求而使本工程成为高层结构,但在设计中已注意到了薄弱部位和重要环节,采取了相应的计算分析和加强措施,整体结构具有较好的抗震性能,相关指标能够满足规范要求。

参考文献

[1]《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)

[3]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S]

[4]GB50011-2001建筑抗震设计规范[S]