某高层建筑结构设计分析
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作者: 张伟强
摘要:某小区1号栋基础研究采用CFG复合地基,主楼为框支剪力墙结构。通过设置后浇带,采取必要的构造措施,提高结构构件刚度,提高结构的抗扭承载力及采用空间有限元法和时程分析计算手段,解决了设计中存在的结构超长、扭转效应明显等问题,使结构满足抗震设防的要求。
关键词:抗震;沉降;结构转换;扭转效应
1工程概况
该项目是由7栋高层组成,地下有两个相互连通的一层地下室。其中1号栋地上27层,地下1层,由A、B、C三个单体组成,单机之间设260mm宽的缝彼此脱开。1号栋1、2层为商业用房, 3层以上为住宅,地下为一层的五级人防地下室,B座上部剪力墙不允许落地,从而形成钢筋混凝土框支剪力墙结构体系。
2基础设计
2.1地基土构成与特征
勘察场地的地貌单元属冲积阶地,按其结构特征,地层成因,土性不同和物理力学的差异划分为8层。地基土的构成和特征见表1。拟建场地浅部土层中的地下水属于潜水, 设计抗浮水位标高为-5.00m。
2.2 桩基设计
1号栋地下1层板面标高为-4.70 米。由表1可以看出,地下室板下土由层②、③、④构成,其承载力不高,变形模量较大,作为1号栋的天然地基土承载显然不够。若采用人工挖孔灌注桩,有两个制约因素:其一是桩端持力层落在层⑧上,桩长达到将近30米,不经济;其二是层⑨中富含潜水,将对人工挖孔桩的施工造成困难。参考文献1,文献2,结合本地经验,在本工程中采用了水泥粉煤灰碎石桩复合地基(CFG桩) 。笔者在之前的几个项目中采用了该种复合地基,采用参考文献1的计算方法,其沉降计算值与实测值接近,载荷板试验数据较为理想,证明在长沙地区采用水泥粉煤灰碎石复合地基是可行的。1号桩CFG桩径500,桩间距1500, 其他基承载力特征值fspk =620kPa,完全可以作为主楼的持力层。地下室主楼以外车库部分荷载较小,在控制好沉降的前提下采用层②、③、④作为持力层。
地下室结构超长,主楼与主楼外车库部分基础持力层不同,有可能产生较大的沉降差,造成连接处开裂。考虑到以上因素,工程中采用将主楼周边设置沉降后浇带的做法在施工期间与其余部分脱开,可以有效减少沉降差。
针对结构超长设置膨胀加强带,在结构底板、侧壁、顶板中掺入适量的微膨胀剂,加强带的间距20～30米为宜,由此加强整个地下室的整体抗裂能力。
基础采用平板式筏板基础,板厚1.5米,核心筒下板厚2. 0～2. 2米。沉降的计算结果为:主楼核心筒最大沉降量19mm,角柱沉降量4mm;主楼外车库部分沉降量2mm。其沉降量,沉降差均能满足规范要求。根据近十年来对已建成的高层建筑主楼基础与相连的裙房基础沉降观测表明,当主楼为筏形基础,裙房为满堂筏形基础时,主楼与裙房基础相连处设置施工后浇带,在施工期间以及竣工以后,此处基础沉降曲线是连续的,没有突变现象。当后浇带封闭后,只要底板具有足够的刚度,可以认为该计算结果是符合实际工程情况的。
3. 上部结构设计
工程抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0. 05g,设计地震分组为第一组,场地土的类型为中硬场地土,建筑场地类别为Ⅱ类,设计地震特征周期值为0. 35S。主楼上部结构A、C座采用现浇钢筋混凝土框架一剪力墙结构, B 座为框支剪力墙结构。A、C座框架抗震等级为三级,剪力墙抗震等级为三级; B座框支框架抗震等级为二级,底部加强部位剪力墙抗震等级为二级,非底部加强部位剪力墙抗震等级为三级。地下车库采用现浇钢筋混凝土框架结构,抗震等级为三级。在设计中主要有以下问题需要解决。
3. 1 结构转换
工程层3以上为剪力墙小户型住宅,层1、2为商业、娱乐用房,需要较大开间及空间,上部的短肢剪力墙无法落地,因此存在结构转换问题。针对工程实际情况,并考虑到造价的因素,在转换层设置转换大梁,以承托上部短肢剪力墙。由于转换梁承托着上部24层的剪力墙,受力很大,因此需要很大的截面和配筋,即需要转换层下层有较大的层高。按照抗震规范表3. 4. 2 - 2对于侧向刚度不规则的定义,尽量使层2与层3的侧向刚度比大于70%。经与建筑专业人员协商,在转换层以下部分山墙两端及房间开间两侧设置剪力墙,加大房屋的整体刚度及抗扭刚度。同时转换层以下不设管道层,在3米标高处设置管道通廊,将设备管道由此引出室外,从而将转换层下层的层高由5. 4米降到4. 8米。经过计算,满足了侧向刚度规则的要求,该转换层结构方案传力途径明确,受力状况相对简单,对框支构件另采用平面有限元的程序进行单独分析,并与总体计算结果对比,以保证关键构体的抗震安全。值得注意的是,转换层大梁不是框支梁。框支梁上部承托完整的剪力墙需满足高规规定的条件,框支梁整截面受拉。转换梁和普通梁一样单面受压或受拉,在构造要求上与框支梁不同。高规对框支梁的构造有非常详细的要求,对转换梁的规定很少。结合以往的工程经验,转换梁在满足框支梁混凝土强度等级、开洞构造要求、纵向钢筋、箍筋构造要求以外,还需要满足已下两点。( 1)转换梁断面宜由剪压比控制计算确定,以避免脆性破坏和具有合适的含箍率,适宜剪压比限值在有地震作用组合时,不大于0. 15。(2)转换梁腰筋构造以梁高中点为分界,下部腰筋间距100,上部腰筋间距200,直径不小于Φ18,尚应满足:Ash≥S•bw (λx - ft ) / fyh。
3. 2 结构抗扭
A、C座平面不规则,中部楼电梯间凹进比较严重,按照抗震规范3. 4. 2条的定义,已属凹凸不规则、楼板局部不连续的平面不规则结构。
工程采用广厦结构计算程序按平扭耦联进行抗震计算分析。在结构初步计算时,没有对剪力墙的平面布置作出适当调整,结构扭转为主的第一自振周期压与平动为主的第一自振周期下之比为0. 96,扭转周期偏大。由于实际条件的限制,建筑专业能做的调整有限,只能由结构专业采取措施:即通过加强结构的抗扭刚度,从面提高结构的抗扭能力,当结构出现扭转时也能保证安全。从力学基本概念可知,构件离质心越远,其抗扭刚度就越大。所以,在建筑物外围尽可能布置抗侧力结构,可以显著加大结构的抗扭刚度。经与建筑专业协商,在A、C座的两端尽可能布置纵向剪力墙,从计算结果看,其扭转周期显著减小,周期比满足规范要求。在设计时将两端剪力墙、框架柱、框架梁刚度适当提高,端跨板加厚,双层双向配筋,以加强结构的连接。
针对中部楼电梯间凹进比较严重,计算时该部分楼梯采用弹性假定,设计时对核心筒剪力墙配筋适当加强,核心筒楼板及与之相连的两侧梁板截面加大,配筋加强。从计算结果分析,楼层的最大弹性水平位移与该楼层两端弹性水平位移的平均值之比均小于1. 2,结构的扭转效应并不明显。说明通过采取一定的构造措施,可以改善建筑平面不规则布置所引起的扭转效应。
4结语
随着社会的进步,高层建筑的发展很快,日新月异。高层建筑的结构设计人员应不断学习和提高,通过力学知识和力学规律建立结构受力与变形规律的各种概念,并注意吸取国内外的震害经验和教训,重视结构试验研究成果,结合施工实践,通过大量工程经验的日积月累,精心设计才能够作出技术先进、安全可靠、经济合理的各种高层建筑的结构设计。
参考文献:
(1)行业标准《建筑地基处理技术规范》( JGJ79 -2002) ,中国建筑工业出版社, 2002。
(2)徐至钧,王曙光《水泥粉煤灰碎石复合地基》机械工业出版社, 2004。
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