某超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題探討

沈國(guó)強(qiáng)，李 俊

(1.蘇州科建建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司,江蘇 蘇州 215200; 2.浙江大學(xué)平衡建筑研究中心,浙江 杭州 310063)

0 引言

本文建筑高度278 m,抗震設(shè)防烈度為6度,采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu),在超限高層建筑規(guī)定中,該類型建筑高度150 m以上的建筑物屬超限高層,故本文中建筑為超限高層建筑。

對(duì)于超限高層建筑,不同樓面梁的布置、大跨度屋面結(jié)構(gòu)形式對(duì)其的受力性能和穩(wěn)定性有著很大的影響,設(shè)計(jì)過程中對(duì)這兩部分進(jìn)行了計(jì)算分析并根據(jù)結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。其型鋼混凝土柱的鋼骨形式、核心筒剪力墻的穩(wěn)定性也在本文中進(jìn)行了分析研究,本文采用YJK,MADIS,PKPM-GESC等多個(gè)計(jì)算軟件進(jìn)行了計(jì)算分析,最后選擇合適的截面形式并優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

某超高層建筑地上部分由一棟278 m塔樓和3層商業(yè)裙房構(gòu)成。塔樓地上共計(jì)56層,主要層高為4.2 m及3.9 m,設(shè)5個(gè)避難層,避難層層高為6.0 m。地上總建筑面積約12萬m2,地下建筑面積4.75萬m2,建筑效果見圖1。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50 a,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)。抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類),抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別為Ⅳ類,特征周期為0.65 s[1]。

2 主樓結(jié)構(gòu)平面布置

經(jīng)過與鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系等其他結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計(jì)算比較,塔樓結(jié)構(gòu)采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系,核心筒抗震等級(jí)為二級(jí)(底部加強(qiáng)區(qū)一級(jí)),框架抗震等級(jí)為二級(jí)(局部斜柱、穿層柱一級(jí));裙房采用框架結(jié)構(gòu),框架抗震等級(jí)為四級(jí);嵌固端均為地下室頂板。

主樓剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)高度為設(shè)計(jì)嵌固端至墻體總高度的1/10和底部?jī)蓪佣叩妮^大值,因此核心筒剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)高度取1層板面—7層板面。地下1層板面—地上8層板面間設(shè)置剪力墻約束邊緣構(gòu)件。約束邊緣構(gòu)件與構(gòu)造邊緣構(gòu)件層間設(shè)置兩層過渡層,底部加強(qiáng)區(qū)以上核心筒角部剪力墻設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

本工程塔樓結(jié)構(gòu)主要樓層平面尺寸為43.5 m×43.5 m,塔樓框架由核心筒周邊均勻布置(柱距約9.6 m)的12個(gè)鋼筋混凝土框架柱和鋼筋混凝土框架梁組成,如圖2所示。

框架柱上下連續(xù)貫通,低區(qū)框架柱為減小截面尺寸,增加延性,采用型鋼混凝土柱,截面尺寸為1 600 mm×1 600 mm(鋼骨十字型2×H1200 mm×500 mm×30 mm×30 mm);依次向上收至鋼筋混凝土柱(800 mm×800 mm)。框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60—C35,自下而上逐漸減小。

外圈框架梁采用500 mm×800 mm截面;低區(qū)柱與筒體相連的框架梁采用500 mm×650 mm,高區(qū)核心筒南北收進(jìn)后距離增大,柱與筒體相連的框架梁采用500 mm×800 mm;框架梁和樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為了確定次梁布置對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響,設(shè)計(jì)時(shí)比選了一道次梁和二道次梁布置。采用一道次梁布置時(shí)樓板跨度4.8 m,樓板厚度125 mm。采用二道次梁布置時(shí)樓板跨度3.2 m,樓板厚度110 mm。比較結(jié)果如表1所示,最終采用了一道次梁的方案。

表1 不同次梁布置時(shí)計(jì)算結(jié)果

3 裙房大跨屋面選型

裙房中由于存在大開間需求,對(duì)于屋面形式進(jìn)行了網(wǎng)架方案、桁架方案和混凝土肋梁方案等三種方案比選,如圖3所示,比選結(jié)果如表2所示。

表2 裙房大跨屋面不同方案比選結(jié)果

4 型鋼柱鋼骨選型

框架柱為減小截面尺寸,增加延性,采用型鋼混凝土柱,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60—C35,自下而上逐漸減小。

由于與框架柱連接的梁角度不同,而且梁鋼筋較多,如果采用十字型型鋼混凝土柱時(shí),與鋼骨避讓困難,施工難度較大,因此采用工字型鋼骨更有優(yōu)勢(shì)。對(duì)十字型與工字型鋼骨進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算,計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由YJK模型中十字型與工字型型鋼的計(jì)算結(jié)果可知,工字型型鋼沿強(qiáng)軸方向的實(shí)配鋼筋面積為57 cm2,沿弱軸方向的實(shí)配鋼筋面積為211 cm2;十字型型鋼沿兩個(gè)對(duì)稱軸方向的實(shí)配鋼筋面積均為57 cm2。十字型與工字型截面弱軸方向鋼筋配置量相差較大。

由計(jì)算結(jié)果可知,工字型鋼骨性能略弱于十字型鋼骨,特別是鋼骨弱軸方向,但仍能滿足實(shí)際需要,因此設(shè)計(jì)時(shí)采用工字型鋼骨的型鋼混凝土柱。

利用復(fù)雜截面設(shè)計(jì)軟件(PKPM-GESC),按照截面1 600 mm×1 600 mm,含鋼量5%,鋼筋含量0.8%,建立了十字型與工字型的型鋼混凝土柱截面模型,進(jìn)行了設(shè)計(jì)承載力包絡(luò)球設(shè)計(jì),如圖6,圖7所示。

繪制0°(強(qiáng)軸方向)和90°(弱軸方向)的P-M彎矩曲線,提取YJK模型中首層柱設(shè)計(jì)荷載工況,輸入復(fù)雜截面設(shè)計(jì)軟件,如圖8所示。該結(jié)果顯示設(shè)計(jì)荷載各工況均處于包絡(luò)線內(nèi)[2]。

基于以上研究結(jié)果,YJK軟件在工字型型鋼截面設(shè)計(jì)時(shí),采用《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,弱軸方向未考慮工字型型鋼作用,導(dǎo)致過低估計(jì)截面承載能力,片面的加大截面配筋。在前處理選項(xiàng)中,選擇YB 9082—2006鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程,即可解決弱軸計(jì)算問題。但因?yàn)樵摷夹g(shù)規(guī)程為2006年頒布,后續(xù)未升版更新,建議僅查看弱軸配筋時(shí)采用。

針對(duì)本項(xiàng)目特點(diǎn),柱截面主要為軸力控制,鋼骨配置主要為提高截面軸壓比限制,因此改為工字型截面設(shè)計(jì)上可行,十字型與工字型型鋼截面均有一定的安全度冗余;造價(jià)上兩種截面形式基本相等;施工上工字型截面穿鋼筋更為便利。

5 墻肢穩(wěn)定性分析

本工程核心筒布置如圖9所示,由圖9可知,部分墻肢兩側(cè)均開設(shè)洞口,端部不能設(shè)翼墻,對(duì)此情況下是否滿足安全使用要求進(jìn)行了專項(xiàng)計(jì)算分析。

利用SAP2000建立三個(gè)對(duì)比模型。其中模型1假定墻肢在樓層沿墻長(zhǎng)均存在面外支撐(即與YJK計(jì)算假定相同),模型2假定墻肢在樓層處僅在端部存在面外支撐(與實(shí)際情況相符),模型3為一字墻(為極端條件)。三個(gè)模型約束邊角條件如表3所示。計(jì)算模型及結(jié)果如圖10,表4所示。

表3 三個(gè)模型約束邊角條件

表4 三個(gè)模型計(jì)算結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)算可知:

1)模型1與模型2一階屈曲模態(tài)僅相差6%,模型2最大穩(wěn)定承載力(線荷載)11 875 kN/m。

2)該墻肢在端部與現(xiàn)澆樓板相連可為墻肢提供較好支撐。

3)根據(jù)SAP2000屈曲分析結(jié)果,模型1/2墻肢穩(wěn)定承載力均滿足要求[3-4]。

4)比起T型墻腹板,更需要關(guān)注的是一字墻的穩(wěn)定性問題。

6 結(jié)語

1)對(duì)于280 m超B級(jí)高層建筑,采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)可行。

2)對(duì)于大跨度屋面結(jié)構(gòu),選用混凝土肋梁方案在滿足建筑的條件下有一定的優(yōu)勢(shì)。

3)根據(jù)計(jì)算分析可知,型鋼混凝土柱中鋼骨設(shè)置為工字型可以滿足要求。

4)根據(jù)計(jì)算分析可知,核心筒內(nèi)部墻肢不設(shè)翼墻可以滿足要求。