大底盤雙塔復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、大底盤雙塔復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，重視高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的意義。本文主要簡(jiǎn)單論述大底盤雙塔復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)內(nèi)容。關(guān)鍵詞：大底盤 雙塔 高層 建筑 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)引言 近年來(lái)隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 在城市里高層建筑建設(shè)的比例進(jìn)一步加大, 建筑師對(duì)建筑形態(tài)不斷創(chuàng)新和變化, 出現(xiàn)了越來(lái)越多的大底盤雙塔樓體形的建筑。這種豎向剛度變化較大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系在地震作用下, 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及動(dòng)力特性有何規(guī)律和特點(diǎn), 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中應(yīng)采取哪些措施以及相關(guān)的設(shè)計(jì)要點(diǎn), 應(yīng)是此種建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須首先解決的問(wèn)題。 1、工程概況 該工程為集商業(yè)及住宅為一體的大型現(xiàn)代化商住高層

2、建筑。地下一層, 地上二十七層, 其底部四層為大底盤, 作為商業(yè)用房, 其上為兩座二十三層住宅樓, 一層電梯機(jī)房, 一層水箱間, 室外地坪至塔樓屋面的高度為94.75米, 結(jié)構(gòu)平面呈“ 口”字形。根據(jù)使用功能的要求, 本建筑物結(jié)構(gòu)形式采用框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。 2、結(jié)構(gòu)選型分析 21主體雙塔樓：根據(jù)建筑高度、體形特點(diǎn)，雙塔樓采用鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，與連廊相連的范圍設(shè)置鋼筋混凝土井筒及鋼骨混凝土柱，以便增強(qiáng)雙塔樓結(jié)構(gòu)剛度，減少側(cè)移，削減塔樓對(duì)弱連廊的作用效應(yīng)。 22高位連廊：在初步方案階段，對(duì)連廊結(jié)構(gòu)的選型進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力混凝土巨型框架和鋼桁架兩種方案的比較，從結(jié)構(gòu)的整體分析總信息表明，兩種方案

3、均能滿足限制要求，但從周期扭轉(zhuǎn)比結(jié)果表明：前者扭轉(zhuǎn)比明顯高于后者，剪重比增加，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力混凝土巨型框架連廊對(duì)主塔樓影響較大，由于其自重、剛度均較大，不僅造成地震力的增加使得主體構(gòu)件粱、墻、柱、基礎(chǔ)斷面及造價(jià)都相應(yīng)提高，而且不能體現(xiàn)建筑造型的要求。從施工角度，結(jié)構(gòu)要求構(gòu)件達(dá)到強(qiáng)度后方可拆模，給高空混凝土支模技術(shù)提出高難度的要求，高空模板的突然拆除又會(huì)使巨型框架瞬時(shí)加載對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生不利的次應(yīng)力影響。如采用鋼桁架結(jié)構(gòu)方案，不僅結(jié)構(gòu)自重、構(gòu)件的斷面得以大幅度的減小和減輕，剪重比、扭轉(zhuǎn)比也相應(yīng)的減小，而且也體現(xiàn)了立面造型的輕盈、通透，時(shí)代感更強(qiáng)，又增加了房間的凈空面積：從施工角度，鋼結(jié)構(gòu)施工速度快、不需支

4、模。綜合造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此，高空連廊采用鋼桁架方案。與主樓鋼骨混凝土剛接。連廊部分的樓屋面結(jié)構(gòu)設(shè)置水平鋼支撐與豎向銅桁架組合為箱形鋼結(jié)構(gòu)體系，樓屋蓋采用壓型鋼板與混凝土組合結(jié)構(gòu)，利用壓型鋼板作為模板，可減少施工支模費(fèi)用。 23頂層屋蓋：跨越兩塔樓的屋蓋采用空間網(wǎng)架，網(wǎng)架一側(cè)設(shè)不動(dòng)鉸支座支承于左塔樓另一側(cè)設(shè)雙向滑動(dòng)的抗震球形支座，以消除在地震作用下出現(xiàn)不同方向的相對(duì)位移、網(wǎng)架的溫度應(yīng)力、風(fēng)荷載等對(duì)塔樓的不利影響。 3、連體結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析與設(shè)計(jì)： 31連體結(jié)構(gòu)參與整體分析： 由于本工程屬?gòu)?fù)雜體形超限高層建筑結(jié)構(gòu)，尤其是雙塔之間的大跨度高位連體部分是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部位，連體部分一方面要協(xié)調(diào)兩塔樓結(jié)構(gòu)的

5、變形，在水平荷載作用下承受較大的內(nèi)力，另一方面本身跨度較大，除豎向荷載作用外，豎向地震作用也非常敏感。連接節(jié)點(diǎn)處理不當(dāng)將難以保證結(jié)構(gòu)的安全。另外，雙塔連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)非常明顯，對(duì)于對(duì)稱的雙塔連體結(jié)構(gòu)，由于連體樓板的變形，兩塔除有同向的平動(dòng)外，還可能產(chǎn)生兩塔摟的相向運(yùn)動(dòng)。 32計(jì)算程序及計(jì)算方法 針對(duì)本工程體形復(fù)雜，局部存在SRC結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。在進(jìn)行多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析時(shí)，采用了多程序、多模型、多方案綜合分析比較的方法，以期準(zhǔn)確地反映該主樓、連廊、屋頂網(wǎng)架相互間的影響力。地震作用計(jì)算方法采用振型分解反應(yīng)譜法和多遇地震下的時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算。整體計(jì)算選用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM工

6、程部編制的：高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)程序SATWE和該工程部開發(fā)的另一特殊多高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件PNISAP，對(duì)連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了45種振型分析比較。局部鋼結(jié)構(gòu)采用STS及美國(guó)STAADPRO-2001進(jìn)行對(duì)比分析，以確保結(jié)構(gòu)的安全。 33連廊參與整體計(jì)算模型及荷載輸入： (1)連廊樓板模型輸入按彈性樓板計(jì)算(板厚150mm)和彈塑性樓板計(jì)算(即樓板Om，不考慮樓板的共同作用)兩種情況計(jì)算。 (2)連廊部分荷載的輸入： 豎向荷載：把樓面荷載轉(zhuǎn)化為線載作用于次粱上，再通過(guò)次粱傳到邊桁架節(jié)點(diǎn)上。水平荷載：主要是風(fēng)載，由支撐、次粱、邊桁架組成的幾何不變體系承擔(dān)，并通過(guò)與塔樓連接的節(jié)點(diǎn)板傳到

7、塔樓上。 34屋頂網(wǎng)架參與整體計(jì)算模型及荷載的輸入： (1)網(wǎng)架模型的輸入；根據(jù)2001年3月份上海PKPM展示會(huì)提問(wèn)與解答上講：“屋面網(wǎng)架在模型中可近似按樓板平面內(nèi)無(wú)限剛考慮，保留柱不輸梁，把網(wǎng)架傳給四周的豎向集中力和水平推力作為外力加到周圍的梁柱上”的方法，輸入剛性樓板時(shí)采用等效梁作為板的支承，參與整體分析計(jì)算。 (2)網(wǎng)架支座荷載，根據(jù)單塔摟計(jì)算模型，得出的最大相對(duì)位移量，對(duì)可滑動(dòng)支座施加兩頂塔最大位移量，求得兩塔樓相互作用時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)力及豎向荷載，網(wǎng)架內(nèi)力計(jì)算采用MST30。 35水平地震和風(fēng)荷載作用下相互影響的分析 連體結(jié)構(gòu)按規(guī)范要求除進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算外，還應(yīng)補(bǔ)充彈性時(shí)程分析計(jì)

8、算，6度設(shè)防時(shí)，可不進(jìn)行豎向地震作用的計(jì)算。在風(fēng)和水平地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)除產(chǎn)生平動(dòng)變形外，還將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，各塔樓間除有同向的平動(dòng)變形外，還將產(chǎn)生塔樓間的相互運(yùn)動(dòng)。各種平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振型耦合在一起使得整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)非常明顯。在抗震分析時(shí)既考慮了平扭耦連的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，又考慮了雙向地震作用和偶然偏心地震作用的最不利工況計(jì)算。振型數(shù)45種，振型的質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)0106。計(jì)算表明連體部分的樓層抗側(cè)剛度相對(duì)于下部?jī)伤莿偠戎洼^大，剪力突變，根據(jù)規(guī)范連體下部為薄弱層，其薄弱層對(duì)應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的地震剪力應(yīng)乘以115放大系數(shù)。該工程周圍空曠，風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)可不考慮鄰近建筑相互干擾的影響。 36兩側(cè)塔樓對(duì)連

9、廊的影響 通過(guò)整體分析計(jì)算表明；該連廊整體剛度較弱，但樓層剪力產(chǎn)生突變，連廊的內(nèi)力也產(chǎn)生變化。地震時(shí)，連體兩側(cè)主樓有相互錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì)，連廊部分的樓面可相當(dāng)于作用在主體部分的樓面水平拉桿并承受樓面內(nèi)的剪力，按第一階段彈性設(shè)計(jì)樓板取150mm厚計(jì)算時(shí)，由于樓板作用。減少了桁架上下弦拉桿的軸力，當(dāng)按第二階段彈塑性設(shè)計(jì)時(shí)，即不考慮樓面承受水平拉力和剪力作用時(shí)(扳趨于0)鋼桁架上下弦桿軸力將增大，邊跨腹桿內(nèi)力減少。 37空中連廊及網(wǎng)架對(duì)兩塔樓的影響 計(jì)算結(jié)果表明：由于兩塔樓比空中連廊、屋頂網(wǎng)架剛度大得多，因此空中連廊及屋頂網(wǎng)架對(duì)兩塔樓的約束和鉗制作用不太明顯。主樓對(duì)網(wǎng)架的影響通過(guò)網(wǎng)架可滑動(dòng)支座允許的最大位移

10、量來(lái)控制。 4、網(wǎng)架的設(shè)計(jì)與支座的形式 網(wǎng)架支座塔樓一側(cè)設(shè)不動(dòng)鉸支座，網(wǎng)架不動(dòng)鉸支座由加勁肋及支座底板組成，見圖1，為避免支座在溫度變化、風(fēng)荷載、地震作用下出現(xiàn)不同方向的水平位移對(duì)主塔樓的影響，支座必須具有足夠的變形能力，因此網(wǎng)架于另一塔樓設(shè)雙向可滑動(dòng)抗震球形支座，見圖2?？拐鹎蛐毋q支座由上下兩部分組成，上部分為不動(dòng)鉸支座，下部分為可自由轉(zhuǎn)動(dòng)、自由水平滑動(dòng)的上蓋板、聚四氟乙烯板、不銹鋼圓板、相交密封圈與固定底座等部分組成。固定底座在支座底托邊沿開坡口，與下部預(yù)埋鋼板焊接，支座板件件均采用坡口等強(qiáng)焊縫，支座上下兩部分通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接在一起。該支座具有可承較大的壓力和拉力、具有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能力的特

11、點(diǎn)，該支座的運(yùn)動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)模型一致，通過(guò)對(duì)單塔進(jìn)行受力分析，得出頂塔最大相對(duì)位移量5867mm，對(duì)可滑動(dòng)支座施加強(qiáng)迫最大位移量求得兩塔樓相互作用時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)力，網(wǎng)架內(nèi)力計(jì)算采用MST3，0。計(jì)算時(shí)考慮豎向風(fēng)荷載及溫度應(yīng)力的影響。 圖1 不動(dòng)鉸支座 圖2 抗震球形鉸支座 5、連體結(jié)構(gòu)與塔樓連接處的抗震措施 連體與塔樓連接處以及屋頂網(wǎng)架的支撐結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)提高一級(jí)，柱內(nèi)設(shè)型鋼，向下或向上各伸一層，與內(nèi)型鋼柱相連的粱也采用型鋼混凝土梁，水平桁架的粱與塔樓相鄰的梁采取可靠的焊接錨固。見圖3。連體部分樓板加厚范圍延伸至兩塔樓各一跨的范圍。此加厚板范圍的上下銅筋全部拉通，以使連體部分能更有效地抵抗板內(nèi)產(chǎn)生的水平剪力。 圖3 3、結(jié)束語(yǔ) 總而言之，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中會(huì)遇到各式各樣的問(wèn)題，