重慶世界貿易中心工程結構超限審查送審報告[詳細]

1、第十八屆全國高層建筑結構學術會議論文 2004年重慶世界貿易中心工程超限高程建筑結構設計介紹鄭生慶 趙啟林(重慶市設計院,重慶400013) (重慶市設計院,重慶400013)提 要 本文介紹了 重慶世界貿易中心超限高層建筑結構設計的概況,鋼管砼柱及穿芯式節(jié)點設計,巖石深基坑地下洞室間壁加固設計.關鍵詞 超限高層建筑、鋼管砼柱、穿芯式節(jié)點、巖石深基坑一、工程概況 圖1工程地處重慶市渝中區(qū)解放碑鬧市區(qū)商業(yè)黃金地 剖面圖 帶.總建筑面積約128000米2,裙樓52900米2,主樓約 圖2 75100米2. 總層數為65層,其中地面以上60層,地下 5層;裙樓16層(包括地下室),主樓49層.從0.

2、000鄭生慶,男,1944.3出生,教授級高工 起算建筑高度234.4米,該建筑裙樓為百貨綜合商場,地下部分為設備用房及停車庫,主樓的功能為公寓式寫字間,上部為餐飲娛樂觀光,頂部設有直升飛機停機坪,主樓設三個避難層兼設備用房. 二、結構方案簡介 塔樓平面為等邊三角形截角后形成的六邊形(詳圖3).從0.000起算高度為234.4米.建筑高寬比H/B=234.4/38.46.核心筒高寬比:H/B1=234.4/17.9=13.塔樓結構方案選用鋼筋砼筒中筒結構外筒柱網4.059.6米 ,采用鋼筋砼梁轉換為8.19.6米,框支柱均采用1.5米直徑的鋼筋砼柱,現澆樓面的梁與鋼管柱連結采用穿芯式節(jié)點作法.

3、五層地下室(24米)采用加強處理的鋼筋砼樓板及側墻,核心筒下為筏板基礎,嵌入完整巖石中4.5米,柱下為人工挖孔嵌巖樁基礎,形成高層建筑的可靠嵌固基礎.裙樓部分采用鋼筋砼框架結構. 圖3 三、電算分析及主要構件尺寸用料:1 結構主要構件的幾何尺寸砼強度等級塔樓筒體截面尺寸樓層-523151621222728323361長邊外墻900800700600500400角部外墻1000900800700600500內墻250300250300250300250300250300250300塔樓外框筒柱截面(12層夾以下為鋼管砼柱)樓層-51212夾131819242538夾293536角柱1500150

4、01400120012001000800框筒柱1500150080014007001400600140050014004001400塔樓外框筒梁截面樓層-59夾101212夾13535461(停機坪層)框架梁50060050070015004000(轉換梁)350120035025005004500(空腹桁架梁)結構砼強度等級樓層-5781212夾132828夾363744454661墻C60C50C50C50C40C30C30C30柱C60C50C50C50C40C30C30C30梁C30C30C50C30C30C30C40C302.電算分析:本工程結構平面異形,梁系布置較復雜,帶有轉換層,

5、且屬超限高層建筑.為了 保證計算結果的可靠,選用TBSA5.0作基本計算,選用Satwe作補充計算,選用PKP米系列的“動力時程分析”程序作彈性動力時程分析,選用PKP米系列的“框支有限元分析”程序及“SAP2000、ANSYS”有限元分析程序對轉換大梁等重要構件、特殊構件作有限元驗證分析.基本風壓0.4KN/米2,按7度抗震計算,場地類別I類.塔樓電算結果表 電算方法計算內容TBSASATWE動力時程自震周期T14.604.47T31.871.81T51.251.18T180.220.23地震作用地震作用方向XYXYXY基底剪力(KN)21431213802645.8626794.45320

6、69.3734044.86基底彎矩(KN.米)26300522694032915447.2313288.03059617.73387303.2剪重比Qxo/WT1.11.341.63Qyo/WT1.091.361.73結構頂點位移U146.65128.91125.17122.10144.05142.15U/H1/16731/19031/19611/20101/17071/1730結構層間位移u15.5812.833.091.743.483.28h1/11751/13871/13581/14981/12061/1282風荷載作用風荷載作用方向XYXYXY基底剪力(KN)15215.731678.

7、2218447.920596.5基底彎矩(KN.米)213638.0228798523560212591143結構頂點位移(米米)U119.9107.66117.68118.97U/H1/20461/22791/20861/2064結構層間位移(米米)u12.4411.162.652.72h1/15311/16931/15841/1542注:動力時程結構剛度驗算(按新高規(guī)要求)1、結構整體穩(wěn)定驗算: X向剛重比EJd/GH2=4.84 Y向剛重比EJd/GH2=5.02EJd/GH2=2.71.4滿足高規(guī)的整體穩(wěn)定驗算要求,并可不考慮重力二階效應.2、各層側剛比滿足高規(guī)范要求,不存在突變層.3

8、、轉換層上、下側剛比滿足規(guī)范要求.e=1.151.3.從以上計算結果可看出TBSA5.0,Satwe,彈性動力時程分析的計算結果基本吻合,電算結果可信.地震荷載起控制作用.四、結構抗震概念設計從電算分析結果可知本結構整體剛度較好,地震周期、位移、各層側剛比、轉換層上、下層側剛比均滿足規(guī)范的要求.為實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設計目標,按 “弱梁、強柱、節(jié)點更強”的原則,“耗能設計”的原則,對電算反映出的薄弱層,結構重點部位和關鍵承重構件作抗震概念性加強處理:1、核心筒剪力墻是抵抗地震力的主要結構,采取下列加強措施:筒體剪力墻加強區(qū)(-5層13層)內暗柱配筋.筒體角部配筋,適當提高配筋

9、率;墻體分布筋配筋率提高為0.35%0.5%.嚴格控制剪力墻的軸壓比在0.6以內.2、外框筒采取下列加強措施:轉換層框支下采用抗震性能優(yōu)越的鋼管砼柱結構,加強框支柱的變形性能和耗能能力.轉換梁以上一層的框筒柱提高了 30%的配筋率,加強其抗震性能.外框架筒角柱配筋面積為中柱的1.5倍予以加強.控制框筒柱的軸壓比在0.8以內.3、在三個避難層及塔樓頂層設置能提高外框筒受力性能、加強整體性的環(huán)梁.4、地下室24米,周邊側墻與基坑巖體緊密結合,并加厚樓板尺寸,能較好的滿足超高層建筑的嵌巖要求和整體穩(wěn)定要求.5、重慶抗震設防烈度為六度,但根據重慶市地震辦的初設審查意見,本工程按七度抗震設防(滿足建設部

10、59號令對超限高層建筑抗震設防的要求).五、鋼管砼柱設計 本工程外框筒體轉換梁以下采用了 27根1500米米直徑的鋼管砼框支柱,壁厚25,16米米鋼,內填C60高標高砼,砼中摻入UEA-H砼微膨脹水泥.現澆樓面梁與鋼管柱采用”穿芯式”節(jié)點作法(詳圖4)該鋼管砼柱方案突出優(yōu)點為:1.抗壓承載力高,可減小柱截面,滿足裙樓商場和車庫功能的需要.鋼管對砼芯柱的套箍約束作用,使砼處于三向受壓狀態(tài),穿芯節(jié)點照片 從而大幅度提高砼抗壓強度和變形能力,借圖4 助砼增強了 鋼管壁的穩(wěn)定性,因此與鋼筋砼柱相比,鋼管砼由于抗壓承載力高且可不限制砼軸壓比,因而在高層建筑中應用時可減小截面50左右.2.可以安全可靠地采

11、用高強度砼.鋼管對高強度砼的套箍約束作用,防止高強砼的脆性爆裂并改善柱的延性,可以充分發(fā)揮高強砼的抗壓能力.3.提高構件的變形能力,改善結構抗震性能.由于柱截面減小,自重減小,地震作用引起的地震反應和構件內力也相應減小.4.較好的經濟性.鋼管柱與同等承載力的鋼筋砼柱對比,可節(jié)約砼用量50,木模全部,總用鋼量基本持平,綜合造價大體相同,與同等承載力的勁性砼比較,用鋼量可減小40左右,綜合總造價低320萬元左右.5.鋼管砼柱的防火性能高于鋼柱、鋼筋砼柱和勁性砼柱.6.采用”穿芯式”節(jié)點作法,能更有效地適應建筑平面異型,樓面梁受力鋼筋較多的情況,減小現場節(jié)點焊接量,傳力直接可靠.7.砼中摻入UEA-

12、H水泥,可減小高標號砼收縮量,在鋼管內產生一定量的預應力,更有效地保證鋼管與砼共同受力,協(xié)同變形,提高鋼管砼的組合剛度和減少壓縮.六、深基坑支護設計 本工程基坑開挖總深度24.5米,上部有4-6米深人工雜填土,坑頂鄰近臨時性磚混建筑,基坑開挖時填土段不穩(wěn)定.下部為厚層砂巖、泥巖(其frk=19.5米pa),巖體結構完整無外傾向坑內影響巖石邊坡整體的弱結構層,僅有局部外傾角80度左右的構造裂隙面,基坑開挖時有局部掉塊可能.按GB50330-2002建筑邊坡工程技術規(guī)范中巖質邊坡分類標準,該巖石邊坡可定為I類邊坡,其特征為基坑邊坡整體穩(wěn)定性高,可出現部分區(qū)域掉巖塊現象. 為確保基坑開挖時土坡及鄰近

13、建筑物安全,本工程采用排樁錨桿擋墻支護.錨桿擋墻土壓力取主動土壓力的1.3倍,以達到控制錨桿擋墻變形過大對鄰近建筑物產生的不利影響.基坑巖石段作邊坡整體穩(wěn)定支護處理,對可能掉塊(沿外傾80度結構面滑移)區(qū)域的巖石邊坡采用錨釘支護.開挖期間對巖石邊坡進行了 變形及應力監(jiān)測的動態(tài)管理,實測資料反映,巖石邊坡開挖后向坑 內彈性卸荷位移為2-3米米,表明巖石基坑的整體穩(wěn)定性較好.七、深基坑與地下人防洞巖石間壁加固設計 1. 加固設計方案本工程基坑側壁與鄰近洞室?guī)r石間壁最小尺寸約2米(詳圖5),地勘報告按傳統(tǒng)方計算(巖石卸荷拱上完整巖體和填土折算或荷載作用在拱上),洞室拱腳推力300KN/米,需要間壁1

14、2米厚才能確保基坑側壁穩(wěn)定,由此將使工程地下室難以實施,我們認為將完整巖石作為荷載作用在巖石拱的計算方法過于粗糙,誤差過大,未能真實地反映巖石拱上完整巖體的抗力.工程實施中改用了 以下綜合處理方案: 改用有限元數值計算方法,真實反映 圖5 人防洞處基坑剖面 拱頂巨厚層巖體的抗力作用.在拱腳處加設水平預應力高強精軋鋼拉桿,32直徑,共39根,以平衡拱推力,減小巖石間壁負荷. 逆施工法開挖基坑時,采用全粘結錨桿及壓力注漿,對巖石間壁結構面和巖體加固處理.在巖石間壁內設置量測錨桿,測定間壁的受力狀況,同時量測拱腳鋼拉桿應力,以便及時反饋信息,保證安全,指導施工,完善設計.2.有限元數值計算計算模型:

15、將地面覆土和建筑以加載形成處理,巖體均視為彈塑性介質,計算范圍取洞底以下兩倍半徑,邊墻側面取4倍半徑,巖石間壁寬度取2米和4米兩種情況,采用德魯克-布拉格準則進行有限元分析(計算參數和結果表略)計算結果與分析:2米巖石間壁可維持系統(tǒng)基本穩(wěn)定,但安全儲備較低,間壁巖體出現條形塑性區(qū),屈服面積約為7米2,不能作為實施方案.當采用4米厚巖石間壁,系統(tǒng)為線彈性穩(wěn)定.由于拱效應作用,洞室外側拱腳高度處巖壁水平截面上的總剪力,僅335355kN,拱腳水平推力不大,因而安全儲備較高.此外,支洞兩側垂直壓力相差不大,表明4米厚間壁時洞兩側受力比較均勻,無明顯應力集中現象,因而可以作方案. 計算表明,洞室拱腳處

16、,切坡后的水平位移僅1.97米米,因而在拱腳處設置非預應力拉桿時難以發(fā)揮作用,單根拉桿的內力僅18kN,作用不大,故加固錨桿必須設置預應力.3.現場量測結果在4米厚的巖石間壁中水平放置,二根22量測錨桿,量測錨桿兩端設鋼筋傳感器,最終測得錨桿最大拉力15.5KN,則錨桿應力為40.8米pa,應變?yōu)?.194米米,算得巖力應力為0.85米pa,反映出巖石間壁受力不大.在拱腳加設的預應力錨桿上設置的鋼筋應力傳感器,實測拉力從原80KN預應力(初始 )增大為100.5KN,算得錨桿應力為115.6kPa(遠小于高強鋼筋設計強度750米pa)4.結論傳統(tǒng)簡化方法算得拱腳推力保守,應當充分考慮完整巖體整體抗力作用,否則會使算得的間壁最小厚度偏大.只要計算參數選用正確,采用有限元法計算拱腳推力是可行的,計算結果誤差較小,與實測結果比較相近.本工程采用的綜合治理方案取得成功為類同工程處理提供了 可借鑒的經驗.八、結語1.超高層底部帶框支的鋼筋砼筒中筒結構,采用鋼管砼柱,具有截面小,承載力高,抗震性能優(yōu),較經濟的綜合優(yōu)點,應在工程中推廣使用.2.穿芯式節(jié)點方案,具有傳力直接,受力清楚,減小現場焊