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

王占紅

摘要：隨著社會的發(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)

Abstract: along with the development of social development and progress, and pay attention to the high building structure design is of great significance. This paper mainly discusses the twin towers chassis large simple complex high-rise building structure design of the related content.

Key words ：big chassis towers designing high-rise

中圖分類號：S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

引言

近年來隨著社會和經(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, 建筑師對建筑形態(tài)不斷創(chuàng)新和變化, 出現(xiàn)了越來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

2．1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，削減塔樓對弱連廊的作用效應(yīng)。

2．2高位連廊：在初步方案階段，對連廊結(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，說明預(yù)應(yīng)力混凝土巨型框架連廊對主塔樓影響較大，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使巨型框架瞬時(shí)加載對構(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。

2．3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)不動鉸支座支承于左塔樓另一側(cè)設(shè)雙向滑動的抗震球形支座，以消除在地震作用下出現(xiàn)不同方向的相對位移、網(wǎng)架的溫度應(yīng)力、風(fēng)荷載等對塔樓的不利影響。

3、連體結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析與設(shè)計(jì)：

3．1連體結(jié)構(gòu)參與整體分析：

由于本工程屬復(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，對于對稱的雙塔連體結(jié)構(gòu)，由于連體樓板的變形，兩塔除有同向的平動外，還可能產(chǎn)生兩塔摟的相向運(yùn)動。

3．2計(jì)算程序及計(jì)算方法

針對本工程體形復(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)算選用中國建筑科學(xué)研究院PKPM工程部編制的：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STAADPRO--2001進(jìn)行對比分析，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

3．3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)，并通過與塔樓連接的節(jié)點(diǎn)板傳到塔樓上。

3．4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展示會提問與解答上講：“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，得出的最大相對位移量，對可滑動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MST3．0。

3．5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)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)生平動變形外，還將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，各塔樓間除有同向的平動變形外，還將產(chǎn)生塔樓間的相互運(yùn)動。各種平動、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)01．06％。計(jì)算表明連體部分的樓層抗側(cè)剛度相對于下部兩塔樓剛度之和較大，剪力突變，根據(jù)規(guī)范連體下部為薄弱層，其薄弱層對應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的地震剪力應(yīng)乘以1．15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。

3．6兩側(cè)塔樓對連廊的影響．

通過整體分析計(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)動趨勢，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。

3．7空中連廊及網(wǎng)架對兩塔樓的影響

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)架對兩塔樓的約束和鉗制作用不太明顯。主樓對網(wǎng)架的影響通過網(wǎng)架可滑動支座允許的最大位移量來控制。

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)不動鉸支座，網(wǎng)架不動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，上部分為不動鉸支座，下部分為可自由轉(zhuǎn)動、自由水平滑動的上蓋板、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、具有平動和轉(zhuǎn)動的能力的特點(diǎn)，該支座的運(yùn)動特性和結(jié)構(gòu)模型一致，通過對單塔進(jìn)行受力分析，得出頂塔最大相對位移量58．67mm，對可滑動支座施加強(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)抗震等級提高一級，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

總而言之，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中會遇到各式各樣的問題，我們應(yīng)該持堅(jiān)持不懈的態(tài)度對待，提高建筑設(shè)計(jì)的質(zhì)量，為我國建筑業(yè)的發(fā)展盡一份力。

參考文獻(xiàn)

1建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011 -2001)

2高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3-2002)

3趙西安現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(上、中、下)

4包世華王建東大底盤多塔連體結(jié)構(gòu)的受力分析1996年11月

5包世華王建東大底盤多塔結(jié)構(gòu)的振動計(jì)算1996年6月

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。