帶多連體的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘇項(xiàng)庭,馮永偉,洪　淵

(浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006)

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帶多連體的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘇項(xiàng)庭,馮永偉,洪淵

(浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006)

介紹了一幢具有三處連接體的復(fù)雜高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),重點(diǎn)說明了轉(zhuǎn)換桁架的設(shè)計(jì)要點(diǎn),以及橫置H型鋼在轉(zhuǎn)換桁架中的應(yīng)用及型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì),最后總結(jié)了此類結(jié)構(gòu)應(yīng)采取的抗震加強(qiáng)措施。

轉(zhuǎn)換桁架；橫置H型鋼；多連體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代化建筑不斷在追求個(gè)性,大懸挑、高空連廊、通高大堂、立面收進(jìn)等元素得到廣泛運(yùn)用；建筑平面功能分區(qū)及相互關(guān)系也呈現(xiàn)多樣化,大型會(huì)議室、宴會(huì)廳、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等場(chǎng)所在高層建筑內(nèi)隨處可見。如何在滿足建筑師要求的同時(shí),合理利用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì),化繁為簡(jiǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來各種挑戰(zhàn)。本文結(jié)合某超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),論述設(shè)計(jì)中遇到問題的解決措施。

1　工程概況

該建筑位于杭州市武林廣場(chǎng)東側(cè)中河高架和環(huán)城北路交叉口,總用地面積為24 509m2,建筑面積為119 500m2。地上由一幢22層高層建筑和一幢2層(局部3層)建筑組成,其中高層建筑結(jié)構(gòu)總高度為99.9m,主要功能為生產(chǎn)用房、數(shù)據(jù)中心及會(huì)議室等,地下3層為地下車庫及地塊內(nèi)相關(guān)設(shè)備用房。建筑效果圖見圖1。

圖1　建筑效果圖

本工程主樓平面呈三角形布置,三角形兩直角邊約為100m和60m,平面形狀不規(guī)則；平面中部存在兩個(gè)連體,連體層數(shù)較多,分別為15層和9層；為了建筑功能需要,連體之間布置數(shù)層中庭,中庭最大跨度約為20m；南邊連體在16層結(jié)束,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)高位收進(jìn)，另外,還存在個(gè)別穿層柱和大開洞等不規(guī)則。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011—2010)》[1],應(yīng)列為特別不規(guī)則建筑。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)高度及建筑布置,主樓擬采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系[2],在樓梯、電梯及設(shè)備間設(shè)置閉合剪力墻,并根據(jù)扭轉(zhuǎn)參數(shù)需要,在外圍框架柱之間設(shè)置帶邊框剪力墻。連體層數(shù)較多,為了減輕自重并便于施工,擬采用鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合鋼筋桁架樓承板,連接體采用平面鋼桁架作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),與主樓連接處設(shè)置型鋼混凝土柱。連體之間的中庭利用單向鋼梁鉸接于兩側(cè)鋼框架。主樓結(jié)構(gòu)模型見圖2。

圖2　主樓結(jié)構(gòu)PKPM模型

2.1轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平面中部北入口處設(shè)置6層通高大堂,為了保證大堂的通透效果,該范圍內(nèi)不布置豎向構(gòu)件。平面中部南邊為室外車道,也不能設(shè)置豎向構(gòu)件。因此形成了南北兩個(gè)連體結(jié)構(gòu)(圖3),連體跨度為36m。連接體采用平面鋼桁架,其中北邊連體設(shè)置3榀桁架,南邊連體設(shè)置2榀桁架。在第二中庭處設(shè)置大型會(huì)議室,導(dǎo)致北邊連體第2、3榀桁架平面內(nèi)鋼框柱先后中斷,需再設(shè)置轉(zhuǎn)換。為了保證結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單和傳力路徑清晰,將北部連體分為上下兩個(gè)連接體,并結(jié)合局部吊柱,將上下結(jié)構(gòu)徹底隔開。

圖3　轉(zhuǎn)換桁架平面布置示意

圖4　桁架結(jié)構(gòu)形式

本工程有桁架轉(zhuǎn)換共八處,根據(jù)連體層數(shù)及使用荷載的不同,采用了兩種桁架形式。第一種為“V”型桁架結(jié)構(gòu)見圖4a,適用于連體層數(shù)不大于5層,其上功能為小型會(huì)議室,辦公等活載較輕房間。第二種為“X”型桁架結(jié)構(gòu)見圖4b,適用于連體層數(shù)大于5層,其上房間使用荷載載較大。

由于本工程中轉(zhuǎn)換桁架屬于特別重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件,除了抗震等級(jí)按要求提高一級(jí),考慮豎向地震作用,并按中震彈性進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)外,還應(yīng)采取其他軟件進(jìn)行校核,以避免單一軟件出錯(cuò)影響工程質(zhì)量。我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中采用了MidasBuilding、YJK和PKPM分別對(duì)各工況下桁架的受力性能進(jìn)行校核,結(jié)果顯示,三者計(jì)算出的支座處桁架腹桿軸力誤差不大于10%。為計(jì)算桁架層水平構(gòu)件的軸向力,應(yīng)將桁架層樓板設(shè)為彈性樓板,也可以將板厚設(shè)為零并在樓面恒載中考慮板自重。

2.2橫置“H”型鋼的應(yīng)用及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于連體層數(shù)較多,荷載較大,經(jīng)試算,采用普通H型鋼截面,鋼桁架腹桿的翼緣和腹板厚度均較大。考慮到桁架桿件均以承受軸向拉壓力為主,因此借鑒橋梁工程中常用到的橫置“H”型鋼受力形式。使用“H”型鋼有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 正放“H”型鋼,當(dāng)內(nèi)力較大時(shí),一般通過增加翼緣寬度和厚度來滿足應(yīng)力比要求,如果翼緣寬度加大,影響桁架兩端型鋼混凝土柱的截面。如果柱子與電梯井道、樓梯間等相鄰,則翼緣寬度不能隨意加大。對(duì)于橫置“H”型鋼,腹板高度可根據(jù)建筑通道要求取合適尺寸。同一榀桁架,只要保持腹板高度一致,設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)軸力大小改變翼緣的寬度和厚度即可。

2)正放“H”型鋼,當(dāng)內(nèi)力較大時(shí),無論與勁性柱內(nèi)置型鋼腹板連接還是翼緣連接,均為面外焊接,容易導(dǎo)致柱內(nèi)型鋼層狀撕裂。而橫置“H”型鋼與勁性柱內(nèi)置型鋼連接為平面內(nèi)焊接,不存在層狀撕裂可能。

3) 采用橫置“H”型鋼的桁架,主要通過翼緣傳力,節(jié)點(diǎn)處翼緣板可整塊切割,應(yīng)力集中效應(yīng)較小，節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單(圖5),可在工廠加工完成,現(xiàn)場(chǎng)安裝只需要在節(jié)點(diǎn)外采取全焊接拼接。

圖5　橫置“H”型鋼弦桿與腹桿節(jié)點(diǎn)

鋼桁架使用橫置“H”型鋼,使得整個(gè)桁架連接連點(diǎn)十分簡(jiǎn)單,桁架與型鋼混凝土柱的連接也同樣采用此類方法(圖6)。取柱內(nèi)“H”型鋼腹板高度與桁架腹板高度一致,則翼緣與桁架桿件翼緣在同一面內(nèi),可保持厚度相同并整體切割,保持翼緣間傳力的連續(xù)性。由于此翼緣板尺寸較大,使型鋼混凝土柱箍筋在核心區(qū)不能兜通，所以在翼緣上設(shè)置機(jī)械連接套筒予以解決。

圖6　橫置“H”型鋼弦腹桿與型鋼柱連接節(jié)點(diǎn)

2.3結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

該建筑存在平面不規(guī)則、多處轉(zhuǎn)換、大開洞等多種設(shè)計(jì)難點(diǎn)并存情況,轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上部荷載較大,屬于多重復(fù)雜超限建筑,于2015年7月通過浙江省建筑工程抗震技術(shù)委員會(huì)的抗震設(shè)防專項(xiàng)審查[3]。除了轉(zhuǎn)換桁架應(yīng)按要求進(jìn)行性能化設(shè)計(jì),還應(yīng)從其他方面予以加強(qiáng),以下為本工程采用的加強(qiáng)措施：

1)轉(zhuǎn)換桁架、轉(zhuǎn)換柱和剪力墻底部加強(qiáng)部位抗震等級(jí)提高至二級(jí),其余剪力墻、框架梁和框架柱為三級(jí)(設(shè)計(jì)時(shí)杭州地區(qū)設(shè)防烈度仍為6度)。并按中震彈性、大震不屈服要求設(shè)計(jì)。普通框架柱按中震不屈服要求設(shè)計(jì)。

2)轉(zhuǎn)換柱箍筋采用井字復(fù)合箍,并沿柱全高加密,配箍特征值比普通框架柱要求的數(shù)值增加0.02且箍筋體積配箍率不小于1.5%。軸壓比限值和縱向受力鋼筋最小配筋率按部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中框支柱要求取值。

3)剪力墻底部加強(qiáng)部位取嵌固端至第一處轉(zhuǎn)換桁架頂面以上2層,其余連接體所在樓層及上下層剪力墻設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

4)連接體樓板板厚為150mm,采用雙層雙向鋼筋網(wǎng),每層每方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不小于0.25%。對(duì)轉(zhuǎn)換層樓板和大開洞處樓板進(jìn)行樓板應(yīng)力詳細(xì)分析,根據(jù)樓板詳細(xì)分析結(jié)果對(duì)相應(yīng)薄弱部位和大應(yīng)力區(qū)采取加強(qiáng)措施。

5)連接體桁架上下弦桿內(nèi)伸一跨,內(nèi)跨框架柱設(shè)置型鋼,以確保轉(zhuǎn)換桁架與主體結(jié)構(gòu)可靠連接。

6)采用多個(gè)結(jié)構(gòu)軟件(PKPM-SATWE、MIDAS、YJK等)對(duì)計(jì)算結(jié)果,特別是對(duì)桁架的內(nèi)力進(jìn)行分析比對(duì)。

3　結(jié)　語

本文通過對(duì)杭州市武林廣場(chǎng)東側(cè)1幢帶多連體的復(fù)雜高層進(jìn)行詳細(xì)研究和分析,得到如下結(jié)論：1) 根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)跨度及其上負(fù)荷大小,可選擇不同桁架形式。作為關(guān)鍵構(gòu)件,對(duì)于其內(nèi)力必須采取兩種以上軟件進(jìn)行復(fù)核,以避免單個(gè)軟件缺陷引起結(jié)構(gòu)安全問題。復(fù)核內(nèi)力時(shí)應(yīng)對(duì)桁架層樓板進(jìn)行彈性樓板設(shè)置。

2) 橫置“H”型鋼可以在保持腹板高度不變的情況下,根據(jù)內(nèi)力大小調(diào)整翼緣寬度和厚度；可避免鋼板板材層狀撕裂；桁架節(jié)點(diǎn)可工廠預(yù)制；現(xiàn)場(chǎng)采取節(jié)點(diǎn)外全焊接的形式,既提高了桁架極限承載力,又大量減少了施工難度。

[1]中國建筑科學(xué)研究院. GB 50011—2010 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]中國建筑科學(xué)研究院. JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[3]浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院. 浙江印刷集團(tuán)有限公司工業(yè)廠房項(xiàng)目超限高層建筑抗震設(shè)防專項(xiàng)審查報(bào)告[R]. 杭州：浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院, 2015.

Design of the Complex High Rise Structure with the Concatenates

SU Xiangting,FENG Yongwei,HONG Yuan

2016-07-05

蘇項(xiàng)庭(1983—)，男，福建莆田人，工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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