深圳地鐵匯通大廈負(fù)一層型鋼混凝土框架柱偏位問題的分析與處理

劉 選

(中國華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，四川成都 610031)

1 工程概況

深圳地鐵匯通大廈位于深圳市車公廟深南大道和香蜜湖路的交叉口，地下為1、7、9、11號(hào)四條地鐵線換乘車站，本項(xiàng)目地下二、三層與地鐵站融為一體形成交通樞紐綜合體。1號(hào)線為既有車站，其他為后建車站，1號(hào)和11號(hào)線沿深南路東西向布置，7號(hào)和9號(hào)線沿香蜜湖路南北向布置，四條線在香蜜湖立交的地下相接，并在交叉口的西南角形成擴(kuò)大的三角形換乘大廳。

本工程地下6層，主塔樓地上55層，為249.3 m高的超高層辦公樓，地下室底板底埋深約27.65 m。

超高層辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面約42.8 m×46.55 m，核心筒平面22.1 m×22.1 m。采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，橫向外框布置有4根型鋼混凝土框架柱，柱網(wǎng)間距為9.75 m、9.6 m、9.75 m；縱向外框布置有5根型鋼混凝土框架柱，柱網(wǎng)間距均為8.7 m，平面四個(gè)角不設(shè)框架柱。

建筑設(shè)計(jì)使用年限為 50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為 7 度(0.05g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ 類，特征周期為 0.35 s，抗震設(shè)防類別為乙類?；撅L(fēng)壓為 0.75 kN/m2(50 a重現(xiàn)期)，地面粗糙度為 C 類。

建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果

超高層辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖見圖2。

圖2 塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

塔樓基礎(chǔ)采用旋挖鉆孔灌注樁，樁端持力層為微風(fēng)化花崗巖。外框架柱下一柱一樁，樁徑3 m，核心筒區(qū)域采用群樁(25根直徑3 m的樁)。

2 相鄰地鐵基礎(chǔ)設(shè)計(jì)情況

7/9號(hào)線為地下三層結(jié)構(gòu)，底板底埋深高出大廈底板標(biāo)高約1 m，約26.5 m，采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖。使用階段為抗浮工況，設(shè)置抗拔樁參與抗浮，樁底進(jìn)入中、微風(fēng)化層。

換乘大廳(11號(hào)線)為地下兩層結(jié)構(gòu)，底板底埋深約16.5 m，采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為礫質(zhì)黏性土層。使用階段為抗浮工況，設(shè)置抗拔樁參與抗浮，樁底進(jìn)入中風(fēng)化層。

本工程主樓與換乘大廳相鄰，裙樓部分與7、9號(hào)線相鄰。

3 塔樓地下室采用逆作法施工

本工程地下室要滿足與車公廟樞紐一體化施工建設(shè)及使用的要求，由于本項(xiàng)目緊鄰樞紐地鐵車站，受施工場地所限，經(jīng)前期反復(fù)論證，為確保樞紐及周邊建筑安全，本項(xiàng)目基坑不具備明挖順作法施工條件，結(jié)合車公廟樞紐基坑采用蓋挖逆作法施工。

4 樁基礎(chǔ)及型鋼柱逆作法簡要介紹

樁基礎(chǔ)施工：基礎(chǔ)采用旋挖鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁端持力層為微風(fēng)化花崗巖,從現(xiàn)有地面開始施工。

型鋼立柱施工：本工程采用永久立柱與臨時(shí)立柱相結(jié)合的立柱施工方案，在結(jié)構(gòu)受力需要處設(shè)置臨時(shí)立柱，等地下室主體結(jié)構(gòu)完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)再切除；在主體結(jié)構(gòu)框架柱處設(shè)置永久立柱(為塔樓框架柱柱內(nèi)十字型鋼，不需折除)，所有荷載由型鋼立柱承擔(dān)。鋼立柱施工時(shí)，在地下各樓層位置處預(yù)先焊接鋼牛腿等結(jié)構(gòu)連接件，以便地下室各層梁與鋼立柱連接，主體施工時(shí)再用鋼筋混凝土將鋼立柱包裹，形成型鋼混凝土柱。

5 負(fù)一層塔樓十字型鋼柱偏位問題

由于地下室采用逆作法施工，塔樓十字型鋼柱要在地面逆作倒插入樁內(nèi)，施工難度很大，且地下、地上又是不同的單位施工。當(dāng)?shù)叵率壹暗叵率翼敯迥孀魇┕ね瓿?，開始施工一層柱時(shí)，發(fā)現(xiàn)負(fù)一層伸出地面部分的塔樓十字鋼骨柱軸線偏差、扭曲均較大，經(jīng)地下部分施工單位、地上部分施工單位、地上鋼結(jié)構(gòu)部分專業(yè)分包單位三方共同復(fù)測，中心最大偏差達(dá)146 mm，十字形柱翼緣處部分最大偏差達(dá)195 mm，圖3為型鋼柱現(xiàn)場圖片，鑒于此情況導(dǎo)致一層柱與負(fù)一層柱無法直接對(duì)接，不能按原設(shè)計(jì)型鋼連接做法施工(圖4、圖5)。偏差示意見圖6，具體偏差見表1，其中某型鋼混凝土柱大樣見圖7。

圖3 型鋼柱現(xiàn)場圖片

圖4 原設(shè)計(jì)型鋼連接(單位:mm)

圖5 原設(shè)計(jì)型鋼連接示意

圖6 塔樓十字鋼柱偏差示意(單位:mm)

圖7 某型鋼混凝土柱大樣(單位:mm)

6 糾偏方案比選

6.1 方案一

如圖8所示，先制作一塊過渡鋼板，A、B的長度根據(jù)上下偏位型鋼的外圍包絡(luò)尺寸(矩形截面)，各邊再加大50～100 mm，型鋼外混凝土保護(hù)層宜滿足規(guī)范要求。上下偏位型鋼在連接部位采取過渡鋼板的方式進(jìn)行傳力，考慮到上下柱偏位較多，在上下型鋼的合理位置設(shè)置加勁板，過渡板厚度及加勁板的位置尺寸等應(yīng)確保連接部位的剛度，以便上下型鋼可靠傳力。過渡板與上下型鋼柱之間，加勁板與型鋼柱及過渡板之間均采用全熔透坡口焊縫，以確保上下型鋼在過渡板位置無損傷，確保其傳遞剪力和拉力。

表1 塔樓十字鋼骨柱尺寸偏差表 mm

圖8 糾偏方案一示意

6.1.1 方案一施工流程

糾偏方案一施工流程見圖9。

6.2 糾偏方案二

6.2.1 施工方法

首層十字柱對(duì)接按照原設(shè)計(jì)對(duì)接方案進(jìn)行，然后調(diào)整一層柱垂直度，使一層柱頂中心軸線恢復(fù)到理論軸線位置(即將鋼柱垂直度略傾斜)，在一層柱頂增加過渡板，通過二層柱調(diào)整鋼柱扭轉(zhuǎn)偏差，使型鋼柱恢復(fù)到設(shè)計(jì)位置。

圖9 糾偏方案一施工流程

6.2.2 施工步驟

步驟1：工廠制作首層鋼柱時(shí)，將過渡板焊接于首層柱頂(柱頂位置位于二層梁板往上1.3 m處)，見圖10(a)。步驟2：吊裝首層鋼柱，柱底按原設(shè)計(jì)與底層柱對(duì)接，吊裝后調(diào)整型鋼柱垂直度使柱頂恢復(fù)設(shè)計(jì)軸線位置，見圖10(b)。步驟3：安裝第二層型鋼柱，通過過渡板調(diào)整型鋼柱扭轉(zhuǎn)偏差，具體見圖10(c)。

6.3 塔樓十字鋼骨柱糾偏方案比選

塔樓十字鋼管術(shù)糾偏方案比選見表2。

6.4 設(shè)計(jì)最終采用的處理方案

針對(duì)以上對(duì)兩種處理方案，業(yè)主單位組織召開了“地鐵匯通大廈負(fù)一層柱頂偏差處理方案”的專家論證會(huì)，甲方、業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、各施工方等相關(guān)人員參加了會(huì)議，會(huì)議人員經(jīng)過研究論證，最終采用糾偏方案一，采用過渡鋼板方案。

7 負(fù)一層柱頂偏差過渡鋼板處理方案連接節(jié)點(diǎn)分析

7.1 分析工況

選取現(xiàn)場型鋼偏位最大的Z4進(jìn)行復(fù)核分析。采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。過渡鋼板厚度采用60 mm，加勁板厚度采用32 mm，分析復(fù)核時(shí)考慮以下工況。

(1)純型鋼節(jié)點(diǎn)。僅考慮上下偏位型鋼，不考慮混凝土，通過調(diào)整過渡板厚度及加勁肋的位置，分析上柱、下柱、連接板及加勁肋等的應(yīng)力分布情況，選取合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理方案。

(2)型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)。根據(jù)確定的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方案，考慮上下偏位型鋼，同時(shí)考慮外圍混凝土作用，分析柱內(nèi)上下型鋼的應(yīng)力分布情況。

(3)抗震分析。根據(jù)型鋼實(shí)際偏位情況，對(duì)型鋼柱在中、大震下的正截面承載力進(jìn)行分析，確保柱滿足中震下抗彎彈性，大震下抗彎不屈服的性能目標(biāo)要求。

圖10 安裝第二層鋼柱

表2 糾偏方案比選

由于上下型鋼的截面一致，且由于偏位后整個(gè)混凝土柱截面面積較原設(shè)計(jì)截面大，框架柱的抗剪承載力并未降低，因此不再對(duì)柱的抗剪承載力進(jìn)行復(fù)核。

7.2 純型鋼節(jié)點(diǎn)復(fù)核結(jié)果

7.2.1 模型介紹

采用殼單元Shell43模擬鋼板,型鋼鋼板厚度按44 mm,下柱取1 m高，上柱按實(shí)際層高取，過渡板及加勁板厚度見構(gòu)造說明。

型鋼柱下端固定，頂端作用均布線荷載，線荷載的大小取鋼板達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值265 MPa時(shí)的荷載值。其整體有限元模型見圖11。

圖11 整體有限元模型

7.2.2 計(jì)算結(jié)果

以下所有鋼板應(yīng)力均為Von Mises應(yīng)力。

(1)下柱應(yīng)力。如圖12所示，整體應(yīng)力趨勢為東側(cè)應(yīng)力較大，西側(cè)應(yīng)力較小。最大應(yīng)力點(diǎn)在東南側(cè)翼緣處，該位置位于加勁肋端部，由于在上柱作用下加勁肋受彎，使下柱翼緣面外受力，因而該部位應(yīng)力較大。

圖12 下柱及加勁肋應(yīng)力

在加勁肋范圍內(nèi)的柱應(yīng)力及加勁肋應(yīng)力，東南側(cè)應(yīng)力較大，總的來說應(yīng)力分布比較均勻。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，除了在加勁肋范圍內(nèi)的柱東南側(cè)應(yīng)力較大，出現(xiàn)個(gè)別應(yīng)力集中點(diǎn)之外，其余部位應(yīng)力分布較均勻。

(2)上柱應(yīng)力。整體應(yīng)力結(jié)果見圖13。應(yīng)力最大值點(diǎn)位于腹板加勁肋的上端、東西側(cè)翼緣北部、加勁肋的上端。

圖13 上柱及加勁肋應(yīng)力

在加勁肋范圍內(nèi)的柱應(yīng)力分布比較均勻，加勁肋的應(yīng)力分布也比較均勻。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，除了加勁肋端部引起的應(yīng)力集中外，其余應(yīng)力比較均勻，且也比較小，可以滿足要求。

(3)連接板應(yīng)力。連接板的應(yīng)力結(jié)果見圖14。整體上看東側(cè)、西南側(cè)應(yīng)力較大，除了在上柱的水平加勁肋處應(yīng)力集中點(diǎn)外，其余部位應(yīng)力均滿足要求。

圖14 連接板應(yīng)力

7.2.3 小結(jié)

從以上分析結(jié)果看，按純型鋼模型分析，在構(gòu)件頂部均布荷載作用下，除了局部點(diǎn)應(yīng)力集中外，大部分區(qū)域的應(yīng)力分布均勻，說明這種連接構(gòu)造方案可以很好地將上部型鋼的力傳遞至下部型鋼上。

7.3 型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)復(fù)核結(jié)果

7.3.1 模型介紹

混凝土采用實(shí)體單元Solid65單元模擬，型鋼采用殼單元Shell43模擬。型鋼布置、厚度及柱高等同純鋼節(jié)點(diǎn)模型。型鋼柱下端固定，頂端作用均布面荷載27.8 MPa(相當(dāng)于柱軸壓比為0.65)，其整體有限元模型見圖15。

圖15 整體有限元模型

7.3.2 計(jì)算結(jié)果

(1)混凝土柱壓應(yīng)力結(jié)果。圖16為混凝土柱壓應(yīng)力分布圖。在頂部向下作用27.8 MPa的壓力下，由于型鋼與混凝土的應(yīng)變協(xié)調(diào)，不同標(biāo)高的應(yīng)力分布情況略有不同，柱頂及柱底角部應(yīng)力達(dá)30 MPa，中間型鋼區(qū)應(yīng)力17 MPa。在頂部壓應(yīng)力作用下，混凝土部分應(yīng)力分布是合理的。

圖16 混凝土柱壓應(yīng)力

(2)下型鋼柱應(yīng)力結(jié)果。如圖17所示，型鋼在混凝土里面應(yīng)力較小，最大的應(yīng)力點(diǎn)在加勁肋處。

圖17 下柱及加勁肋應(yīng)力

(3)上型鋼柱應(yīng)力結(jié)果。如圖18所示，上柱及加勁肋應(yīng)力較小，說明混凝土承擔(dān)了部分壓力，最大應(yīng)力點(diǎn)在加勁肋處。

圖18 上柱及加勁肋應(yīng)力

上柱應(yīng)力比下柱應(yīng)力小，說明由于偏心的影響，在均布荷載作用下，下柱的應(yīng)力出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。

(4)連接板應(yīng)力結(jié)果。連接板的應(yīng)力見圖19，連接板應(yīng)力分布相對(duì)與純鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)更加均勻。連接板應(yīng)力較小，可以滿足要求。

圖19 連接板應(yīng)力

7.3.3 小結(jié)

從以上分析結(jié)果看，按實(shí)際的型鋼混凝土模型分析，在構(gòu)件頂部均布荷載作用下，型鋼與混凝土共同受力變形，型鋼的應(yīng)力集中程度明顯減小。上下型鋼、過渡板以及加勁板等的應(yīng)力分布均勻。

但由于下部型鋼偏位，在上部均勻載荷作用下，下部型鋼有一定的偏心，其應(yīng)力分布不均勻。

7.4 中、大震下框架柱底部抗彎承載力復(fù)核

以下根據(jù)型鋼實(shí)際偏位及柱縱向鋼筋布置情況，對(duì)型鋼柱中、大震下的正截面承載力進(jìn)行分析，確保柱滿足抗震性能目標(biāo)要求。圖20、圖21分別給出框架柱在中、大震作用下的彈性和不屈服驗(yàn)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，下部型鋼偏位后柱底截面的抗彎承載力滿足要求。

圖20 中震作用下框架柱抗彎承載力彈性驗(yàn)算P-M-M結(jié)果

8 結(jié)論

(1)現(xiàn)有上下型鋼偏位連接部位的構(gòu)造處理方案可行。

圖21 大震作用下框架柱抗彎承載力不屈服驗(yàn)算P-M-M結(jié)果

在加勁肋范圍內(nèi)，上柱、下柱、連接板、加勁肋應(yīng)力比較均勻，可以實(shí)現(xiàn)上下柱力的傳遞。

(2)純鋼節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果表明，加勁肋范圍外除了東南側(cè)下柱翼緣加勁肋端部應(yīng)力集中，其余位置柱型鋼應(yīng)力分布均勻。

(3)型鋼混凝土柱分析結(jié)果表明，柱內(nèi)型鋼應(yīng)力較小，柱內(nèi)混凝土使型鋼應(yīng)力更加均勻。下柱的應(yīng)力明顯大于上柱，說明偏心對(duì)下柱影響較大。

(4)計(jì)算結(jié)果表明，下部型鋼偏位后柱底截面滿足抗彎承載力中震彈性、大震不屈服的性能目標(biāo)要求。

(5)該項(xiàng)目已于2019年竣工并投入使用，整體結(jié)構(gòu)未見異常裂縫，沉降觀測結(jié)果正常。