某高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

1、<p>　　某高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析</p><p>　　摘要:某小區(qū)1號(hào)棟由A、B、C三個(gè)單元組成，研究分析了地基形式后采用CFG復(fù)合地基。通過(guò)設(shè)置后澆帶,采取必要的構(gòu)造措施,改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度,提高結(jié)構(gòu)的抗扭承載力及采用空間有限元法和時(shí)程分析計(jì)算手段,解決了設(shè)計(jì)中存在的結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯等問(wèn)題,使結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)防的要求。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：CFG復(fù)合地基；沉降

2、差控制；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換；抗震；扭轉(zhuǎn)效應(yīng) </p><p>　　中圖分類號(hào)：TU4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p><b>　　1工程概況 </b></p><p>　　該項(xiàng)目位于長(zhǎng)沙市雨花區(qū),由7棟高層組成,地下有兩個(gè)相互連通的一層地下室。其中1號(hào)棟地上27層,地下1層,由A、B、C三個(gè)單體組成,單體之間采用260mm寬的防震縫彼此脫開

3、。1號(hào)棟1、2層為商業(yè)用房, 3層以上為住宅,地下為一層的五級(jí)人防地下室。A、C單體為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，B單體上部剪力墻不允許全部落地,在3層頂做了框支梁承托上部無(wú)法落地的剪力墻，從而形成鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。 </p><p><b>　　2地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì) </b></p><p>　　該項(xiàng)目場(chǎng)地的地貌單元屬湘江沖積階地,按其結(jié)構(gòu)特征,地層成因,土性不同和物理

4、力學(xué)的差異劃分為8層。地基土的構(gòu)成和特征見表1。擬建場(chǎng)地淺部土層中的地下水屬于潛水,設(shè)計(jì)抗浮水位標(biāo)高為-5.00m。 </p><p>　　1號(hào)棟地下室的基礎(chǔ)底標(biāo)高為-6.20米。由表1可以看出,地下室底板下土層由層②、③、④構(gòu)成,其承載力不高,壓縮模量較大,作為1號(hào)棟的天然地基土承載力顯然不夠。若采用長(zhǎng)沙地區(qū)常用的人工挖孔灌注樁,有兩個(gè)制約因素:其一是樁端持力層落在層⑧上,樁長(zhǎng)達(dá)到將近30米,不經(jīng)濟(jì);其二是層⑥

5、中富含潛水,將對(duì)人工挖孔樁的施工造成困難。參考文1,文2,結(jié)合本地經(jīng)驗(yàn),在本工程中采用了水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基(CFG樁)。筆者在之前的幾個(gè)項(xiàng)目中采用了該種復(fù)合地基,采用文1的計(jì)算方法,其沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近,載荷板試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為理想,證明在長(zhǎng)沙地區(qū)采用水泥粉煤灰碎石復(fù)合地基是可行的。經(jīng)過(guò)計(jì)算，CFG樁樁徑500mm,樁間距1500mm,復(fù)合地基承載力特征值fspk=620kPa,承載力能滿足設(shè)計(jì)要求。地下室主樓以外車庫(kù)部分荷載較小,

6、在控制好沉降的前提下采用天然地基，基礎(chǔ)持力層為層②、③、④，綜合地基承載力采用240kPa。 </p><p>　　主樓基礎(chǔ)采用平板式筏形基礎(chǔ),板厚1.5m,核心筒下板厚2. 0~2.2m，主樓外車庫(kù)基礎(chǔ)采用梁板式筏形基礎(chǔ)。采用JCCAD計(jì)算的最大沉降量為:主樓核心筒最大沉降量19mm,角柱沉降量4mm;主樓外車庫(kù)部分沉降量2mm。其沉降量及沉降差均能滿足規(guī)范要求。但是考慮主樓與主樓外車庫(kù)部分基底反力相差較大,實(shí)

7、際有可能產(chǎn)生較大的沉降差,造成連接處開裂。工程中采用將主樓周邊設(shè)置沉降后澆帶的做法，在施工期間把主樓與車庫(kù)部分脫開,沉降后澆帶需在主樓封頂且沉降穩(wěn)定后采用高一標(biāo)高微膨脹混凝土澆筑，這樣可以有效減少沉降差。根據(jù)近十年來(lái)對(duì)已建成的高層建筑主樓基礎(chǔ)與相連的裙房基礎(chǔ)沉降觀測(cè)表明,當(dāng)主樓為筏形基礎(chǔ),裙房也采用筏形基礎(chǔ)時(shí),主樓與裙房基礎(chǔ)相連處設(shè)置沉降后澆帶,在施工期間以及竣工以后,此處基礎(chǔ)沉降曲線是連續(xù)的,沒(méi)有突變現(xiàn)象。當(dāng)后澆帶封閉后,只要底板具有

8、足夠的剛度,可以認(rèn)為該計(jì)算結(jié)果是符合實(shí)際工程情況的。 </p><p><b>　　3.上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </b></p><p>　　該項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0. 05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地土的類型為中硬場(chǎng)地土,建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震特征周期值為0. 35S。主樓上部結(jié)構(gòu)A、C單元采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu), B單元為框支剪

9、力墻結(jié)構(gòu)。A、C單元框架抗震等級(jí)為三級(jí),剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)；B單元框支框架抗震等級(jí)為二級(jí),底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí),非底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。地下車庫(kù)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),抗震等級(jí)為三級(jí)。在設(shè)計(jì)中主要有以下問(wèn)題需要解決。 </p><p><b>　　3. 1結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換 </b></p><p>　　B單元3層以上為剪力墻住宅,1、2層為商業(yè)、

10、娛樂(lè)用房,需要較大開間及空間,上部的剪力墻無(wú)法全部落地,因此存在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。針對(duì)工程實(shí)際情況,并考慮到造價(jià)的因素,在轉(zhuǎn)換層設(shè)置轉(zhuǎn)換大梁, </p><p>　　以承托上部剪力墻。由于轉(zhuǎn)換梁承托著上部24層的剪力墻,受力很大,因此需要很大的截面和配筋,即需要轉(zhuǎn)換層下層有較大的層高。按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.4.2-2對(duì)于側(cè)向剛度不規(guī)則的定義,盡量使2層與3層的側(cè)向剛度比大于70%。經(jīng)與建筑專業(yè)人員協(xié)商,在轉(zhuǎn)換

11、層以下部分山墻兩端及房間開間兩側(cè)設(shè)置剪力墻,加大房屋的整體剛度及抗扭剛度。同時(shí)轉(zhuǎn)換層以下不設(shè)管道層,在3米標(biāo)高處設(shè)置管道通廊,將設(shè)備管道由此引出室外,從而將轉(zhuǎn)換層下層的層高由5.4米降到4.8米。經(jīng)過(guò)計(jì)算,滿足了側(cè)向剛度規(guī)則的要求,該轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)方案?jìng)髁ν緩矫鞔_,受力狀況相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)框支構(gòu)件另采用平面有限元的程序進(jìn)行單獨(dú)分析,并與總體計(jì)算結(jié)果對(duì)比,以保證關(guān)鍵構(gòu)體的抗震安全。值得注意的是,由于轉(zhuǎn)換梁上部承托的剪力墻墻肢長(zhǎng)度不大，轉(zhuǎn)換層大梁的

12、受力有別于框支梁?？蛑Я荷喜砍型型暾募袅π铦M足高規(guī)規(guī)定的條件,框支梁截面除了承受彎矩、剪力外，還有軸向拉力，沿梁全長(zhǎng)拉力不均勻，跨中拉力大，支座處減小。轉(zhuǎn)換梁和普通梁一樣只承受彎矩和剪力，沒(méi)有軸向拉力,在構(gòu)造要求上與框支梁不同。高規(guī)對(duì)框支梁的構(gòu)造有非常詳細(xì)的要求,對(duì)轉(zhuǎn)換梁的規(guī)定很少。結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)</p><p><b>　　3. 2結(jié)構(gòu)抗扭 </b></p><

13、p>　　A、C單元平面不規(guī)則,中部樓電梯間凹進(jìn)比較嚴(yán)重,按照抗震規(guī)范3.4.2條的定義,已屬凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)的平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　工程采用SATWE結(jié)構(gòu)計(jì)算程序按扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)進(jìn)行抗震計(jì)算分析。在結(jié)構(gòu)初步計(jì)算時(shí),沒(méi)有對(duì)剪力墻的平面布置作出適當(dāng)調(diào)整,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期壓與平動(dòng)為主的第一自振周期下之比為0. 96,扭轉(zhuǎn)周期偏大。由于實(shí)際條件的限制,建筑專業(yè)能做的調(diào)整有限,只能由結(jié)

14、構(gòu)專業(yè)采取措施:即通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度,從面提高結(jié)構(gòu)的抗扭能力,當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)時(shí)也能保證安全。從力學(xué)基本概念可知,抗側(cè)構(gòu)件離質(zhì)心越遠(yuǎn),其抗扭剛度就越大。所以,在建筑物外圍盡可能布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu),可以顯著加大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。經(jīng)與建筑專業(yè)協(xié)商,在A、C單元的兩端盡可能布置縱向剪力墻,從計(jì)算結(jié)果看,其扭轉(zhuǎn)周期顯著減小,周期比滿足規(guī)范要求（結(jié)果見表2）。在設(shè)計(jì)時(shí)將兩端剪力墻、框架柱、框架梁剛度適當(dāng)提高,端跨板加厚,雙層雙向配筋,以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的連接

15、。 </p><p>　　針對(duì)中部樓電梯間凹進(jìn)比較嚴(yán)重,計(jì)算時(shí)該部分樓梯采用彈性假定,設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)核心筒剪力墻配筋適當(dāng)加強(qiáng),核心筒樓板及與之相連的兩側(cè)梁板截面加大,配筋加強(qiáng)。從計(jì)算結(jié)果分析,樓層的最大彈性水平位 </p><p>　　移與該樓層兩端彈性水平位移的平均值之比均小于1.2,結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)并不明顯。說(shuō)明通過(guò)采取一定的構(gòu)造措施,可以改善建筑平面不規(guī)則布置所引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。 </p

16、><p>　　表2A、C單元結(jié)構(gòu)自振周期表(秒) </p><p>　　3. 3對(duì)結(jié)構(gòu)處理的總結(jié) </p><p>　　工程結(jié)構(gòu)存在著以下不利因素:平面凹凸不規(guī)則,豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù),側(cè)向剛度變異大。為了保證結(jié)構(gòu)的抗震安全,有必要采取措施,一方面使結(jié)構(gòu)計(jì)算符合實(shí)際情況,力求能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的抗震能力及薄弱環(huán)節(jié);另一方面也要按照概念設(shè)計(jì)的原則,在構(gòu)造上采取措施,進(jìn)一步保證

17、結(jié)構(gòu)安全。具體措施如下: </p><p>　　(1)分別采用廣廈SSW和SATWE兩種程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)的空間分析,以求正確反映結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形情況。兩種程序分析出的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特征、變化規(guī)律基本吻合,各種指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。 </p><p>　　(2)對(duì)框支構(gòu)件采用平面有限元分析程序FEQ驗(yàn)算配筋。需注意轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)造要求。將轉(zhuǎn)換層及其上下兩層樓板加厚,鋼筋雙層雙向拉通配置。 </p&g

18、t;<p>　　(3)針對(duì)平面不規(guī)則的情況,在建筑物外圍盡可能布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu),外圍及樓板連接較弱的核心筒構(gòu)件截面適當(dāng)加大,配筋適當(dāng)加強(qiáng)。 </p><p>　　依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及參考文獻(xiàn): </p><p>　　(1)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002),中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2002。 </p><p>　　(2)徐至鈞,王曙光《水泥粉煤

19、灰碎石復(fù)合地基》機(jī)械工業(yè)出版社, 2004。 </p><p>　　(3)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011 -2001，2008年版),中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2002。 </p><p>　　(4)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2002。 </p><p>　　(5)李國(guó)勝《多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疑