帶多連體的復雜高層結構設計

蘇項庭,馮永偉,洪　淵

(浙江省建筑設計研究院,浙江 杭州 310006)

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帶多連體的復雜高層結構設計

蘇項庭,馮永偉,洪淵

(浙江省建筑設計研究院,浙江 杭州 310006)

介紹了一幢具有三處連接體的復雜高層建筑的結構設計,重點說明了轉換桁架的設計要點,以及橫置H型鋼在轉換桁架中的應用及型鋼混凝土節點的設計,最后總結了此類結構應采取的抗震加強措施。

轉換桁架；橫置H型鋼；多連體結構

現代化建筑不斷在追求個性,大懸挑、高空連廊、通高大堂、立面收進等元素得到廣泛運用；建筑平面功能分區及相互關系也呈現多樣化,大型會議室、宴會廳、運動場等場所在高層建筑內隨處可見。如何在滿足建筑師要求的同時,合理利用結構概念設計,化繁為簡,對結構設計人員帶來各種挑戰。本文結合某超限高層結構設計,論述設計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東側中河高架和環城北路交叉口,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,其中高層建筑結構總高度為99.9m,主要功能為生產用房、數據中心及會議室等,地下3層為地下車庫及地塊內相關設備用房。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,平面形狀不規則；平面中部存在兩個連體,連體層數較多,分別為15層和9層；為了建筑功能需要,連體之間布置數層中庭,中庭最大跨度約為20m；南邊連體在16層結束,導致結構高位收進，另外,還存在個別穿層柱和大開洞等不規則。根據《建筑結構抗震設計規范(GB50011—2010)》[1],應列為特別不規則建筑。

2　結構設計

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

圖2　主樓結構PKPM模型

2.1轉換結構設計

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

圖3　轉換桁架平面布置示意

圖4　桁架結構形式

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

由于本工程中轉換桁架屬于特別重要結構構件,除了抗震等級按要求提高一級,考慮豎向地震作用,并按中震彈性進行性能化設計外,還應采取其他軟件進行校核,以避免單一軟件出錯影響工程質量。我們在設計過程中采用了MidasBuilding、YJK和PKPM分別對各工況下桁架的受力性能進行校核,結果顯示,三者計算出的支座處桁架腹桿軸力誤差不大于10%。為計算桁架層水平構件的軸向力,應將桁架層樓板設為彈性樓板,也可以將板厚設為零并在樓面恒載中考慮板自重。

2.2橫置“H”型鋼的應用及節點設計

由于連體層數較多,荷載較大,經試算,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”型鋼有如下優點：

1) 正放“H”型鋼,當內力較大時,一般通過增加翼緣寬度和厚度來滿足應力比要求,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。對于橫置“H”型鋼,腹板高度可根據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,設計時根據軸力大小改變翼緣的寬度和厚度即可。

2)正放“H”型鋼,當內力較大時,無論與勁性柱內置型鋼腹板連接還是翼緣連接,均為面外焊接,容易導致柱內型鋼層狀撕裂。而橫置“H”型鋼與勁性柱內置型鋼連接為平面內焊接,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,節點處翼緣板可整塊切割,應力集中效應較小，節點簡單(圖5),可在工廠加工完成,現場安裝只需要在節點外采取全焊接拼接。

圖5　橫置“H”型鋼弦桿與腹桿節點

鋼桁架使用橫置“H”型鋼,使得整個桁架連接連點十分簡單,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“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,可保持厚度相同并整體切割,保持翼緣間傳力的連續性。由于此翼緣板尺寸較大,使型鋼混凝土柱箍筋在核心區不能兜通，所以在翼緣上設置機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點

2.3結構加強措施

該建筑存在平面不規則、多處轉換、大開洞等多種設計難點并存情況,轉換結構上部荷載較大,屬于多重復雜超限建筑,于2015年7月通過浙江省建筑工程抗震技術委員會的抗震設防專項審查[3]。除了轉換桁架應按要求進行性能化設計,還應從其他方面予以加強,以下為本工程采用的加強措施：

1)轉換桁架、轉換柱和剪力墻底部加強部位抗震等級提高至二級,其余剪力墻、框架梁和框架柱為三級(設計時杭州地區設防烈度仍為6度)。并按中震彈性、大震不屈服要求設計。普通框架柱按中震不屈服要求設計。

2)轉換柱箍筋采用井字復合箍,并沿柱全高加密,配箍特征值比普通框架柱要求的數值增加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構中框支柱要求取值。

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

4)連接體樓板板厚為150mm,采用雙層雙向鋼筋網,每層每方向鋼筋網的配筋率不小于0.25%。對轉換層樓板和大開洞處樓板進行樓板應力詳細分析,根據樓板詳細分析結果對相應薄弱部位和大應力區采取加強措施。

5)連接體桁架上下弦桿內伸一跨,內跨框架柱設置型鋼,以確保轉換桁架與主體結構可靠連接。

6)采用多個結構軟件(PKPM-SATWE、MIDAS、YJK等)對計算結果,特別是對桁架的內力進行分析比對。

3　結　語

本文通過對杭州市武林廣場東側1幢帶多連體的復雜高層進行詳細研究和分析,得到如下結論：1) 根據轉換結構跨度及其上負荷大小,可選擇不同桁架形式。作為關鍵構件,對于其內力必須采取兩種以上軟件進行復核,以避免單個軟件缺陷引起結構安全問題。復核內力時應對桁架層樓板進行彈性樓板設置。

2) 橫置“H”型鋼可以在保持腹板高度不變的情況下,根據內力大小調整翼緣寬度和厚度；可避免鋼板板材層狀撕裂；桁架節點可工廠預制；現場采取節點外全焊接的形式,既提高了桁架極限承載力,又大量減少了施工難度。

[1]中國建筑科學研究院. GB 50011—2010 建筑結構抗震設計規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2010.

[2]中國建筑科學研究院. JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S]. 北京:中國建筑工業出版社, 2010.

[3]浙江省建筑設計研究院. 浙江印刷集團有限公司工業廠房項目超限高層建筑抗震設防專項審查報告[R]. 杭州：浙江省建筑設計研究院, 2015.

Design of the Complex High Rise Structure with the Concatenates

SU Xiangting,FENG Yongwei,HONG Yuan

2016-07-05

蘇項庭(1983—)，男，福建莆田人，工程師，從事建筑結構設計工作。

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