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引用 汉商二十一世纪写字楼结构初步设计 2010-07-10 21:31:57| 分类： 默认分类 | 标签：|字号大中小 订阅本文引用自伊建康汉商二十一世纪写字楼结构初步设计 引用伊建康的 汉商二十一世纪写字楼结构初步设计 谌 文 （深圳建筑设计研究总院有限公司武汉分院，湖北武汉430062）郑敏 （武汉科技大学中南分校，湖北武汉430223） 摘 要：通过多种方式解决主楼侧向刚度问题，加强结构概念设计；桩筏基础设计中，将桩模拟成弹簧，并根据试桩曲线确定桩的竖向刚度系数，同时考虑土分担作用和上部结构刚度的影响，可有效节约建筑造价。 关键词：侧向刚度，桩筏基础，桩刚度，钢骨混凝土 1工程概况 本工程位于汉阳龙阳大道与汉阳大道交汇处，总建筑面积约为74364，是一栋智能化超高层5A写字楼。主楼地上三十五层，主楼大屋面建筑高度147.8m，建筑总高度180m。见图1和图2。本工程有三层地下室，地下一层层高为4.5m，其余层层高均为3.6m。地下室在平时为设备用房和车库，战时地下三层为人员掩蔽所，防护等级为五级。图1 建筑效果图 图2 建筑剖面图 2结构布置和计算分析 21结构体系 本工程采用钢筋（型钢）混凝土框架核心筒结构。抗震设防烈度6度，抗震设防分类为：商业部分划为乙类，写字楼办公部分划为丙类。主楼筒体和外围框架柱抗震等级均为二级。 主楼大屋面建筑高度147.8m，属A类超高层建筑。 22结构布置 1）主楼结构布置 本建筑框架采用大柱网，为了地下室停车的方便，平均柱距为7.6m。建筑设计将核心筒的周边均布置为商业服务区；楼梯间、电梯井和风井、强弱电及洗手间等功能用房布置在建筑的中部。建筑平面为方形的高层建筑，采用框架-核心筒体系时，整个建筑的侧移基本由筒体的变形所产生。在水平力的作用下，筒体是以弯曲变形为主，因为筒体的平面尺寸受到竖向交通等服务性设施的面积制约，芯筒的高宽比值都比较大(X方向为7.90，Y方向为7.46)，弯曲变形引起的侧移值也较大。为了达到减小结构侧移的目的，通常做法利用高楼中每隔十多层布置的设备楼层，设置钢桁架形成钢臂，将芯筒与外圈框架柱连为一体，让外柱也参与结构整体弯曲。但是刚度层设置使结构竖向布置成为竖向不规则结构，容易产生薄弱层和薄弱部位。经过反复计算比较，通过采取适当弱化上部核心筒刚度减小弯曲变形引起的侧移值，相应增加框架与核心筒之间的刚度比的措施：在建筑四周布置L型的剪力墙；适当增大核心筒外墙厚度，尽量减少核心筒内的剪力墙数量和厚度；同时，加高外围的框架梁截面高度。在不设置刚性层的情况下，亦能满足结构侧移，满足规范舒适度要求，同时也避免了结构竖向的不规则性，使本工程平面布置及竖向布置均成为了规则性建筑结构。 2）裙楼结构布置 地下室裙楼部分采用钢筋砼框架体系，考虑到建筑使用功能的要求，裙房与主体结构不分缝。由于部分地下室裙房层高与主体结构不同，为避免形成错层薄弱层，D轴以下地下室与主体分缝。结构设计时适当加厚裙房屋面的楼板厚度（200mm），并且在楼板中设置双向通长钢筋。 23结构计算分析 本工程结构整体计算采用SATWE和PMSAP、MIDAS/GEN软件进行分析，动力时程分析采用SATWE后续的有限元时程分析程序和MIDAS时程分析模块。运用这几种不同模型程序进行了小震弹性、中震弹性、大震弹塑性分析计算。弹塑性分析揭示核心筒外墙开洞处是薄弱部位，设计中采用型钢加强。结构分析以SATWE软件分析结果为主，PMSAP、MIDAS分析结果参考使用。结构计算时，采用总刚分析方法，考虑楼板的弹性变形和楼板开动的影响，不考虑双向地震作用，考虑扭转藕联作用，计算取24个振型。采用SATWE整体计算，第一周期3.89秒，为平动；扭转周期为第三周期，为2.51秒，扭转周期与第一平动周期比值为0.645；最大层间位移比值1/1439。最大位移与层平均位移的比值和最大层间位移与平均层间位移的比值计算结果见表1。表1最大位移与层平均位移的比值和最大层间位移与平均层间位移的比值层编号最大位移与层平均位移的比值最大层间位移与平均层间位移的比值备注X向Y向X向Y向431.041.041.031.02主楼201.091.111.081.09主楼101.101.141.101.12主楼71.131.151.131.14主楼51.141.151.141.15主楼11.001.001.001.00主楼 3基础设计 主楼采用桩筏基础，裙房柱下采用独立多桩承台。主楼和地下室裙房未设沉降缝，由于两者荷载相差悬殊，两者的不均匀沉降较显著，设计时主楼与裙房间设置后浇带，消除施工期间不均匀沉降，待主楼主体结构完成时，根据实测沉降值并计算后期沉降差能满足设计要求后，再用补偿收缩混凝土浇筑，同时主楼与裙房相连部分梁、板按预计的差异沉降适当加强连接部位的截面和配筋以增加连接部位的刚度。 31地质条件 建设场地为第四系一般粘性土、老粘性土、砂性土。土层竖向分布见表2。表2土层竖向分布土层编号地基承载力特征值fak（kPa）钻孔灌注桩数据压缩模量Es(MPa)层厚度（m）备注极限侧阻力特征值qsia（kPa）极限端阻力特征值qpa（kPa）素填土 0.62.8已挖掉粉质粘土20038 8.52.24.5 粉质粘土43040 17.512.441.8 a粉质粘土25035 11.02.512.1 b粉质粘土13018 6.02.84.0 粘土16032 7.51.58.8 粉细砂2002550018.06.615.2 砾砂3006090019.013.037.0 中风化石英砂岩 未钻透 注：表中数据均为与02规范相对应的取值。 32基础选型 从场地土层分布情况来看，粉细砂层和砾砂层均为良好的持力层，粉细砂层强度较高，但粉细砂层强风化泥岩层厚度不均，最薄处虽然有6.0m，但是经过计算如果采用后压浆钻孔灌注桩，就需要更大的砂层的厚度才好，因此粉细砂层不适宜作为本工程的桩端持力层，故最终选用砾砂层作为桩端持力层，有效桩长约50m，选用大直径钻孔混凝土灌注桩。 根据设计要求，主楼桩直径为800mm，单桩极限承载力标准值为15900kN。裙楼桩直径为800mm，单桩极限承载力标准值为4900kN。 主楼部分为后压浆钻孔灌注桩，桩中心距2700mm，厚筏承台，筏板厚度2.0m，混凝土为C40；裙楼部分采用柱下独立承台，承台高度1600mm，防水底板厚250mm。 33桩筏基础设计 1）筏板厚度的合理确定 确定筏板厚度从承载能力和裂缝控制两个方面来考虑。 首先根据承载能力极限状态确定其厚度。考虑桩、柱（墙或剪力墙筒体）冲切、剪切计算，并考虑筏板抗弯承载力的计算，保证配筋率正常（0.5以内）。从计算结果看，筏板厚度2000mm，框架柱冲切安全系数最小（冲切承载力/柱轴力）约1.91；桩对筏板的冲切安全系数（冲切承载力/桩反力）最小为1.47。其次，在保证承载能力的情况下，验算正常使用状态下的裂缝宽度。 2）计算模型 对于桩筏基础，一般的计算方法是采用刚性板方法（倒楼盖法），假定基底反力呈直线分布。本工程筏板厚度相对于其平面尺寸较小，短向比例为1/9，长向比例仅仅1/10，难以达到刚性板的要求，与反力分布为直线的假定有较大的误差。桩基存在竖向沉降差，对筏板的内力有一定的影响；另外，上部结构刚度的大小对筏板的内力也有一定的影响。本工程筏板计算采用PKPM工程部开发的JCCAD软件，选用Winkler地基模型及Mindlin的中厚板理论进行分析。 3）单桩及群桩的刚度取值 桩的刚度是确定桩筏边界约束的非常重要的参数，对于桩筏基础，由于桩桩、桩土相互作用机理复杂，其沉降变形性状与桩的数量、桩长、桩间距、桩土刚度比等因素密切相关。本工程设计仅仅考虑工程桩竖向刚度，桩与筏板的连接考虑为铰接。 （1）单桩竖向刚度计算 分析桩筏之间的作用时将桩模拟成弹簧，利用试桩静载荷试验实测的QS曲线（见图5）计算单桩刚度。单桩刚度为KQ/S，其中，K为单桩的刚度，即单桩桩顶产生竖向单位位移时所需的力；Q为桩顶荷载；S为与桩顶荷载对应的沉降量，为考虑长期效应的折减系数。图5 试桩QS曲线 桩顶沉降和桩顶荷载并不是线性关系，桩的弹簧刚度也不是常数，从QS曲线可以看出，当桩顶荷载小于等于设计值时，曲线基本为线性，近似按线性考虑是可行的。本工程桩为摩擦桩，桩进入砾砂层不小于2000mm，本工程桩基绝对沉降量较大，且桩端为砾砂层，桩长期荷载效应的影响系数可取为0.8。 （2）考虑群桩共同作用的单桩刚度计算 群桩中的单桩刚度可以从沉降角度进行分析计算。通过群桩中两根桩的竖向位移的相互影响分析，可采用叠加原理扩展至整个群桩的沉降计算，采用Mindlin解。 软件采用沉降比法计算群桩的沉降，沉降比定义为： Rs群桩的沉降S /单桩在群桩各桩平均荷载作用下的沉降S1 群桩的沉降为： SS1RS 。 群桩的沉降比取决于桩的长径比L/d、桩距桩径比Sa/d、桩土刚度比K（KEp/Es）和桩端土的类别等等。软件自行计算沉降比，以考虑群桩中的单桩刚度。 4）桩筏基础计算与计算结果分析 采用有限元分析时，筏板单元划分的网格大小对计算有一定的影响，理论上网格划分尺寸越小，计算精度越高，但太小时会造成计算结果无法直接取用，单元尺寸大小对配筋结果影响很大，特别是柱、剪力墙角部部位。解决方法是选择合适的单元划分尺寸，单元尺寸宜与筏板厚度相当或差别不大，本工程单元划分尺寸为2000mm，与筏板2000mm相等，计算结果正常。按照如下三种情况进行计算和比较分析 （1）考虑上部结构刚度影响，筏板下地基土（fk430kPa）的基床系数根据经验（按照筏板下土层的分类和性状）取值20000kN/m3进行计算，计算结果见图6、图7。从筏板的沉降图可以看出，整个筏板的变形为中间大，四周小。从桩反力图可以看出，筏板中部框架柱附近的桩反力最大，从中间向四周逐渐减小，建筑两端的角部，桩反力仅仅为单桩设计承载力的1/31/4。考虑筏板下地基土的有利影响，并考虑上部结构刚度的影响，沉降分布较均匀，筏板下地基土分担荷载比例约15。图6 筏板板沉降图（mm） 图7 桩反力图（kN） （2）不考虑上部结构影响、也不考虑筏板下的地基土作用。整个筏板的变形为中间大，四周小。筏板中部框架柱附近的桩反力最大，从中间向四周逐渐减小，建筑两端角部的桩反力为基桩特征值的1/21/3。 （3）采用刚性板方法（倒楼盖法），假定基底反力呈直线分布。整个筏板的变形为中间大，四周小，沉降变形特征与第一种情况相同。整个筏板下的桩反力分布均匀，呈线性分布, 计算结果见表3。表3 计算结果比较分 类第一种情况第二种情况第三种情况备 注最大沉降量213mm230mm202mm 最大桩反力5735kN6210kN5737kN 最小桩反力3040kN1502kN4588kN 中柱下桩反力5635kN6423kN5355kN 从以上三种情况的结果来看，第一种情况最接近实际情况。 采用倒楼盖方法计算时，尽管计算简单，但分析结果误差较大，如果完全按照此计算结果布桩，实际情况下，局部的工程桩会超过设计承载力，筏板局部的内力、配筋会偏小，带来安全隐患。 采用第二种方法计算，采用Winkler地基模型、弹性中厚板理论进行分析，不考虑上部结构的影响和筏板下地基土的作用，最大桩反力与最小桩反力的差值较大，同时桩的最大桩反力比第一种情况大，沉降也较第一种情况大。 第一种情况是考虑了上部结构刚度的影响，并考虑了筏板下地基土的作用，其余计算方法和假定与第二种情况相同。从目前国内大量的理论分析和工程经验来看，对于摩擦型桩基和端承摩擦型桩基，由于桩基存在一定的沉降变形，是可以考虑筏板下地基土的作用的。从本工程的计算结果来看，桩反力比第二种情况小且分布较均匀。考虑筏板下地基土的作用，由于筏板下的土体分担了大约15的荷载，工程桩的数量可以减少15%左右，具有可观的经济效益，本工程采用第一种情况进行设计分析，仅仅工程桩可节约100万元左右，同时由于反力分布较第二种情况均匀，筏板的内力和配筋也相应减小，也会节约一部分建设资金。 5）筏板应力现场检测 为验证本工程桩筏基础计算所采用计算假定和计算分析方法，建议对施工阶段的筏板钢筋应变和裙楼独立承台的混凝土应变进行监测，要求应变数据在如下三个时期采集：基础底板混凝土成型、地下室浇筑完成和主楼结构封顶。测点布置分布在三类区域：筏板四角的悬挑板的根部、剪力墙的底部和框架柱下部区域，其中柱下应变计分布在2.0m筏板的上表层、中部和下表层三个层面。 4钢骨混凝土柱设计图8钢骨混凝土柱脚施工 建筑主体中的框架柱由于所受荷载很大，即便采用C60混凝土，柱截面也达到1500mmX1500mm，不仅影响建筑效果，同时由于柱截面过大，会形成短柱，对抗震不利。外框下部17层采用钢骨混凝土柱，钢骨的含钢率为6%左右。底部钢骨混凝土柱比采用普通混凝土柱截面减小30%，提高了建筑的有效使用面积。 在钢骨柱与非钢骨柱的过渡楼层，考虑到竖向刚度有所变化，过渡楼层临近几层的钢骨含钢率逐渐降低，过渡层及其以上两层楼板均相应适当加厚，梁板配筋相应加强，这三层的框架柱抗震构造措施按提高一级采用。 5结束语 本工程建成时