昆明中汇商业的结构设计.doc

昆明中汇商业中心的结构设计陈麟海 王剑非 钟阳（云南省建筑工程设计院 邮编665000）【摘要】钢管混凝土结构在高烈度地震区的应用尚缺乏足够多的经验，如钢管混凝土及组合钢梁在高烈度地震区的设计、钢柱与支撑的地震力分配控制设计、钢结构节点的抗震构造设计等都亟待解决。文中介绍了中汇商业中心的基础设计及问题处理、上部钢管混凝土柱设计，组合钢梁设计及部分节点构造的设计方法。【关键词】 高烈度区 结构设计 钢管混凝土柱 组合钢梁 节点构造一、 工程概况昆明中汇商业中心工程，位于昆明市北京路与烟草路交界处，地处昆明北市新区的中心地带。中心占地27.35亩，总建筑面积约54486，总长约146米，宽约111米，地下一层，地上五层，地下室层高为4.8米，地上一五层高依次为4.8米、5.5米、5.5米、3.3米及4.2米，总高度为23.8米，柱网以8.48.4米为主。建成后将集商业、娱乐餐饮为一体，成为昆明北市区标志性建筑。中心根据建设用地，平面呈不规则多边形，沿高度方向层高根据功能逐渐减小，平面见图1。建设中的商业中心见图2.二、基础设计（一） 地质条件根据岩土工程勘察报告，工程地址情况较简单，场地土类型为中软场地土，浅层10米内为Q4的粘土及软粘土层，强度或变形指标较差，10米左右有较厚的Q3圆砾层，fak=180Kpa， qp=7000 Kpa，适宜做为桩基持力层。场地无液化，较为均匀。地下水位在地表下约2.5米，建筑场地类别为类。图1： 图2： （二） 桩基础设计考虑有较好的浅层持力层，基础用采用独立承台桩基+防水板，桩型为静压预制钢筋混凝土方桩，以层Q3圆砾层为持力层。单桩承载力设计值为550KN，桩长68米。经抗浮验算，在西北角下沉广场处设置抗拔桩。地下室防水板厚400mm，C35防水混凝土，抗渗标号不低于S6。因压桩过程中，桩尖触及圆砾层后很难进入，抗拔桩深度未能达到最初设计预期。加之由于在施工过程中上部荷载未到位，突降暴雨后水位上涨而部分破坏。经降水处理，采用永久性拉力型中空注浆锚杆进行抗浮补强，锚杆直径为200mm，锚杆设计长度15米，锚固体置于地勘报告中的第Q3层圆砾中，有效锚固体长度8米，单根锚杆轴向拉力设计值不低于150KN。实践证明在圆砾层中采用拉力型中空注浆锚杆抗浮，施工简单，抗拔承载力能有效保证。三、上部结构设计（一）结构设计昆明中汇商业中心，采用方钢管混凝土框架支撑结构体系。钢柱、钢梁、支撑采用Q345B，强屈比不小于1.2。其它次构件材质为Q235B。楼板采用焊接H型钢梁混凝土现浇楼板组合结构。结构电算分析采用结构空间有限元分析软件SATWE进行。上部结构因超长，中部设置伸缩缝分为两个结构单元，嵌固端取地下室顶板。结构计算时分别进行了单独计算和整体计算，并进行了分析比较。由于商业空间布置限制，钢支撑布置数量十分有限，只能在外围不影响立面处，以及中庭环廊处适当布置。设计时进行多方案比较，控制支撑承担的剪力不超过总剪力的35%。考虑在高烈度地区钢管混凝土柱实际应运缺乏足够的经验，结构阻尼比取为3.5，并在结构设计中将混凝土的工作承担系数c控制在相对较低值，约0.10.5之间。对焊接工字钢与混凝土楼板组合结构的计算中，简支梁按照组合梁设计，有效的节约了钢梁截面，充分发挥混凝土抗压性能。对于框架梁，由于支座上部混凝土在受拉区退出工作，不能实现组合梁的工作模态，我们按照钢结构设计规范（GB50017-2003）第11.1.6进行15%的调幅，以充分发挥组合结构材料性能。次梁的布置方式采用棋盘式布置，因考虑次梁为组合梁结构，这样的布置方式在不影响楼层刚度的同时，使两个方向的框架梁受力趋同，截面也趋同，给设计和施工，以及建筑空间都带来益处。（二）结构构造1、 方钢管混凝土柱应用高频焊接方钢管混凝土柱具有如下优点：承载力高，节省用钢量。塑性变形能力增强, 抗震性能好。抗侧刚度大。耐火性能良好。从而可降低防火处理费用。现场安装方便。钢管壁厚较薄，自重小，运输、吊装方便。中汇商业中心的竖向承重结构为矩形钢管混凝土柱，结构抗震由钢管混凝土柱+钢支撑的结构体系承担。柱子断面地面上两层为45045016，三层以上为40040012，局部采用50050014及45045012，管内为C40无收缩混凝土。正式施工前进行了两个约10米长柱段的混凝土试浇灌，对无收缩混凝土的配合比进行实测。达龄期后经超声探测及现场剥离，表明矩形钢管与混凝土结合严密，整体性可靠。方钢管混凝土柱向下延伸，在地下室内底板采用外包式柱脚。在满足规范要求及内力计算的前提下，地下室柱段形成外包加内填的钢管混凝土组合结构如图3：图3：地下室底板柱脚处采用垫铁解决标高偏差，在施工中调整外包主筋角度，以实现柱脚螺栓的安装（见图4）。柱子与梁连接节点，经过与安装公司的现场研究，采用一种改良后的内隔板式与外伸内隔板式的节点构造，并在工厂加工后在现场吊装，现场操作十分方便（见图5）。图4： 图5： 2、 组合钢梁：该工程中存在钢梁与混凝土墙柱连接、钢梁与钢梁连接、钢梁与钢管混凝土柱连接等多种节点。并根据连接方式分为铰接和钢接。基本原则是：钢梁与混凝土连接采用预埋板。钢梁与钢梁、钢梁与钢管柱连接根据连接性质，分别采用螺栓连接和栓焊结合的连接方式。并对框架梁支座上部受拉区进行构造加强，设置加劲板。典型节点如图6：3、现浇楼板受建设方对投资控制的影响，楼板采用现浇板。楼板与钢梁之间通过栓钉连接，避免在产生挠度时的相对滑移。栓钉规格根据剪力的大小分别从1排162002排19125到不等。现浇板筋与钢框架梁柱的节点构造，根据不同条件采用了混凝土内锚固和焊接的方式。图6：4、竖向交通系统钢结构施工中，竖向交通的电梯、楼梯与混凝土结构有着本质的不同。结合本工程有如下体会：A、由于墙体系统的不同（砌体或者金属墙板），电梯安装支架的敷设将分别与圈梁或小型型钢构件连接，结构施工时必须配合安装进行协调，避免后期返工，造成大量的现场手工焊，直接影响结构安全的可靠性。B、在采用剪刀梯提供足够疏散通道的方案中，由于楼梯间开门方式是多方向的，而楼梯梯段一般在工厂完成后吊运现场组装，梯段竖向支承的方式和位置必须预先考虑，在满足结构要求的同时不能破坏建筑功能。（五）防火措施： 根据矩形钢管混凝土结构技术规程（CECS 159：2004），钢管混凝土柱的防火涂层宜采用厚涂型钢结构防火涂料或金属网抹M5水泥砂浆。综合考虑经济性以及施工难度，该工程的钢梁采用了涂料防火，钢柱采用金属网抹防火砂浆的方法。由于抹灰较厚，必须分23次完成，我们在钢管柱表面四角增加了钢筋骨架以固定和架高金属网，实际运用效果良好。四、结语昆明中汇商业中心作为昆明北市区标志性建筑，建筑体量较大。采用了高烈度地震区运用不多的钢管混凝土柱加支撑结构体系，同时由于建设方的投资控制要求，采用了现浇楼板和砌体维护墙，给结构设计带来了很多课题，如钢结构嵌固端取为地下室顶板时的约束条件保证、钢管混凝土及组合钢梁在高烈度地震区的设计、钢柱与支撑的地震力分配控制设计、钢结构节点的