大底盘多塔楼连体复杂高层建筑群结构设计

1、大底盘多塔楼连体复杂高层建筑群结构设计方鸿强(中国汉嘉设计集团股份 , 浙江杭州 310005 )摘要 :结合工程实例 ,对大底盘 、带转换层 、不等高多塔楼 、连体超限复杂高层建筑群的结构设计进行较为系统的总结 ,详细阐述了超大地下室减小差异沉降和温度应力影响的裂渗控制方法 ,并根据上部大底盘 、多塔楼 、连体结构的受力特性 ,提出 了运用“调 ”、“抗 ”、“放 ”整体结构构思的先进设计思想 ,以及解决类似技术难题的思路与方法 ,专门设计了一种适用于高 层建筑的新型连体钢结构“呼吸系统 ”,同时 ,对做好现场技术服务与确保工程质量的关系进行了实践与研讨 ,工程实例经 受了多次超强特大台风和

2、多年的冷热温度变化等多种受力工况的考验 ,实现了预期的目标 。关键词 :超限复杂高层建筑群 ; 控制差异沉降 ; 整体结构设计 ; 钢结构“呼吸系统 ”; 抗风中图分类号 : TU 973113文献标识码 : AStruc tu ra l de sign of comp lex h igh2rise building group w ithla rge bo the lith and m ulti2towe rsFAN G Hongq iang( H an jia D esign Group of Ch ina, Hangzhou 310005 , Ch ina)A b stra ct: Th

3、e comp lex h igh2rise bu ild ing group , con sisting of tran sfe r sto ries, la rge bo the lith and connected m u lti2towers,isbeyond the code lim its. Its design is illu strated in th is p ap er, esp ecially the con tro l of the c rack ing and leak ing triggered by se ttlem en t d ifference s and t

4、he rm al stress of ove r2la rge basem en ts.The advanced design p h ilo sop h ies, “ ad ju sting ”, “resisting” and “ releasing ”, a re adop ted in conceiving the in tegral structu ral a rrangem en t. A sp ecial system , called “b reath ing system ”, is app lied to imp rove the p erfo rm ance of ste

5、e l structu re s unde r variou s load s. B e sides that, a d iscu ssionis carried ou t on the relation sh ip between in2situ techn ica l se rvice and con struc tion quality, acco rd ing to emp irical exp e rience s. The engineering examp le, c ited in the p ap e r, has fu lfilled the in itia l de si

6、gn goals, su rvives a se rie s of tests oftyp hoon, temp era tu re va ria tion,Keyword s: comp lex h igh2riseand o ther load ing cond ition s.bu ild ing group s w ith la rge pod ium s and connected m u lti2towers; con tro l of settlem en td iffe rences; in tegra l structu ral de sign; b reath ing sy

7、stem of stee l struc tu re; w ind re sisting0 工程概况 1 新国光商住广场位于温州市中心著名商业街 五马街的西延伸端 ,城市风景公园松台山的对面 。它是 由 A、B、C、D、E、F共 6 座高层公寓 (分 3 组 ,每 2 座通过 连体结构相连 ) 、3 层商业裙房 、下沉式广场和整体相连 的超大地下室组成富有特色的高层建筑群 。地面以上 根据松台山和广场的空间取向 , 建筑层数从 26 层依次 升至 32 层 , 在最高的 C 座和 D 座的屋顶 , 结合水箱 、设 备用房与空中花园组成“玻璃穹顶 ”, C座和 D 座高层建 筑之间的拱形连体“空

8、中茶吧 ”外侧为大面积玻璃幕墙 ,形成“凯旋门 ”的建筑外形。目前已成为温州市的标志性建筑之一 ,如图 1。地下 1 层 (局部 2 层 )主要是由 6 级人防 、机械停车 库 、设备用房和下沉式广场等组成整体相连的超大地下室 , 并与城市地下人行过街通道相连 , 下沉式广场面积2约 700m ,不设永久性沉降缝和伸缩缝的地下室长度达210m (图 2 ) ;建筑物总高度为 1161542m ,建筑总面积为2133791 m 。作者简介 :方鸿强 ( 1961 ) ,男 ,浙江宁波人 ,国家一级注册结构工程师 ,高级工程师 。收稿日期 : 2008年 3月115A 座的承台底面距最浅的 ( 7

9、 23 ) 中风化基岩层顶板面仅为 20m 左右 ,而 E座的承台底面距最深 ( 7 23 ) 中风化基 岩层顶板面达 70m 以上 (图 3 ) , 岩土工程条件极为复杂 。各土层的主要物理力学指标 ,详见表 1。112 基础和地下室工程设计整体相连的超大地下室约 210m 80m (长 宽 ) 左 右均不设永 久性 沉 降和 伸 缩 缝 , 属 超 长 钢 筋 混 凝 土 结 构 ,温度应力不可忽视 ,同时 , 上部为大底盘 、带转换层 、不等高多塔楼 、连体组成的复杂高层建筑结构群 ,其中 ,高层公寓部分荷载大 , 裙房部分荷载小 , 下沉式广场甚 至处于抗浮状态 , 荷载差异极大 ,

10、超大地下室工程对不均匀沉降十分敏感 , 因此 , 建立科学的设计理念和正确的整体结构设计思路比单纯的结构计算更为重要 。 在设计中提出 : 采用“调 ”、“抗 ”、“放 ”整体结构设计的新思路与新方法 ,运用安全合理的技术措施和施工 工艺 , 严格控制温度应力和差异沉降 , 综合解决超大地 下室工程建设中的技术难题 。“调 ”就是通过调整荷载中心和抗力重心的位 置 ,调整上下刚度差 ,调整传力途径和传力方向 ,通过合理布桩 , 选择合适的桩型和稳定的持力层 , 按照整体沉 降计算与分析结果调整桩长 、桩径和利用回填土增加自图 1 温州新国光商住广场高层建筑群F ig. 1 W enzhou X

11、 inguoguang comm e rc ia l and re siden tia l bu ild ing group s1 超大地下室工程设计1 11 岩土工程条件工程位于沿海软土地区的温州松台山脚下 ,因此 ,在编制岩土工程勘察设计要求 时 ,设计除 按照通常要求提供岩土工程勘察文件以外 ,还针对超大地下室和大底盘 、带转换层 、不等高多塔楼 、连体组成的复杂高层建筑结构群对不均匀沉降十分敏 感的特点 , 特 别提 出 必 须提 供“建 筑场 地表 1 各土层的主要物理力学指标P hy s ica l a nd m e c ha n ic a l p ro p e rtie s o

12、f e a ch so il la ye rs平面图的持 力 层 层面 等 高 线图 ”的 要 求 ,工程实践证明 , 此项工作为开展整体结构 设计 ,大面积施工 、工程管理和科学决策提供了极为重要的依据 。 根据岩土工程勘察报告 (详勘 ) 揭示的情况 ,地下水位高度 ,距地面仅 016m。 上层土质差 ,地面以下 30 50m 以内均为高压缩性或中偏高压缩性土层 ; 基岩埋藏 深且起伏大 , 下部稳定基岩的顶面倾角一 般在 30 左右 ,最大处可达 60 以上 ,其中 ,Ta b le 1土层厚度mfkkPaE sM Pa预制桩 / kPa钻孔灌注桩 / kPa土层名称qsqpqsqp(

13、1 )杂填土( 2 )粘土( 3 )淤泥( 4 )粘土( 5 )粉质粘土( 6 )粉质粘土混碎石( 7 21 )全风化基岩( 7 22 )强风化基岩 ( 7 23 )中风化基岩0. 5 5. 10. 4 2. 112. 9 28. 93. 0 17. 32. 6 9. 30. 4 7. 30. 4 24. 00. 4 25. 590401151201502004503. 50. 94. 85. 55. 55. 711519202732475506008501600400011517182328421801902806501500 10. 0 (未透 ) 2000 100 6500 91 300

14、0 图 2 基础平面布置和地下室结构平面图F ig. 2 Founda tion p lan and struc tu ra l p lan of ba sem en t116重 ;加强施工期间的沉降观测 ,开展动态管理 ,按照沉降观测结果调整 施 工 顺序 和 后 浇 带 封 闭 时 机 , 调 整 沉 降 差 ,努力减少或消除差异沉降对超大地下室结构的不利 影响 。同时 ,努力调整和控制施工与使用期间的温度变化差异 , 以减少内外温差 、日照温差和季节温差对超大 地下室工程的不利影响 。“抗 ”就是按照实际的受力状况设置抗压桩和 抗拔桩 ;基础 、地下室外墙 、底板和顶板的结构设计满足 各

15、种受力工况下的强度 、刚度 、稳定性和耐久性要求 ; 地 下室外墙 、底板和顶板采用补偿收缩混凝土新技术 , 同 时 ,重点部位和重点区域适当提高配筋率 , 以提高钢筋 混凝土结构的抗裂和抗渗能力 。“放 ”就是当“调 ”和“抗 ”已无法满足使用要求 或者已明显不经济 、不合理的情况下 , 采取直接将部分应力“释放 ”的设计方法 。如 :超大地下室在荷载差异较大的部位设置 7 条沉降型施工后浇带 ,待沉降趋于稳定 后封闭 ,以减少混凝土的收缩应力和施工期间的差异沉 降所产生的附加应力 ;超大地下室与城市地下人行过街 通道之间设置沉降缝脱开等 (图 2 ) 。11211 桩型和桩端持力层的确定

16、工程均采用大直径钻孔灌注桩 , 并以第 ( 7 22 ) 强风化岩层或 ( 7 23 ) 中风化岩层为桩端持力层 , 桩端进入持 力层不小于 D ( D 为桩直径 ) ,并要求严格控制桩底沉渣 (不得大于 50mm ) ,以便于尽可能地减少由于桩端持力 层不同而产生的差异沉降 。桩径按照其荷载大小 、桩的立承台基础 ,以及独立承台与独立承台之间设地梁纵横连接 ,同时配以 600mm 厚地下室底板 , 地下室外墙厚度 为 550 350mm , 顶板厚度为 250mm。为了尽可能地减少混凝土收缩和温度应力 ,设计采用补偿收缩混凝土技 2 术 ,地下室的外墙 、底板和顶板均采用 C35 补偿收缩性

17、混凝土 ,抗渗等级 018M Pa。 为确保地下室大体积混凝土浇筑后的质量 ,主要采取以下施工技术措施 : 利用混凝土后期 60 d 强度代替28 d强度 ; 采用合理的混凝土配合比 ,选择低水化热的 矿渣硅酸盐水泥 ; 采用 ZY高效混凝土膨胀剂配制的 补偿收缩混凝土技术 , 地下室底板 、地下车道混凝土的限制膨胀率按 118 10 - 4设计 , 地下室外墙和顶板混凝土的限制膨胀率按 211 10 - 4设计 , 掺量由现场试验确 定 ; 加强蓄热保湿养护 , 浇水养护不少于 14 d; 运用 智能温度巡检测温系统动态控制技术 ,控制内外温差不 大于 25 。2 上部结构设计上部结构是由

18、3 层裙房组成的大底盘 , 以及 A、B、C、D、E、F共 6 座带转换层的不等高多塔楼高层公寓分 3 组 ,每 2 座沿高度方向通过连体结构局部相连组成的高 层建筑群 ,属复杂高层建筑结构 。211 结构选型及主要结构布置为适应底部建筑大开间 、多功能和上部公寓建筑的 要求 ,在满足建筑各项功能要求的前提下 , 6 座高层公寓设计充分地利用楼梯间 、电梯井和管道井设置剪力墙 ,组成部分框支剪力墙结构体系 , 除 C 座和 D 座屋顶的 “玻璃穹顶 ”,高层建筑之间的拱形连体“空中茶吧 ”, 以及商场大型“采光屋面 ”采用钢结构以外 ,其余均采用现 浇钢筋混凝土结构 , 由于工程设计阶段钢筋混

19、凝土结受 力 类 型 和 沉 降 计 算 分 析 , 分 别 采 用800mm、900mm和1000mm 大直径钻孔灌注桩 ,桩身混凝土强度等级为 C30 ,抗拔桩通长配筋 ,桩位布置图见图 3。11212 基础设计与地下室裂渗控制除主楼采用 210m 厚筏形平板式基础以外 , 其余均 采用柱下独立承台基础 ;主楼筏形平板式基础与柱下独图 3 桩位布置图和 ( 723)中风化基岩顶板面等高线图F ig. 3 P ile a rrangem en t p lan and con tou r m ap of m ed ium wea the ring rock ( 723)117构设计规范 ( G

20、B 50010 2002 ) 尚未正式颁布实施 , 因此 ,设计仍按照混凝土结构设计规范 ( GBJ 10 89 ) 执 行 。从建筑平面上看 , A、B、C、D、E、F 共 6 座上部高层 公寓各自独立部分的平面和刚度并不相同 ,两个主轴方向平面和动力特性也有较大的差异 ,因此在结构布置时 给予重点关注 ,通过调整剪力墙布置的位置和调整在剪 力墙上开设“结构洞 ”的大小和位置 ,努力使其计算结果达到基本相近的设计控制目标 。 混凝土强度等级由下到上为 C40 C25; 高层公寓除由电梯井 、楼梯间和设备管道井剪力墙组成的核心筒 和部分抗扭剪 力 墙 落地 以 外 , 其 余 剪 力 墙 厚

21、度 分 别 为250 200mm 均不落地 ; 6 座高层主体结构的梁式转换层 均设在标高 141500m 的 4 层裙房屋面层 ; 转换层上下结构侧向刚度均按照要求控制 , 框支梁和框支柱按高层 建筑混凝土 结 构 技术 规 程 ( J GJ 3 2002 ) (以 下 简 称 “高 规 ”) 要 求 设 计 , 框 支 梁 截 面 设 计 为 600mm 图 5 B 座标准层结构平面F ig. 5 Standa rd sto ry p lan of bu ild ing B 5 1500mm ,落地剪力墙截面加大至 400mm , 由于这一部分屋面既是转换层的楼面 , 又是大底盘的顶面 ,

22、 楼板和 梁在两座塔楼的同方向振动和相对振动中 ,受力十分复杂 ,会产生一定的水平剪力 , 必须进行特殊设计和构造加强处理 , 因此 , 转换层及相邻楼板的刚度按要求予以 加强 ,楼板厚 200mm ,楼板和梁的上下钢筋通长布置 ,并 适当布置抗剪钢筋 ,图 4 图 7 为 A、B、C、D 座标准层结构平面 。图 6 C座标准层结构平面F ig. 6 Standa rd sto ry p lan of bu ild ing C图 4 A 座标准层结构平面F ig. 4 Standa rd sto ry p lan of bu ild ing A图 7 D 座标准层结构平面F ig. 7 Sta

23、nda rd sto ry p lan of bu ild ing D2 12 连体结构设计21211 钢筋混凝土连体结构设计A 座与 B 座 、E 座与 F 座高层连体结构采用现浇钢 筋混凝土结构刚性连接 , 连接层的楼板和梁 , 在两座塔 楼的同方向振动和相对振动中 , 受力也同样十分复杂 , 也必须进行特殊设计和构造加强处理 , 因此 , 连接层及 相邻楼板的刚度按要求予以加强 , 楼板厚 180mm , 楼板 和梁的上下钢 筋 通 长布 置 , 并 在 板 内 适 当 布 置 抗 剪 钢 筋 ,连接梁与内部梁拉通 ,梁内增设纵向抗拉钢筋 ,箍筋118全程加密 ,支座两端结构重点加强 ,

24、 图 8 是 A 座与 B 座连体结构平面 。21212 “可呼吸式 ”连体钢结构设计C座 、D 座 高 层 建 筑 26 29 层 之 间 设 有“空 中 茶 吧 ”,共两层 ,跨度 2917m ,底层楼面距地面高度 82m , 外侧为大面积玻璃幕墙形成“凯旋门 ”的建筑外形 ,见图 1。 连体钢结构设计难点在于 : 主体结构必须满足承载力 、刚度 、延性和稳定性要求 , 支座连接必须安全 、可靠 ,特别是必须要满足在超强特大台风或地震作用下承的实现 :它是由利用附着在 C、D 两座高层建筑主体结构上柴油发电机烟道 、大跨度钢桁架 、盆式支座和阻尼限 位器等组成 , 其 工作 机 制 主要

25、通 过 节 点 构 造 设 计 来 实 现 。必须注意的是 ,连体“空中茶吧 ”设计中除需进行防 4 腐专项设计 以外 , 还必须按高层民用建筑设计防火规范 ( GB 50045 95 ) (以下简称“规范 ”) 进行消防专 项设计 , 重 要 节 点 处 防 火 措 施 和 耐 火 极 限 应 满 足“规 6 范 ” 要求 。另外 , 还必须设置专门措施以便于在使用年限内钢结构的防腐和防火定期检查和必要的保养 、维 护 。213 结构的计算与分析设计分别按照大底盘各塔独立和大底盘多塔连体 分两次进行计算与分析 , 并对计算结果进行人工对比 、 人工内力组合和构件设计 , 特别是对薄弱层判别

26、, 连体结构以及相邻的上下结构要给予重点关注 ,对采用铰接 形式的连体结构还应验算罕遇地震下的变形是否能够 满足设计 防 坠 措 施 的 要 求 。计 算 程 序 采 用 SA TW E 计算 , PM SA P校核 ,同时 ,选用 AN SYS程序校核内力 ,并进 行整体结构优化 。图 8 A 座与 B 座连体结构平面F ig. 8 P lan of connec tion be tween bu ild ing A and B图 9 C座与 D 座连体结构平面F ig. 9 P lan of connec tion be tween bu ild ing C and D载力与变形控制的要求

27、 ; 虽然外侧大面积玻璃幕墙是由专业幕墙设计和施工单位来完成的 ,但作为主体建筑 设计单位也必须积极创造条件 ,以减少主体建筑变形对外侧大面积玻璃幕墙的不利影响 ; 必须便于施工 , 可操作 、可控制和可实现 。经过多方案的技术经济比较 , C 座与 D 座高层建筑 之间的连体“空中茶吧 ”采用钢结构连接 (图 9 ) , 利用柴 油发电机烟道作为连体钢结构的铰接支座 ,为了消除两 幢高层建筑的“晃动 ”, 以及连体钢结构的“热胀冷缩 ” 对结构的影响 ,专门设计了一种适用于高层建筑的新型 连体钢 结 构“呼 吸 系 统 ”, 以 满 足2( 1 )计算基本风压设计取值 w0 = 0. 70

28、kN /m ,并按 5 “高规 ” 乘以 1. 1 调整系数 , 地面粗糙度 B 类 ; 基本雪2压 S0 = 0. 35 kN /m ; 建筑结构安全等级为二级 ; 结构重要性系数 0 = 1. 0; 抗震重要性类别为丙类 ; 抗震设防 烈度为 6 度 ; 场地土类别为 级 ; 模拟施工方法计算竖向荷载 ;计算 X、Y 两个方向的风荷载和地震作用 ; 计算振型为 16 个 (振型参与质量满足“高规 ”要求 ) ; 考虑扭 转耦联振动计算 。( 2 )从表 2、表 3 的主要计算结果可以看出 , 结构在表 2 地震作用下的主要计算结果承载力和变形控 制的 要 求 。并经受住了多次超强特大台风的

29、考验 。Ta b le 2 M a in ca lc u la te d re su lts u nd e r e a rthq ua ke计算项目A 与 B 以及 E与 F座C与 D 座 3 ( 1 )“可呼吸 ”结构概念: 它是基 于 人 体 的 呼 吸 系 统 提 出 的 。 人体呼吸系统的胸部或者腹部会伴随着人的呼吸而自由的伸张和收缩 ,人体结构就在这一张一弛中 保持动态平衡 。同样的道理 , 对于 高层连体结构 ,若也能让它自由地 释放由于“晃动 ”和“热胀冷缩 ”而 产生的变形 ,那么在日常使用状态 下所产生的应力就大大减小 ,甚至 完全释放 。这样的结构 ,设计称之 为“可呼吸

30、”结构 , 由“可 呼 吸 ”结 构组成 的 结 构 体 系 , 设 计 称 之 为 “呼吸系统 ”。T1 T4T5 T8T9 T12T13 T16112124 , 111868 , 013765 , 013644012195 , 012145 , 012057 , 011985011522 , 011473 , 011413 , 011336011283 , 011249 , 011121 , 011099114491 , 114080 , 019489 , 014863014409 , 014116 , 013940 , 012584012486 , 012301 , 012247 , 0

31、12135011678 , 011596 , 011537 , 011544周期 / SD x, m ax ( X 向 )dx, m ax ( X 向 )15154h / 525114163h / 248725104h /294824150h / 3496位移 /mmD Y 向y, m ax ()dy, m ax ( Y 向 )注 : D x, m ax、D y, m ax 和 dx, m ax、dy, m ax 为最大顶点位移和最大层间位移 ; h为层高 。表 3 风荷载作用下的主要计算结果Ta b le 3 M a in ca lc u la te d re su lts un de r

32、w ind lo a d s计算项目A 与 B 以及 E与 F座C与 D 座D x, m ax ( X 向 )dx, m ax ( X 向 )13107h /58142112728147h / 304633169位移 /mmD Y 向y, m ax ()( 2 ) 连体 钢 结构“呼 吸 系 统 ” dy, m ax ( Y 向 ) h / 3395 h / 2487 119风荷载和地震作用下其最大顶点位移和层间位移均满足“高规 ”要求 。程管理带来多项技术难题 。本文结合工程实例 ,提出适合于解决工程技术难题的方法与思路 ,得出以下主要结 论 :( 1 )通过采用“调 ”、“抗 ”、“放 ”

33、整体结构的设计思 路和方法 , 安全合理的技术措施和施工工艺 , 以及科学的管理 ,综合解决超大地下室 、大底盘 、带转换层 、不等 高多塔楼 、连体超限复杂高层建筑群工程建设中的各种 技术难题 。( 2 )将“可呼吸 ”的设计理念运用于高层建筑的连 体结构中 ,组成新型的连体钢结构“呼吸系统 ”, 以消除两幢高 层 建 筑 的“晃 动 ”, 以 及 连 体 钢 结 构 的“热 胀 冷 缩 ”对结构的影响 ,并取得成效 。( 3 )充分利用已建成的高层主体结构 , 采用计算机 控制液压同步整体提升新工艺进行高层连体钢结构的整体安装是可行 、有效的 。参考文献3 钢结构工程施工钢结构工程的施工

34、,特别是“空中茶吧 ”连体钢结构施工安装是工程的技术难点 ,最初设想采用外搭支架的 常用施工方法 ,但受到场地 、设备等多种因素的制约 ,因此 ,设计与钢结构施工安装单位密切配合 , 利用高层主 体结构 ,共同研发了适用于高层连体钢结构整体安装的计算机控制液压同步整体提升新工艺 。它的优点是 : 充分利用已建成的高层主体结构 ,不影响其它施 工 工 序 ; 在地 面 进 行 连 体 钢 结 构 的 组 装 ,大幅度降低了高空作业的危险 , 焊接质量控制有保证 ; 通过提升设备扩展组合 ,提升重量 、跨度 、面积 、高 度不受限制 ; 提升设备小 、自重轻 、承载能力大 ; 全 程计算机控制 ,设备自动化程度高 ,操作方便灵活 ,安全性好 ,可靠性高 ,使用面广 、通用性强 。 缩短了建设工 期 ,节约了投资 。“空中茶吧 ”连体钢结构总重 320 t, 钢结构整体提 升吊装高度 95. 35m , 采用计算机控制液压