复杂超高层结构的钢筋混凝土框架结构

复杂超高层结构的钢筋混凝土框架结构

1结构体系及布置郑州润丰城项目采用地下三层，其中一层包括润丰大厦和润丰祥购物中心（一期）。图1为整栋建筑的效果图。本文主要介绍购物中心部分的结构设计。购物中心地上7层(局部8层)，总高度40.50m，建筑面积193179m2，其中地下面积85030m2，地上面积108149m2ㄢ购物中心的基本柱网为9.0m×9.0m,9.0m×11.0m;地上部分的层高依次为6.0m,5.5m×2,6.0m,5.5m,6.0m×2。框架柱截面:5层及以下采用1.4m×1.4m,1.2m×1.2m及1.0m×1.0m;6,7层采用1.2m×1.2m,1.0m×1.0m及0.8m×0.8m。框架柱混凝土强度等级:2层及以下采用C55,3～5层采用C50,6,7层采用C40。图2及图3分别为购物中心的结构平面图和剖面图。2基础和基础2.1地基基础设计根据岩土工程勘查报告和工程特点，考虑到华润大厦主楼为超高层建筑，整个建筑场地平面较大(地下室最大长度约为278m，最大宽度约为126m)，华润大厦采用桩基础，以满足承载力要求和沉降量的控制。购物中心采用天然地基，地基持力层为层(5)粉砂夹粉土层，承载力特征值为200kPa。地基基础设计等级为甲级。应业主要求，基础底板采用内防水，地下室外墙采用外防水，使用阶段基础底板裂缝宽度严格控制在0.2mm以内。基础底板顶标高为-15.2m，抗浮设计水位为94.50m(水头为7.2m)。购物中心基础采用筏板+下柱墩的形式，筏板厚度为1.2m，柱墩高为0.60mㄢ2.2浇带及混凝土浇筑因建筑及使用功能的要求，地下室不设永久缝。在华润大厦和购物中心交界处设置1道沉降后浇带(图4)，减少施工阶段的沉降差影响。施工过程中每40m留设1m宽施工后浇带(图4)，待两侧混凝土浇捣60d后再以高一等级膨胀混凝土封闭，以释放施工阶段的混凝土收缩、徐变。基础配筋考虑了基础底板连成整体时，华润大厦和购物中心之间差异沉降的影响。2.3局部抗浮措施分析购物中心抗浮设计水头为7.2m，且地下1层以上存在多处平面开大洞(图2)的情况。将结构自重作用下的基底反力与水浮力进行比较，结果表明:1)结构整体抗浮满足设计要求;2)中庭开大洞处局部抗浮需采取措施。设计时考虑了如下2种局部抗浮措施:1)在中庭处筏板下设置抗拔锚杆或抗拔桩;2)建立基础筏板与上部结构连成一体的计算模型(图5)，进行水浮力不利工况下有限元分析，根据分析结果确定筏板、底层框架柱的断面及配筋，复核上部结构中相关构件的配筋。由于该项目基础采用内防水，底板裂缝宽度需严格控制在0.2mm以内，经分析优化筏板厚度取为1.2m，筏板具有较大的刚度和协调能力。将中庭处的筏板进行加厚至1.8m，考虑筏板协同上部框架梁、柱共同抵抗水浮力作用，进行受力分析。分析结果见图6～9，由图可知，水浮力不利工况作用下:1)基础底板最大位移仅9mm;2)基础底板顶部的最大弯矩约为1500kN·m/m，柱墩处的最大弯矩约为4500kN·m/m，筏板通过配筋可满足0.2mm的裂缝宽度控制要求;3)中庭周边柱底部最大弯矩约为5200kN·m，柱截面为1.2m×1.2m，根据内力计算结果进行配筋，截面满足要求;4)除与基础相连的底层柱外，上部框架在水浮力作用下的内力均不大，该工况不起控制作用。分析原因，由于筏板较厚，刚度很大，在水浮力作用下，内力按刚度分配时，筏板和底层柱吸收了绝大部分的作用。通过以上分析可以看出，通过合理的截面选择和必要的受力分析，利用基础与上部结构协同作用抵抗水浮力解决局部抗浮的方案是安全、可靠的。该方案省去了施工抗拔锚杆或抗拔桩的工序，从而缩短了施工工期，降低了工程的整体造价。3结构体系和结构限制3.1剪力墙设置不合理购物中心为大型商业体，柱网布置极不均匀，且平面多处中庭开大洞，为满足建筑功能要求，能够设置剪力墙或支撑的部位很少。此外，本工程楼梯数量很多，集中布置在建筑物周边且上下不连续。以上条件限制了采用钢筋混凝土框架-剪力墙体系的可能性。钢框架-支撑体系也是合适的结构体系，但由于造价原因也被业主舍弃。综合以上因素，结构体系选定为钢筋混凝土框架结构。3.2结构体系设计得到极限审查结构的超限主要表现在:1)建筑平面中东南主入口(图10)处6,7层冰场上空开口与椭圆中庭开大洞集中在一起，导致此部分楼板有效宽度仅为28%，属楼板不连续，平面凹入比例达到45%，且凹口高度达到20m，属于凹凸不规则;2)楼层竖向构件最大水平位移与该楼层位移平均值的比值为1.31，大于1.2，属于扭转不规则;3)6,7层处有个别柱需转换，属于竖向构件不连续;4)东南入口处存在4根从首层至屋顶的斜柱，且斜柱的最大无支撑长度达到25mㄢ工程进行超限审查时，审查专家组给出了以下意见:1)工程为重点设防类(乙类)，且结构总高度H=40.65m，超过了40m，设计时应采取比一级更高的抗震措施，应从严控制框架柱的轴压比，适当提高框架柱的最小配筋率;2)大开口、大凹进附近及入口斜柱轴压比应严格控制，配筋率适当提高;3)长悬臂、大跨度、大凹进及斜柱抗震等级应比一级强，宜为特一级;4)大开洞、弱连接四周的框架及楼板配筋应适当加强;5)关键构件抗弯、抗剪宜采用不同的性能目标，抗剪宜强于抗弯。设计时根据超限专家组意见严格控制框架柱轴压比不超过0.65，控制框架柱纵筋配筋率不小于1.2%，以提高结构的延性;楼板弱连接处采用双层双向配筋，配筋率不小于0.3%;关键构件在中震作用下按抗弯不屈服，抗剪弹性设计，关键构件抗震等级采用特一级。4关键构件地震反应根据《高规》确定结构抗震性能目标参照D级执行。将东南入口及东北部椭圆中庭楼板开大洞周边框架柱、东南入口处斜柱、6,7层局部转换柱、跨度超过24m的大跨度梁、悬挑超过4m的长悬臂梁定义为关键构件(图10)。关键构件在多遇地震作用下保持弹性状态;在设防烈度地震作用下保持受剪弹性、受弯不屈服;在罕遇地震作用下截面满足不发生受剪脆性破坏的最小断面要求。5结构计算与分析5.1结构体系及分析程序工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.40s，属于乙类建筑，安全等级为二级，设计使用年限为50年，采用钢筋混凝土框架结构，抗震等级为一级。基本风压为0.45kN/m2，地面粗糙度类别为C类。由于工程结构平面及竖向均存在多项不规则情况，整体分析时采用了SATWE和MIDASBuilding两种软件，根据工程实际进行楼板开洞并设置弹性板，考虑楼板的面内变形，并计入双向水平地震作用下的扭转效应。多遇地震作用下水平地震影响系数最大值αmax=0.12，按振型分解反应谱法计算，并考虑扭转耦联振动的影响。两个程序计算结果相近，结构的刚度、振动特性、位移、位移比等指标在规范限值之内。表1为结构计算分析的主要结果。5.2加速度时程曲线采用SATWE程序进行了多遇地震作用下的弹性动力时程分析补充计算，选取2组实际地震记录(S740,S017)和1组人工模拟的加速度时程曲线(L064)，寻找结构薄弱层，加速度时程曲线最大值为55cm/s2。分析表明，结构的平均反应在两个方向均与CQC法的结果较为接近，时程分析计算的层间位移角均小于CQC分析结果。5.35结构有限元分析由于建筑平面中东南主入口(图10)处6,7层冰场上空开口与椭圆中庭开大洞集中在一起，导致此部分连接部位极其薄弱，为保证结构的安全性，超限审查专家组要求对此部分考虑洞口间连接断开后按双塔模型进行受力分析，并与单塔模型计算结果进行包络设计。5.4推覆荷载的位移为了确保结构在罕遇地震作用下的安全，还进行了静力弹塑性Pushover分析。分析表明，结构达到性能点时对应使用楼层的最大层间位移角为1/107(X向)，满足规范1/50的限值要求。推覆过程中，首先是较低楼层处框架梁开裂，接着框架梁出现塑性铰，随着较低楼层处梁塑性铰的发展，较高楼层梁逐渐开裂，接着出现塑性铰，性能点时，仅局部柱进入屈服，塑性铰基本上集中在5层及以下，6层及以上梁柱均未出现塑性铰。总体来看，结构没有明显的薄弱层，结构的出铰位置、出铰顺序合理。5.5．缩缝间距购物中心地上部分最大长度约240m，最大宽度约为88m，全长不设伸缩缝，远远超过现行规范对伸缩缝间距的限值要求。对于大面积楼板，当施工、使用阶段的温度变化和混凝土收缩变形产生的拉应力超过混凝土抗拉强度时，会产生温度裂缝，对结构非常不利，设计中必须考虑温度应力的影响。5.5.1温度作用的确定结构温度作用主要由季节温差、昼夜温差和收缩当量温差3个部分组成。各类温差的确定原则详见文献。5.5.2混凝土弹性模量的影响在季节温差和收缩当量温差的应力计算中，混凝土徐变对大面积混凝土结构温度应力影响很大。季节温差和混凝土收缩都是随时间变化比较缓慢的作用，由于徐变的存在，结构的实际应力会远小于弹性分析的结果。根据文献的结论，徐变的影响可以等效于混凝土弹性模量的折减，折减系数可考虑为0.3。另外，在昼夜温差的温度应力计算中，由于温度变化相对较快，不应考虑徐变折减的影响。5.5.3温度应力场分布采用MIDAS/Gen软件对结构进行了温度应力弹性有限元计算。按整体结构布置整体建模，底层柱脚为固定端。温度作用分为季节温差、收缩当量温差和昼夜温差。其中，季节温差取50℃，缓慢加载，需考虑徐变影响;收缩当量温差取20℃，缓慢加载，需考虑徐变影响;昼夜温差取8℃，快速加载，不考虑徐变影响。分析结果见表2ㄢ从图11可以看出，楼板的温度应力分布受竖向构件影响较大，柱侧向刚度较大的部位，计算得到的温度应力也较大;温度应力主要集中在1,2层处，较高楼层处的温度应力较小。此外，布置洞口的地方存在局部应力集中的现象。设计中对楼板采用双层双向配筋并增加洞口周边应力集中部位的配筋率。楼板配筋量根据组合(1.2恒+1.4活±1.0温度)的计算结果确定。5.6大震作用下楼板应力集中现象为了解结构平面开大洞间楼板弱连接在地震作用，特别是罕遇地震作用下的工作性能，采用MIDAS/Gen程序对平面大洞口间楼板弱连接进行了小震、中震和大震下的应力分析(图12)。分析结果表明，在小震、中震及大震作用下，楼板X向(Y向)最大拉应力分别为0.962(0.914)，2.570(2.370)，4.810(4.570)MPaㄢ分析结果表明，楼板弱连接处存在应力集中现象，但并不严重。这是由于框架结构中楼板弱连接的两侧结构刚度差别不大，弱连接不需要承担过大的协调任务。楼板钢筋在中震作用下均未屈服，在大震作用下仅部分进入屈服状态，说明将5层以上考虑为双塔来计算的工况在实际中并不会出现。但应注意，在框架-剪力墙结构中，可能由于弱连接两侧刚度差异很大，弱连接楼板需承担很重的协调任务，大震下可能破坏，设计时应引起足够重视。5.7斜柱受力分析购物中心结构东南主入口处存在4根从首层到屋顶的斜柱。由于5层冰场上空建筑要求通透效果，导致斜柱在Y向的无支撑长度达到25m，构件较柔弱。斜柱主要承受LED屏和幕墙传来的水平和竖向荷载。为保证结构的安全性，对该部位进行了小震、中震和大震作用下的详细受力分析。计算模型及分析结果见图13。分析结果表明，斜柱在中震作用下保持为弹性状态，在大震作用下，并未进入屈服，承载力和变形均完好。6加强结构抗应力措施6.1预应力梁校核关键构件均按特一级构造，框架柱中设芯柱提高构件延性，轴压比严格控制在0.65以下。大跨度及长悬臂构件采用后张有粘结预应力梁，考虑竖向地震作用，竖向地震作用标准值取值不小于重力荷载代表值的15%;除考虑以水平地震作用为主的组合外，尚需考虑竖向地震作用为主的效应组合，竖向地震作用分项系数取1.3，水平向取0.5ㄢ6.2组合结果配筋楼板弱连接处根据考虑恒载、活载、温度作用及中震作用进行组合的结果进行配筋。当温度作用与地震同时组合时，地震作用分项系数取1.3，温度作用分项系数取0.2。此外，楼板弱连接处采用双层双向配筋，配筋率不小于0.3%。7规方案结构设计(1)对于大型商业体，中庭开大洞处局部抗浮不满足设计要求时，通过适当加厚基础底板，适当加大中庭周边与基础相连框架柱的断面和配筋，考虑基础与上部结构协同作用，共同抵抗水浮力，可节省常规方案中