超高层结构体系钢骨混凝土柱设计

超高层结构体系钢骨混凝土柱设计

1总体建筑结构特点无锡凯宾斯基酒店位于无锡太湖广场西北角，由一座50米高的摩天大楼和五栋相邻的亚麻布楼组成。塔楼部分层7~21为酒店客房,层23~49为公寓,层50为观光层,大屋面高181.650m,总高度196m,总建筑面积约13.7万m2。塔楼部分为钢筋混凝土框架-核心筒结构体系;裙楼高26m,为钢筋混凝土框架-剪力墙结构。塔楼与裙楼之间设置沉降缝脱开,以连通口相接。酒店设有2层地下室,其中主楼地下室为设备用房,裙楼地下室为停车库,地下层2兼作人防仓库。建筑结构的安全等级为二级,设计使用年限50年。主楼及裙楼均采用桩基-筏板基础;地基基础设计等级为甲级,桩基安全等级为二级。主楼基础埋置深约12m。塔楼部分桩基设计采用ϕ850的钻孔灌注桩;塔楼外围局部荷重较小处及裙楼部分采用ϕ700钻孔灌注桩。工程2004年10月开工,预计2007年竣工。2结构设计2.1框架柱的选用工程塔楼平面呈三角形,在电梯井、楼梯间和设备管道集中的内部垂直交通区域设置钢筋混凝土剪力墙芯筒,在平面外围设置框架(见图1)。由于外围框架柱承担的轴压力非常高,特别是在塔楼底部区域,如采用普通的钢筋混凝土框架柱,即使混凝土强度等级为C60,仍需要很大断面。为了更好地满足建筑的使用功能,减小柱断面,设计采用钢骨混凝土柱。同时从结构经济性、施工便利性等角度出发,钢骨混凝土柱伸至层22后,上部仍采用普通钢筋混凝土柱。裙楼部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。由于建筑功能的要求,有些柱距达到16.8m,悬挑达7m,故采用有粘结预应力钢筋混凝土梁。2.2结构体系及振型工程采用高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE进行计算,以ETABS软件进行验算。抗震设防类别为丙类;抗震设防烈度为6度;地震加速度0.05g;设计地震分组第一组;水平地震影响系数最大值0.04;场地类别Ⅲ类;无地震液化;土层特征周期0.45s。基本风压0.50kN/m2(100年重现期),地面粗糙度B类。工程抗震等级:框架二级,核芯筒二级,框支框架和底部加强区剪力墙为特一级。结构分析的前3阶振型见表1。从表1可以看出,结构第1,2振型均以平动为主,第3振型以扭转为主。有效质量系数:x向94.68%;y向96.28%,均大于规范要求的90%。剪重比:x向为0.65%;y向为0.60%。地震作用下主体结构最大层间位移:x向为1/1360;y向为1/1314(SATWE)。风荷载作用下主体结构最大层间位移:x向为1/1010;y向为1/828(SATWE)。3结构布局的重点3.1转换桁架节点分析因在塔楼底部几层及主入口处大堂位置建筑需要较大的开敞空间,故上部结构标准层处相应位置的部分框架柱无法落地,设计需在层6(设备层)设置水平转换构件。工程属高位转换,由于框支柱采用钢骨混凝土柱,如以钢筋混凝土梁进行转换,则转换梁内的大量钢筋难以锚入框支柱内,且转换梁的自重也很大,对抗震不利。因而设计最终采用箱形断面钢桁架进行转换,转换钢桁架跨度13.6m(见图1)。钢桁架杆件中心线高度为设备层层高(5.5m)。针对高位转换采取了以下抗震加强措施:(1)框支柱采用钢骨混凝土柱以控制轴压比,增加转换桁架上下弦杆与柱连接节点的强度并提高框支柱的延性,同时加厚落地芯筒外周的剪力墙厚度以降低墙体的剪应力水平。控制转换层上下层剪切刚度比小于1.3。(2)框支柱和剪力墙的底部加强部位抗震等级按特一级设计。(3)为保证转换桁架上下弦杆所在楼面水平力的可靠传递,在转换桁架的上下弦杆上表面与混凝土楼板结合处设置栓钉,弦杆附近的楼板加厚至200mm,同时,加厚芯筒处楼电梯间和门厅、走廊处的楼板以加强楼面结构的整体性。(4)除对转换层、框支柱进行重点加强外,对转换层以上的相邻两层剪力墙亦进行重点加强:剪力墙端部暗柱的竖向钢筋和箍筋以及剪力墙水平和竖向分布钢筋的构造要求均按相应的抗震等级提高一级。(5)对转换层以上跨高比小于2及内力较大的连梁,在梁内增设型钢以提高其抗剪能力并增加延性。工程采用箱形截面钢桁架转换上部框架柱,所有连接形式均为焊接,且节点区均为全熔透焊缝。为确保转换钢桁架的施工质量,尽可能减少节点区的焊缝数量,避免焊缝重叠,设计对桁架节点区的下料形状、尺寸、焊接顺序均提出明确要求,其中桁架节点区柱与弦杆、腹杆连接段的外伸部分腹板均采用整板裁板。同时与钢结构制作安装单位协商落实,从而保证了设计合理、施工可行,钢桁架详图见图2,腹杆与弦杆、腹杆与腹杆均为刚接。设计还采用ANSYS程序对转换桁架主要节点采用实体单元建模,进行了有限元分析。图3为转换桁架上弦中节点有限元分析结果,从中可见,转换桁架杆件大部分应力满足强度要求,仅在上弦杆与上部转换柱交界处及其与斜腹杆交界处存在明显的应力集中现象(尤其在角部应力高达335MPa),另外腹杆与节点相交处也有应力集中现象出现。最终设计在控制应力比的同时,对转换桁架各杆件在节点处均做圆弧形过渡处理。3.2抗侧力的设置塔楼在风荷载作用下y向(较弱方向)顶点位移及层间位移均较大,且x向(较强方向)部分楼层在考虑偶然偏心地震作用下的位移比大于1.4,未能满足B级高度高层建筑位移比的控制要求。为减小顶点位移及层间位移,改善平面扭转,设计在层6,22和36三个设备层设置了结构加强层(见图4)。框架-核芯筒结构的超高层建筑当结构抗侧刚度较弱,侧向位移无法满足时,往往利用建筑设备层或避难层布置结构加强层,在这些楼层的核芯筒与外围框架之间设置刚度较大的水平伸臂构件(梁或桁架),从而减小核芯筒承受的力矩及底部核芯筒剪力墙的压应力,同时也可有效减小侧向位移。由于工程塔楼平面及核芯筒平面均呈三角形,芯筒内部剪力墙与外周边框架柱网完全错开,故难以布置直通式的水平伸臂桁架。鉴于此,最终设计采用了沿加强层外围框架设置刚度较大的周边带状钢桁架的方式,带状钢桁架上下弦杆中心线高度等于设备层层高。此种加强方式的优点在于:(1)由于将楼层外围周边框架柱以钢桁架环向联系,相当于沿外围边柱从上到下均匀布置了三道深梁,这样可加强带状桁架平面内框架的整体抗弯能力,进一步提升周边框架柱的整体轴向抗压能力,使其能吸收更多的倾覆力矩。进而提高结构的整体抗侧刚度,改善结构的位移、强度、稳定和延性。(2)能有效减弱剪力滞后效应,使周边框架柱底轴力趋向均匀,受力更合理。(3)设置周边带状桁架的加强方式属于一种“有限刚度”的加强,其对结构刚度和内力突变的影响相对于布置水平伸臂构件要小得多。而采用伸臂桁架的方式由于水平伸臂构件的刚度远大于外围框架柱,地震作用下将首先在与水平伸臂构件相连接的外围框架柱柱端形成塑性铰,从而形成薄弱层,使结构难以达成强柱弱梁、强剪弱弯的延性屈服机制。而周边带状桁架的加强方式属轴力杆系加强,故不会在与带状桁架相连接的框架柱柱端形成塑性铰。(4)楼层外围周边布置带状钢桁架等结构加强构件,相对于布置水平伸臂构件对建筑使用功能的影响大大减小。表2是设置周边带状加强桁架前后的部分计算分析结果(整体计算),对比表中数据说明:设置周边带状加强桁架的作用较为显著,结构层间位移减小,最大位移比得到改善,周期缩短,达到预期效果。3.3柱、心、心心的增强期由于建筑从层23起直至楼顶将核芯筒内部分电梯井道取消,同时在芯筒外周边的剪力墙上增开大洞。造成层23上下结构竖向刚度突变,核芯筒刚度削弱,且增大了楼层质心和刚心的偏心(见图5)。针对以上情况,采取下列加强措施:1)层23上下相邻两层核芯筒剪力墙水平和竖向分布钢筋的构造要求均按相应的抗震等级提高一级;2)在核芯筒外周边每层剪力墙顶部设置拉通的边框梁以加强核芯筒的整体性并使核芯筒周边的连梁得到加强;3)在核芯筒内楼板开洞区域设置三角形斜交密肋梁,以斜交密肋梁极大的平面内刚度来加强核芯筒内因楼板开圆洞而削弱的面内刚度,保证楼板内水平力的有效传递。3.4钢骨混凝土体系工程塔楼外围框架柱自基础底板面至层22采用钢骨混凝土柱,既减小了柱断面,增加了有效使用面积,更好地满足了建筑的使用功能,又提高了框架柱的延性,在层6,22设备层,还可与周边带状加强桁架连接为整体,使桁架的节点更为可靠、便利,可谓一举多得。但钢骨混凝土体系也有其自身的缺陷,最大的问题就是框架梁柱节点区施工困难,框架梁主筋穿越钢骨柱十分不便,如处理不当,应加强的框架梁柱节点区反而会成为薄弱环节。考虑到上述问题,在工程钢骨混凝土结构设计中,采用了两种方案。1.骨柱下钢柱双梁式框架柱内纤维增强支护方案在对建筑外观、使用功能没有影响的柱网区域,采用单柱双梁节点,框架柱内钢骨柱外围混凝土厚度均≥250mm,双梁每道宽度250,300mm不等,以确保双梁的主筋可从框架柱内、钢骨柱边穿过,此方案对节点区的处理较为简单可靠,且施工方便。但该方案在结构布置时应注意尽量使双梁两侧荷载均匀、对称。2.上下分离式框架柱结构对建筑有较高外观要求,无法采用双梁节点的区域,在钢骨柱上设置上下分离式钢牛腿(见图6)。钢牛腿上焊接的框架梁主筋不超过梁主筋总数的1/3,且不多于4根,其余梁