高烈度区复杂多层建筑结构选型

高烈度区复杂多层建筑结构选型

1实验建筑和实验材料大学的综合实验组位于新校园。它由综合实验中心和实验交换中心组成，总面积为406772米。主要包括三部分建筑功能:物理教学实验中心(A楼),建筑面积13781m2,电子电气教学实验中心和语音教室(B楼),建筑面积12585m2,A、B楼均为地上4层,建筑高度18.25m;计算机教学实验中心(C楼),包括机房和实验室,建筑面积14271m2,地上5层,建筑高度22.75m,建筑总平面图如图1所示。物理实验A楼由防震缝分成A1、A2两个结构单元,A1采用钢筋混凝土框架-抗震墙结构,A2采用框架结构;电子电气实验B楼由防震缝分成B1、B2、B3三个结构单元,B1采用钢筋混凝土框架-抗震墙结构,B2、B3采用框架结构;计算机楼采用钢筋混凝土框架-抗震墙结构。2结构设计2.1从混凝土施工质量角度区分建筑结构安全等级:二级;设计使用年限:50年;建筑抗震设防类别:丙类;抗震设防烈度:7度(0.15g),属第二组;多、罕遇地震影响系数最大值:0.16,0.90;建筑场地类别:Ⅳ类;特征周期:Tg=0.75s;按照天津市《关于提高我市学校、医院等人员密集场所建设工程抗震设防标准的通知》的文件规定,将地震动峰值加速度提高到0.20g,按8度进行抗震设计;基本风压:0.50kN/m2;地面粗糙度类别:C类;基础设计等级:丙级;±0.000绝对标高3.900m;框架-抗震墙结构中,抗震墙抗震等级为二级,框架抗震等级为三级;框架结构中,框架抗震等级为二级。2.2结构形式的对比分析物理楼A、电子楼B平面形状呈L形,平面尺寸较长(A1段:105×34m;A2段:71×33m),地上4层,结构高度18.250m。由抗震缝分为平面较规则的一字型建筑,其中A1带有23×23m方形入口,B2带有直径34m的圆形入口。计算机楼地上5层,平面开洞较大且凹口较深。由于本工程中各单体较为相似,本文仅以物理楼为例来介绍本工程的结构选型。对于A1楼,可供选择的结构形式有框架结构、带少量抗震墙的框架结构、框架-抗震墙结构,本文对三种结构形式进行简要的对比分析。(1)由于建筑层数较少,本工程首先考虑框架结构形式,经过计算,框架柱截面取为1000×1000才能满足规范规定的各项指标要求,框架柱的计算配筋也较大,且存在扭转不规则问题,由于柱断面较大,影响建筑使用,因此框架结构形式不适宜。A1楼具体计算指标如表1所示。(2)本工程利用楼、电梯间及建筑隔墙部位设置少量抗震墙,对应框架柱截面为800×800,虽与框架结构形式相比,柱断面减小,但由于剪力墙太少,导致抗震墙抗剪能力不足、抗弯计算超筋,且与抗震墙相连的框架柱均超筋。同时,建筑专业因使用要求,希望柱断面能进一步减小。A1楼具体计算指标如表2所示。(3)本工程利用楼、电梯间及建筑隔墙部位设置抗震墙,在洞口周边、凹口附近及结构角部尽量设置抗震墙,形成框架-抗震墙结构。框架柱截面为600×600mm,主要计算指标满足规范要求,同时该结构布置形式也满足建筑的使用要求。A1楼具体计算指标如表3所示。经过上述方案比较,A1楼抗侧力体系选择抗震性能较好的框架-抗震墙结构。A2楼因体型较规则,体量较小,经过计算比较,采用框架结构比较经济合理,该单体柱断面采用700×700,主要计算指标均满足规范要求,物理楼平面图如图2所示。3基础设计本工程地基基础设计等级为丙级。3.1海相沉积层和陆相冲积层根据天津市勘察院提供《岩土工程勘察报告》,该场地35.00m深度范围内,地基土按成因年代可分为以下7层:1)人工填土层。该土层厚度一般为0.40~0.60m,主要由耕土组成(地层编号1),填垫年限按小于10年考虑。2)全新统上组陆相冲积层。厚度1.60~2.70m,主要由粘土层(地层编号4)组成,属中(偏高)压缩性土。3)全新统中组海相沉积层。厚度11.40~12.70m,该层从上而下可分为3个亚层。第一亚层,淤泥质粘土(地层编号6a),厚度一般为3.80~5.50m,属高压缩性土。第二亚层,粉质粘土(地层编号6b),厚度一般为4.20~7.00m,属中(偏高)压缩性土。第三亚层,砂性大粉质粘土(地层编号6c),厚度一般为1.40~2.90m,属中压缩性土。4)全新统下组沼泽相沉积层。厚度1.60~3.10m,主要由粉质粘土(地层编号7)组成,属中压缩性土。5)全新统下组陆相沉积层。厚度3.70~8.00m,该层从上而下可分为2个亚层。第一亚层,粉质粘土(地层编号8a),厚度一般为2.20~4.30m,可塑状态,属中压缩性土。第二亚层,粉砂(地层编号8b),厚度一般为1.70~4.70m,密实状态,属中(偏低)压缩性土。6)上更新统第五组陆相冲积层。厚度一般为2.30~7.20m,主要由粉质粘土(地层编号9)组成。7)上更新统第三组陆相冲积层。该层土钻至最低标高-32.79m,主要由粉砂(地层编号11)组成,属中(偏低)压缩性土。3.2地下水抗浮设计水位取建筑室外地面标高以下0.5m。3.3堆栈参数根据勘察单位提供的地勘报告,本文给出桩基设计的相关桩基参数,如表4所示。3.4基本类型本工程拟采用桩基+独立承台基础形式,分别对预应力管桩和钻孔灌注桩进行设计,并作了对比分析和专家论证。3.4.1抗震施工地和厚层软土依据勘察报告中提供的桩基参数表,桩端持力层选为8b层粉砂,根据国标《预应力混凝土管桩》10G409,选用桩尺寸为PHC500A10022,桩端闭口的挤土桩,桩的最小中心距为4d(4.5d),桩端全断面进入持力层的深度大于1m,桩长不小于21m,单桩竖向承载力特征值Ra=800kPa,但在设计中遇到如下几个问题:(1)国标《预应力混凝土管桩》10G409总说明2适用范围2.1中指出,抗震设防烈度为8度且建筑场地类别为Ⅳ类时慎用;但天津的抗震设防烈度应为7度(0.15g)且建筑场地类别为Ⅳ类,由于建筑物的特殊性,提高到8度设计,所以不适用预应力混凝土管桩。(2)天津地标《预应力混凝土管桩技术规程》(DB29-110-2010)中3.1.1第(1)条厚层软土≥5m地区、无地下室时,民用建筑适用层数≤3层(高度≤10m)的规定,本场地有4个钻孔点2002、2003、2012、2016厚层软土≥5m,2个钻孔点2008、2018厚层软土接近5m;属于局部不适用。(3)天津地标3.1.4第(3)条,厚层软土地区抗震设防烈度为8度时,不宜采用预应力混凝土管桩。(4)天津地标3.2.3第(5)条,桩端全断面进入持力层的深度,对于砂土≥1.5d,当存在软弱下卧层时,桩端以下硬持力层的厚度≥4d【3d,国标3.3.3(5)】厚;本工程持力层砂土的厚度为2~3m,有的桩不满足此要求。(5)计算机楼由于建筑功能的要求,柱网为大跨(20m)+小跨(3m),在大小跨交界处荷载比较大,布置桩时,由于桩的承载力较小,易形成联桩承台,有的近30多个桩联在一起,给施工带来不便。(6)如果选9层土作为桩端持力层,可以增加桩长、提高单桩承载力,Ra=1000kPa,但要求桩穿透8b层的砂土层,本层土厚度3~5m,不利于管桩的施工,需做引桩施工,给施工带来难度。3.4.2灌注桩设计原则基于采用预应力混凝土管桩存在以上六个问题,我们请专家进行了论证,最后专家建议采用钻孔灌注桩,并且要求加长桩长,提高桩基础的利用效率。基于地勘提供勘查深度为35m,桩基参数只给到9层,桩长只能做到27m,因此桩长受到限制,灌注桩的经济性难以发挥。因此,笔者和专家一致认为,由地勘单位重新给出补充勘察资料,增加11a层土的桩基参数(表4),以保证我们的设计经济合理。钻孔灌注桩选用600,桩的最小中心距为3d,桩端持力层为11a层粉砂,桩端全断面进入持力层的深度,对于粉砂≥2.0d且桩长≥35m,单桩竖向承载力特征值Ra=1600kPa。桩顶标高相对于±0.000为-2.000m,承台顶标高-1.000m,与首层现浇钢筋混凝土梁板接近,因此在承台处未布置拉梁,只是加大首层楼板下柱子截面,增大水平刚度,以保证水平力的传递。3.5桩基抗震承载力验算由于本场地为抗震不利地段,对桩基考虑四种工况的地震作用EX左max、EX右max、EY上max、EY下max进行桩基抗震承载力验算。4技术措施4.1分配钢筋结果配筋(1)剪力墙水平钢筋超筋:说明剪力墙抗剪不够,采取增加墙厚、提高混凝土强度等级、调整剪力墙布置等措施。(2)有端柱剪力墙配筋:方法1:剪力墙与端柱本为一体,但SATWE计算配筋时将柱与墙在不同工况下的最大值分别给出,然后将两个配筋组合配在边缘构件里,这样会造成边缘构件配筋非常大且很不合理。应该是端柱和墙共同计算得出暗柱配筋,将它配在边缘构件里。采取对有端柱剪力墙在建模时不计端柱,将计算的暗柱钢筋配在有端柱的边缘构件里,同时如为约束边缘构件则应满足(JGJ3—2002)7.2.16条的规定,如为构造边缘构件则应满足(JGJ3—2002)7.2.17条的规定。方法2:从SATWE计算配筋结果看到:剪力墙与端柱不是同一工况的配筋结果,按同一工况计算端柱和墙的配筋,将它配在边缘构件里。例如:取某有端柱的剪力墙段,在SATWE计算结果中,端柱与暗柱的总配筋量为288cm2,而在同一工况下,通过手工复核得到的端柱与暗柱的总配筋量为180cm2,可见SATWE对于有端柱情况下的暗柱配筋计算结果偏大。(3)剪力墙暗柱超筋:说明剪力墙刚度太大或太小,对于刚度大的墙肢,可以采取开洞、减小墙长或减小墙厚的方法弱化剪力墙刚度;对于刚度小的墙肢,采取加厚墙体或加长墙肢,以加大剪力墙刚度。也可加大竖向配筋率,减少暗柱配筋。4.2连廊节点下平面尺寸不同物理实验楼A楼和电子电气实验楼B楼,平面形状均呈L形,平面尺寸为105×34m和120×35m,考虑到结构平面的规则性,在连接较弱处设置防震缝,把建筑物分成平面较规则的一字型建筑,称为A1、A2楼和B1~B3楼。A1、B1楼采用钢筋混凝土框架-抗震墙抗侧力结构体系,对于A1楼二层楼板由三个2.1m宽连廊连接上下平面,A1、B1楼三层~屋顶层的平面局部凹进较多,造成平面不规则,C楼因中间部位开洞较多,造成左、右两部分连接较弱,对此我们采取如下措施:(1)加大楼板厚度,楼板采用双排双向配筋,加大楼板及梁的配筋率;(2)简化计算连廊处梁板内的拉力,并按此拉力配置楼板钢筋,梁按拉弯构件计算配筋,腰筋按受力配筋形式设置;(3)整体计算采用弹性板弹性膜假定计算,保证结构内力计算的合理性;(4)在连接较弱的部位周边,设置双向剪力墙,增强薄弱部位的竖向刚度,保证水平力的传递;(5)在承载力计算中,A1楼按照考虑连廊和不考虑连廊两种模型分别计算并进行包络设计。C楼因中间部位连接较弱,采取从中间切开按两个单体计算与连为一体计算进行包络设计。B2楼部分主要是结构开洞较多,存在明显不规则。圆弧部分也可以看作是围护结构,因为大部分柱子与主体结构没有连接,所以圆弧上的柱子,一方面验算柱子的强度和稳定性,另一方面也可作为围护结构的构造柱来进行设计,适当放宽位移限制,适当放松抗震构造措施。4.3刚性楼板假定主体结构采用PKPM进行结构整体分析及方案优选比较,抗震分析时考虑扭转藕联效应和双向地震效应影响,采用总刚算法进行计算。验算结构最大水平位移和层间位移与其相应楼层位移的平