重庆世界贸易中心工程结构超限审查送审报告[详细]

1、第十八届全国高层建筑结构学术会议论文 2004年重庆世界贸易中心工程超限高程建筑结构设计介绍郑生庆 赵启林(重庆市设计院,重庆400013) (重庆市设计院,重庆400013)提 要 本文介绍了 重庆世界贸易中心超限高层建筑结构设计的概况,钢管砼柱及穿芯式节点设计,岩石深基坑地下洞室间壁加固设计.关键词 超限高层建筑、钢管砼柱、穿芯式节点、岩石深基坑一、工程概况 图1工程地处重庆市渝中区解放碑闹市区商业黄金地 剖面图 带.总建筑面积约128000米2,裙楼52900米2,主楼约 图2 75100米2. 总层数为65层,其中地面以上60层,地下 5层;裙楼16层(包括地下室),主楼49层.从0.

2、000郑生庆,男,1944.3出生,教授级高工 起算建筑高度234.4米,该建筑裙楼为百货综合商场,地下部分为设备用房及停车库,主楼的功能为公寓式写字间,上部为餐饮娱乐观光,顶部设有直升飞机停机坪,主楼设三个避难层兼设备用房. 二、结构方案简介 塔楼平面为等边三角形截角后形成的六边形(详图3).从0.000起算高度为234.4米.建筑高宽比H/B=234.4/38.46.核心筒高宽比:H/B1=234.4/17.9=13.塔楼结构方案选用钢筋砼筒中筒结构外筒柱网4.059.6米 ,采用钢筋砼梁转换为8.19.6米,框支柱均采用1.5米直径的钢筋砼柱,现浇楼面的梁与钢管柱连结采用穿芯式节点作法.

3、五层地下室(24米)采用加强处理的钢筋砼楼板及侧墙,核心筒下为筏板基础,嵌入完整岩石中4.5米,柱下为人工挖孔嵌岩桩基础,形成高层建筑的可靠嵌固基础.裙楼部分采用钢筋砼框架结构. 图3 三、电算分析及主要构件尺寸用料:1 结构主要构件的几何尺寸砼强度等级塔楼筒体截面尺寸楼层-523151621222728323361长边外墙900800700600500400角部外墙1000900800700600500内墙250300250300250300250300250300250300塔楼外框筒柱截面(12层夹以下为钢管砼柱)楼层-51212夹131819242538夹293536角柱1500150

4、01400120012001000800框筒柱1500150080014007001400600140050014004001400塔楼外框筒梁截面楼层-59夹101212夹13535461(停机坪层)框架梁50060050070015004000(转换梁)350120035025005004500(空腹桁架梁)结构砼强度等级楼层-5781212夹132828夹363744454661墙C60C50C50C50C40C30C30C30柱C60C50C50C50C40C30C30C30梁C30C30C50C30C30C30C40C302.电算分析:本工程结构平面异形,梁系布置较复杂,带有转换层,

5、且属超限高层建筑.为了 保证计算结果的可靠,选用TBSA5.0作基本计算,选用Satwe作补充计算,选用PKP米系列的“动力时程分析”程序作弹性动力时程分析,选用PKP米系列的“框支有限元分析”程序及“SAP2000、ANSYS”有限元分析程序对转换大梁等重要构件、特殊构件作有限元验证分析.基本风压0.4KN/米2,按7度抗震计算,场地类别I类.塔楼电算结果表 电算方法计算内容TBSASATWE动力时程自震周期T14.604.47T31.871.81T51.251.18T180.220.23地震作用地震作用方向XYXYXY基底剪力(KN)21431213802645.8626794.45320

6、69.3734044.86基底弯矩(KN.米)26300522694032915447.2313288.03059617.73387303.2剪重比Qxo/WT1.11.341.63Qyo/WT1.091.361.73结构顶点位移U146.65128.91125.17122.10144.05142.15U/H1/16731/19031/19611/20101/17071/1730结构层间位移u15.5812.833.091.743.483.28h1/11751/13871/13581/14981/12061/1282风荷载作用风荷载作用方向XYXYXY基底剪力(KN)15215.731678.

7、2218447.920596.5基底弯矩(KN.米)213638.0228798523560212591143结构顶点位移(米米)U119.9107.66117.68118.97U/H1/20461/22791/20861/2064结构层间位移(米米)u12.4411.162.652.72h1/15311/16931/15841/1542注:动力时程结构刚度验算(按新高规要求)1、结构整体稳定验算: X向刚重比EJd/GH2=4.84 Y向刚重比EJd/GH2=5.02EJd/GH2=2.71.4满足高规的整体稳定验算要求,并可不考虑重力二阶效应.2、各层侧刚比满足高规范要求,不存在突变层.3

8、、转换层上、下侧刚比满足规范要求.e=1.151.3.从以上计算结果可看出TBSA5.0,Satwe,弹性动力时程分析的计算结果基本吻合,电算结果可信.地震荷载起控制作用.四、结构抗震概念设计从电算分析结果可知本结构整体刚度较好,地震周期、位移、各层侧刚比、转换层上、下层侧刚比均满足规范的要求.为实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计目标,按 “弱梁、强柱、节点更强”的原则,“耗能设计”的原则,对电算反映出的薄弱层,结构重点部位和关键承重构件作抗震概念性加强处理:1、核心筒剪力墙是抵抗地震力的主要结构,采取下列加强措施:筒体剪力墙加强区(-5层13层)内暗柱配筋.筒体角部配筋,适当提高配筋

9、率;墙体分布筋配筋率提高为0.35%0.5%.严格控制剪力墙的轴压比在0.6以内.2、外框筒采取下列加强措施:转换层框支下采用抗震性能优越的钢管砼柱结构,加强框支柱的变形性能和耗能能力.转换梁以上一层的框筒柱提高了 30%的配筋率,加强其抗震性能.外框架筒角柱配筋面积为中柱的1.5倍予以加强.控制框筒柱的轴压比在0.8以内.3、在三个避难层及塔楼顶层设置能提高外框筒受力性能、加强整体性的环梁.4、地下室24米,周边侧墙与基坑岩体紧密结合,并加厚楼板尺寸,能较好的满足超高层建筑的嵌岩要求和整体稳定要求.5、重庆抗震设防烈度为六度,但根据重庆市地震办的初设审查意见,本工程按七度抗震设防(满足建设部

10、59号令对超限高层建筑抗震设防的要求).五、钢管砼柱设计 本工程外框筒体转换梁以下采用了 27根1500米米直径的钢管砼框支柱,壁厚25,16米米钢,内填C60高标高砼,砼中掺入UEA-H砼微膨胀水泥.现浇楼面梁与钢管柱采用”穿芯式”节点作法(详图4)该钢管砼柱方案突出优点为:1.抗压承载力高,可减小柱截面,满足裙楼商场和车库功能的需要.钢管对砼芯柱的套箍约束作用,使砼处于三向受压状态,穿芯节点照片 从而大幅度提高砼抗压强度和变形能力,借图4 助砼增强了 钢管壁的稳定性,因此与钢筋砼柱相比,钢管砼由于抗压承载力高且可不限制砼轴压比,因而在高层建筑中应用时可减小截面50左右.2.可以安全可靠地采

11、用高强度砼.钢管对高强度砼的套箍约束作用,防止高强砼的脆性爆裂并改善柱的延性,可以充分发挥高强砼的抗压能力.3.提高构件的变形能力,改善结构抗震性能.由于柱截面减小,自重减小,地震作用引起的地震反应和构件内力也相应减小.4.较好的经济性.钢管柱与同等承载力的钢筋砼柱对比,可节约砼用量50,木模全部,总用钢量基本持平,综合造价大体相同,与同等承载力的劲性砼比较,用钢量可减小40左右,综合总造价低320万元左右.5.钢管砼柱的防火性能高于钢柱、钢筋砼柱和劲性砼柱.6.采用”穿芯式”节点作法,能更有效地适应建筑平面异型,楼面梁受力钢筋较多的情况,减小现场节点焊接量,传力直接可靠.7.砼中掺入UEA-

12、H水泥,可减小高标号砼收缩量,在钢管内产生一定量的预应力,更有效地保证钢管与砼共同受力,协同变形,提高钢管砼的组合刚度和减少压缩.六、深基坑支护设计 本工程基坑开挖总深度24.5米,上部有4-6米深人工杂填土,坑顶邻近临时性砖混建筑,基坑开挖时填土段不稳定.下部为厚层砂岩、泥岩(其frk=19.5米pa),岩体结构完整无外倾向坑内影响岩石边坡整体的弱结构层,仅有局部外倾角80度左右的构造裂隙面,基坑开挖时有局部掉块可能.按GB50330-2002建筑边坡工程技术规范中岩质边坡分类标准,该岩石边坡可定为I类边坡,其特征为基坑边坡整体稳定性高,可出现部分区域掉岩块现象. 为确保基坑开挖时土坡及邻近

13、建筑物安全,本工程采用排桩锚杆挡墙支护.锚杆挡墙土压力取主动土压力的1.3倍,以达到控制锚杆挡墙变形过大对邻近建筑物产生的不利影响.基坑岩石段作边坡整体稳定支护处理,对可能掉块(沿外倾80度结构面滑移)区域的岩石边坡采用锚钉支护.开挖期间对岩石边坡进行了 变形及应力监测的动态管理,实测资料反映,岩石边坡开挖后向坑 内弹性卸荷位移为2-3米米,表明岩石基坑的整体稳定性较好.七、深基坑与地下人防洞岩石间壁加固设计 1. 加固设计方案本工程基坑侧壁与邻近洞室岩石间壁最小尺寸约2米(详图5),地勘报告按传统方计算(岩石卸荷拱上完整岩体和填土折算或荷载作用在拱上),洞室拱脚推力300KN/米,需要间壁1

14、2米厚才能确保基坑侧壁稳定,由此将使工程地下室难以实施,我们认为将完整岩石作为荷载作用在岩石拱的计算方法过于粗糙,误差过大,未能真实地反映岩石拱上完整岩体的抗力.工程实施中改用了 以下综合处理方案: 改用有限元数值计算方法,真实反映 图5 人防洞处基坑剖面 拱顶巨厚层岩体的抗力作用.在拱脚处加设水平预应力高强精轧钢拉杆,32直径,共39根,以平衡拱推力,减小岩石间壁负荷. 逆施工法开挖基坑时,采用全粘结锚杆及压力注浆,对岩石间壁结构面和岩体加固处理.在岩石间壁内设置量测锚杆,测定间壁的受力状况,同时量测拱脚钢拉杆应力,以便及时反馈信息,保证安全,指导施工,完善设计.2.有限元数值计算计算模型:

15、将地面覆土和建筑以加载形成处理,岩体均视为弹塑性介质,计算范围取洞底以下两倍半径,边墙侧面取4倍半径,岩石间壁宽度取2米和4米两种情况,采用德鲁克-布拉格准则进行有限元分析(计算参数和结果表略)计算结果与分析:2米岩石间壁可维持系统基本稳定,但安全储备较低,间壁岩体出现条形塑性区,屈服面积约为7米2,不能作为实施方案.当采用4米厚岩石间壁,系统为线弹性稳定.由于拱效应作用,洞室外侧拱脚高度处岩壁水平截面上的总剪力,仅335355kN,拱脚水平推力不大,因而安全储备较高.此外,支洞两侧垂直压力相差不大,表明4米厚间壁时洞两侧受力比较均匀,无明显应力集中现象,因而可以作方案. 计算表明,洞室拱脚处

16、,切坡后的水平位移仅1.97米米,因而在拱脚处设置非预应力拉杆时难以发挥作用,单根拉杆的内力仅18kN,作用不大,故加固锚杆必须设置预应力.3.现场量测结果在4米厚的岩石间壁中水平放置,二根22量测锚杆,量测锚杆两端设钢筋传感器,最终测得锚杆最大拉力15.5KN,则锚杆应力为40.8米pa,应变为0.194米米,算得岩力应力为0.85米pa,反映出岩石间壁受力不大.在拱脚加设的预应力锚杆上设置的钢筋应力传感器,实测拉力从原80KN预应力(初始 )增大为100.5KN,算得锚杆应力为115.6kPa(远小于高强钢筋设计强度750米pa)4.结论传统简化方法算得拱脚推力保守,应当充分考虑完整岩体整体抗力作用,否则会使算得的间壁最小厚度偏大.只要计算参数选用正确,采用有限元法计算拱脚推力是可行的,计算结果误差较小,与实测结果比较相近.本工程采用的综合治理方案取得成功为类同工程处理提供了 可借鉴的经验.八、结语1.超高层底部带框支的钢筋砼筒中筒结构,采用钢管砼柱,具有截面小,承载力高,抗震性能优,较经济的综合优点,应在工程中推广使用.2.穿芯式节点方案,具有传力直接,受力清楚,减小现场焊