大厦结构设计探讨
关键词：高层双塔连体结构;平扭耦联效应;弧形混凝土箱梁
1工程概况
大厦建筑面积3.9万m2,建筑平面为弧形,外弧长133.34m,内弧长126.38m,未设缝。建筑主体宽度22.2m,建筑高度72.9m,地上16层双塔,地下1层。在地上1层及地上12～14层两塔相连,连体跨度长边为31.86m。地下一层为设备间,兼作人防地下室,地上一层为净化实验室。入口设在二层,由地面设置大台阶通向二层入口。二层以上两个塔为研究室、办公室,12～14层双塔连体部位使用功能为研究室,多功能厅,在连体14层顶设置一层钢结构,即15层,使用功能为展厅,双塔16层为学术报告厅(建筑立面见图1)。
该建筑设计使用年限50年,基本雪压0.35kNPm2,基本风压0.65kNPm2,土壤冻结深度1.7m,结构安全等级二级,丙类建筑,抗震设防烈度7度,设计地震分组为第一组,场地土类别Ⅱ类。
2结构设计
2．1地下结构
地下结构除满足建筑使用功能、上部结构要求外,尚需按六级人防要求进行设计。
2．2地上双塔部分
根据使用功能及抗震设计的要求,经分析比较,确定采用钢筋混凝土框架剪力墙结构,主柱网为8.26m×7.2m;柱截面:地下1层～地上10层除与连体相接处的⑦、11轴为1150mm×1150mm外,其余为800mm×800mm,地上11层～15层700mm×700mm,15层～16层650mm×650mm;剪力墙截面:地下一层400mm,地上1层～3层350mm,4层～11层300mm,12层～16层250mm;楼板厚度:地下室顶板250mm,地上一层150mm,双塔2～16层120mm;主框架梁350mm×650mm,次框架梁350mm×600mm,次梁250mm×550mm,混凝土标号C40。
2．3连体部位
(1)设计参数确定
连体部位是该工程的设计难点,该连体在地上12～14层处相连,连体部分为弧形平面,曾先后对比了预应力结构、钢结构、钢筋混凝土几种不同形式的连体结构设计,考虑被连接两塔完全对称,且塔宽与连体高度的尺度在同一数量级上,通过混凝土箱梁的合理设计,应能取得较好的结构性能和经济效果。在综合分析了施工难易程度、结构合理性、经济性等因素后,确定采用弧形钢筋混凝土箱梁作为连体结构体。箱梁与两侧双塔刚接,两侧各伸进塔内一跨(结构布置见图2)。由于该结构具有尺度长,弧形平面,且双塔高位相连等特点,扭转振型非常突出,平扭耦联效应明显,经过上百次试算,寻找规律,最后确定出合理设计参数,使这种效应得到平抑。
箱梁设计参数如下:墙:纵墙350mm,横墙从支座边缘向中间分别为300mm、350mm、250mm、250mm;板:11层250mm,12～14层200mm;混凝土标号:11、12层C50,13层C45,14层C40。
(2)构造措施
通过有限元弹性分析,可以看出,两侧塔身与连体箱梁形成类似拱的受力形式(见图3),而这个“拱”能否非常合理、均匀地受力、传力,与两侧塔身和连体箱梁的刚度匹配有关,而箱梁自身的拉区、压区的合理分布与箱身的纵横墙的洞口布置有关,根据多次对比分析结果,设计中在拉应力较大区,避免了开设较大洞口。从应力图可以看出洞口角部拉应力较大,设计上在洞口角部设置了抗拉斜撑,而在塔身与箱梁边缘位置产生应力集中处,设置结构腋。为解决建筑跨度较大易产生温度应力和收缩裂缝问题,连体部位施工时在箱梁端部设置了后浇带,在中部设置加强膨胀带(间距28m)。
2.4结构计算
该工程结构计算采用中国建筑科学研究院编制的高层建筑结构有限元分析软件SATWE计算,用PMSAP复核,其主要计算结果见表1。
表1主要计算结果
3基础设计
3.1工程地质土层分类见表2。
表2土层分类
3.2基础方案确定
结构设计中一层地下室底板标高为-5.52m,对应此标高土层为可塑偏软粉质粘土,承载力标准值为180kPa。双塔式连体结构其在基底范围内产生的压应力相差悬殊,塔下荷载很大,不宜按天然地基考虑基础形式,因此设计人员对两种不同的桩基础形式进行了比较。
从地质资料中可以看出,该工程场地粘土层较厚,达30余m,岩层分布较深,如果选在岩层作为持力层很不经济。据长春工程地质经验,长春粘土为超固结土,其硬塑状态粘土具有很好的工程力学性质,因此桩尖持力层可选择在第8层硬塑粘土层。
桩型比较了大直径人工扩底桩和静压桩两种形式。在直接造价上,采用大直径人工扩底桩要经济一些,但结合工期、质量、施工便捷性等因素,静压桩更具有可选性。设计中采用了静压桩,桩截面400mm×400mm,桩顶标高-6.57m,桩长16m,桩尖深入第8层粘土不小于1.0m,其单桩承载力特征值1250kN。
试桩时终压值为2090kN,即为特征值的1.8倍,桩基施工完毕后,进行了桩的完整性检测及静载荷试验检测竖向承载力,综合评定桩极限承载力为2430kN,与设计所确定极限承载力2500kN误差不超过5%,证明试桩所确定终压值是合理的。
4连体部位施工方案的确定
连体部分跨度(⑥～lw轴)长度57.82m,长边跨度31.86m,宽度18.6m,箱梁底标高46.65m,整个连体部分由三层混凝土箱梁组成,施工期间荷载总重达45100kN。设计要求施工过程要保持箱梁混凝土的连续浇注,不设施工缝,采用掺加UEA膨胀剂混凝土,以补偿由于水化热引起的混凝土收缩。
连体部分施工方案的确定是一个难点,经过反复论证,施工单位确定采用钢结构支撑体系做箱形连体施工平台。以两塔内侧边柱及中间9个钢格构柱,作为竖向支撑构件,其上搭建水平网架作为施工平台。施工平台采用的是钢管桁架结构,焊接连接。
首先,负荷45100kN的钢结构支撑体系用钢量是相当惊人的,因此设计人员要考虑充分利用箱梁混凝土自身刚度作用,以最大限度减少施工平台所承担的施工荷载。经过分步试算分析,按最不利工况确定支撑体系荷载设计值为21443kN。为了保证施工期间箱梁和施工平台能够共同工作,分担竖向荷载,要求施工严格按分步要求实施。连体施工分四个步骤进行:第一步,施工连体底部的加强梁和一层箱梁的底板。当第一步施工完成,混凝土强度达到100%之后,进行第二步施工。第二步,浇筑一层箱梁的墙和顶板,此时未形成箱梁,其墙、顶板均作为荷载加在托梁上,为最不利工况,待该部分强度达设计值100%之后,进行第三步施工。第三步施工时,一层的箱梁已形成,可以与施工平台共同承担上部荷载,继续浇筑二层箱梁的墙体和顶板,待第三步施工的混凝土强度达到100%时,进行第四步施工。第四步施工时,下两层的箱梁已能与施工平台共同起作用,继续浇筑三层箱梁的墙体和顶板,强度达到100%之后,形成完整三层箱梁。