高层建筑综合办公楼结构设计探讨

高层建筑综合办公楼结构设计探讨

摘要:本文作者通过应用SATwE和PMsAP两套分析软件结合工程实例就高层建筑综合办公楼的结构设计和分析进行了详细阐述。同时得出了结构在地震作用下内力和位移等结果的一些特殊问题的特殊处理进行了探讨。

关键词:不规则建筑扭转转换层

1 工程概况

某高层建筑综合办公楼地下3层,地上26层,总建筑面积为63251m2。其中地下室建筑面积13273m2。地下室层高4.00m、3.60m,首层层高4.00m,标准层层高3.80m,建筑物总高98.80m。主体结构采用框架一剪力墙结构,楼面为钢筋硅梁板体系。建筑物士0.00相当于绝对标高14.00m。

2 基础及地下室设计

(1)基础选型。根据本工程的岩土工程勘察报告,工程地质自上而下为:人工填土、粉质粘土、淤泥、粉质粘土(可塑)、粉质粘土(硬塑)、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩。地下水埋深介于0.80～1.16m之间,对混凝土结构不具腐蚀性。场地为中软土场地,属Ⅱ类,抗震不利地段。地基基础设计等级为乙级。工程主楼采用钻孔灌注桩(墩)基础,桩(墩)径。Φ1200～Φ2400,桩混凝土强度等级

C30。桩(墩)基持力层选用微风化泥质砂岩,桩(墩)端进入持力层不少于600mm,桩长约3.0～7.0m。

单桩(墩)的竖向承载力特征值按省《建筑地基基础设计规范》(DBJ15－31－2003)有关公式计算:Ra=Rra+Rpa=UpC2frshr+C1frpAp 地下室底板采用平板式结构,板厚1000mm;地下室侧壁厚度450～350mm;地下室顶板室外露天部份板厚200mm,其余板厚180mm,主梁截面400×1000mm、500×1000mm,次梁截面300×700mm,250×700mm。地下室混凝土抗渗等级S12。

(2)地下室杭浮设计。三层地下室部份由于荷载较轻,若地下室底板己位于强或中风化泥质砂岩上,可采用天然地基上的独立基础形式,另加抗浮措施:在地下室底板设置Φ150抗拔锚杆,锚杆进入中风化泥质砂岩3m。使地下室抗浮稳定性安全系数大于1.05。

3 主体结构设计

(1)结构选型。本建筑采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系。由于建筑平面狭长,y向扭转效应严重,因此在结构布置上,经过多次调整,利用建筑物角部梯间设置剪力墙,并加大角柱截面及端部y向框架梁截面以增加结构抗扭刚度。为减少结构刚度的不对称性,使结构刚心和质心尽量靠近,适当加厚①、②轴梯间剪力墙厚度,降低结构的扭

转效应。(2)主要构件截面尺寸(见表1)。(3)混凝土强度等级(见表2)。

(4)结构内力分析及主要结果。结构采用中国建筑科学研究院PKPM 建筑工程软件《多高层空间有限元分析SATWE》进行计算分析,然后用该院《特殊多高层建筑结构分析程序PMSAP))对主要计算结果进行校核。

具体做法:1)本工程计算时考虑了扭转祸连作用。2)建筑物局部楼层平面凹进尺寸大于相应投影方向总尺寸的50%,因此在程序计算中分别按刚性楼板和弹性膜楼板进行计算,考虑了楼板变形对结构抗侧力的影响。3)根据《高层建筑混凝土结构技术规程》规定,本工程刚度分布明显不对称,所以计算了双向水平地震作用下和单向地震加偶然偏心作用下的扭转影响。两者取较大值。4)根据同一规程,本工程采用弹性时程分析法对构进行多遇地震下的补充计算,选用两条实际地震波和一条人工波的加速度时程曲线,地震波持续时间大于12秒,时间间隔0.01秒,输入地震加速度35cm/s2。5)主要计算结果(见表3、表4)。

(5)计算结果分析,图3。Satwe和PmsaP两种分析软件的力学模型均用杆单元模拟梁、柱,壳单元模拟剪力墙,因此均能反映结构构件实际受力情况。两者计算结果相近。(1)根据SATWE结果,本工程满足((高层建筑混凝土结构技术规程》规定的各项位移及刚度要求。(2)根据PMSAP计算结果,各层平面的楼板弹性拉应力一般小于0.4MPa,局部应力集中处拉应力最大为0.5MPa。该最大值小于混凝土抗拉强

度。地震作用下,各层平面的楼板弹性剪应力一般小于0.4MPa,局部应力集中处剪应力最大为0.90MPa。可见所采用楼板厚度满足要求。(3)根据省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)辛卜充规定:①本工程部分楼层平面凹进尺寸大于相应投影方向总尺寸的50%,属于楼板局部不连续,平面不规则。②本工程有两条上部结构柱通过转换梁转换到下部结构,属于竖向抗侧力构件工类不连续,竖向不规则。

③本工程部分楼层的扭转位移比大于1.2,但所有楼层的扭转位移比均小于1.35,属于工类扭转不规则。④综上所述,本工程属于不规则结构,但不属于特别不规则结构,不属于超限高层建筑。

4 设计上的一些特殊处理

针对前面所述工程特点,设计采取如下措施:(1)超长混凝土结构处理。本工程横向长度已超过规范规定设置伸缩缝的限值,因此通过控制混凝土配合比,减少水泥用量和用水量,掺加粉煤灰和合适的外加剂,降低硅水化热,适当增加楼板配筋率以防止温度应力导致混凝土开裂。除上述措施外,在结构平面分别设置两条加强带减少混凝土干缩带来的影响。(2)结构平面不规则的处理措施:本工程结构平面楼板开洞或平面凹进较大,因此在计算中引入弹性板假定,用有限元计算程序计算楼板正应力和剪应力,在应力集中部位采取加厚楼板,提高配筋率,洞口边缘设置边梁等措施予以加强。(3)转换梁处理措施。由于建筑功能的要求,⑦～⑧x(C)轴的两条框架柱不能直接落地(影响地下室车道的使用),设计利用地下一层层高较大的条件设转换梁将上部柱荷载转换至下部结构上。对于本工程地下一层所设置的转换梁,通过加宽梁截面,来满足梁的受剪截面承载力要求,确保转换梁硅不产生脆性破坏。为满足使用功能,局部柱子采用C60高强混凝土,既减小柱截面又满足轴压比限值要求。

5 设计体会

当前,高层建筑设计中的超限问题越来越多。为保证建筑造型和功能两方面的要求,结构设计要对梁柱截面、楼板厚度、剪力墙布置、材料、局部位置的加强等进行多次调整才最终确定满足规范要求的结构方案。

参考文献

[1]吕西林,李学平．超限高层建筑工程抗震设计中的若干问题．建筑结构学报,2002,23(2).

[2]董金梁.上南花苑城D区平面不规则高层建筑结构设计.建筑结构,2002,32(4).

[3]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002,J186-2002).中国建筑业出版社,2002.

[4]中国建筑科学研究院PKPM系列,多层与高层建筑结构空间有限元分析与设计软件(墙元模型)SATWE.2005.