带连体的高层综合办公楼的连体结构设计

第27卷第4期2006年8月

河南科技大学学报:自然科学版

Journal of Henan University of Science and Technology:Natural Science

Vol.27No.4

Aug.2006

作者简介:齐煜(1970-),男,河南洛阳人,高级工程师,一级注册结构师.收稿日期:2005-11-23文章编号:1672-6871(2006)04-0059-04

带连体的高层综合办公楼的连体结构设计

齐煜,杨平,赵广名,杨俭,万叶青

(机械部第四设计研究院,河南洛阳471039)

摘要:结合河南省洛阳市洛龙区行政中心综合办公楼的设计,探讨了连体结构选型、结构计算及经济分析等问

题。研究表明,连体结构的地震扭转效应特别明显,连接体桁架的布置方式及楼板刚度对整体结构的计算结

果十分敏感,设计时应用多种软件计算并比较分析,选择合适的连体结构形式。另外本文还重点论证了连接

体钢结构方案的优越性。

关键词:高层建筑;连体结构;多层钢桁架;结构设计

中图分类号:TU973.13文献标识码:A

0前言

高层建筑连体结构是近十几年来发展起来的一种新型结构形式,一方面通过设置连体将不同建筑物连在一起,使其在功能上取得联系;另一方面由于连体结构独特的外形,带来建筑上强烈的视觉效果。由于连体结构要协调各建筑物之间共同作用,受力复杂,扭转效应明显,结构设计难度较大。目前国内此类建筑还很少,在对带连体的某高层综合办公楼的连体结构设计过程中,本文针对连体结构的特点进行分析并得出一些研究结论。

1工程概况

本工程是位于河南省洛阳市洛南新区的洛龙区政府办公大楼,建筑方案由北京市建筑设计研究院完成。建筑物平面形状为/U0型,长88m,宽62m,地下1层,地上16层,总高度为67.10m,地上建筑面积32000m2。东西两侧主体11~15层连为一体,形成跨度32m的凯旋门式结构,屋面上部为6m高的钢结构飘架。设计要求为:(1)建筑抗震设防分类为丙类建筑。(2)建筑结构安全等级为二级。(3)本工程/U0型平面凹口较大,且在建筑要求上不具备再分割的可能,属平面不规则结构;建筑物两侧竖向连体,属竖向不规则结构。本工程属复杂高层建筑,结构抗震等级提高为一级[1-3]。

2主体结构选型

该工程主体为高层框架-剪力墙结构。在楼层四角利用楼、电梯间布置了四个钢筋混凝土剪力墙筒体,墙厚从下至上350~200;框架柱中间部分柱距8@8.8,底部截面900@900,上部收至600@600;周圈框架柱利用建筑物的外立面,将柱距缩小为4m,主要是柱距缩小后可增加整体结构的抗扭。剪力墙及柱混凝土强度等级从下到上为C50~C30;楼板及楼层梁混凝土强度等级均为C30。

3连体部分结构方案比较

该工程连体跨度为32m,宽度为16m,连体部分共5层,层高4m,连体总高度20m,连体部分包含6层楼盖,连接体结构刚度比较大,能够将各塔楼连接起来整体受力、变形。连接体与塔楼之间采用强连接的方式。

3.1连体部分钢结构方案与混凝土方案的比较

连体部分混凝土和钢结构两种方案的桁架形式见图1,计算结果见表1。

(1)混凝土方案:在连体部位布置三道混凝土巨型桁架。(2)钢结构方案:

在连体部位布置三道钢桁架。

图1 混凝土桁架(左)和钢桁架(右)的立面图

表1 计算结果及造价比较表

桁架方案平动第一周期T 1扭转第一周期T t Tt/T 1桁架杆件应力是否满足

桁架最大弹性挠度/mm 用钢量/t 混凝土用量/m 3混凝土方案 1.03880.86870.830是9.85556.02168钢结构方案

1.0574

0.1780

0.178

是

11.64

709.1

768

从两种方案比较结果来看,结构受力都能满足,但由于连体跨度较大,连体层数较多,如采用混凝土方案,结构自重较钢结构方案增加约3347t,结构梁、柱、斜撑等构件断面也很大,建筑师要求底部两层结构构件裸露在外,势必影响立面美观,况且自重的增加也会造成连体两侧柱、剪力墙、基础造价的增加。此外连体部位较高,又是巨型桁架结构,结构要求必须在全部桁架构件达到强度后方可拆除模板,这样模板要能承受连体部位的全部荷载,混凝土支模在技术上会有很大困难,支模总费用大约200万元,造价会增加很多,拆模又要考虑桁架的受力,以免模板突然拆除使桁架瞬时加载造成不利影响。如采用钢结构方案,桁架截面尺寸和结构自重得以大副度减小,可满足建筑立面造型的要求,体现了建筑的轻盈、空透、现代的鲜明特征,增加建筑使用面积。钢结构施工速度快,无须模板支撑,综合造价比混凝土经济很多。因此最终优先选用钢结构方案[4]。

3.2 桁架布置方案的比较

连体采用钢结构方案时,在连体底部布置钢桁架,比较了五种桁架布置方案(见图2),数据见表2

。

图2 钢桁架方案

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表2 各方案数据比较表

桁架方案周 期

平动第一周期T 1扭转第一周期Tt

Tt/T 1

是否满足桁架杆件应力是否满足

桁架最大弹性挠度/mm

用钢量/(kg/m 2)方案A 1.0825 1.03660.96否是12.64128.3方案B 0.99660.81450.82是是 6.16142.7方案C 1.0500.17830.17是是11.94125.7方案D 1.04060.17800.17是是11.30109.8方案E

1.05740.1780

0.17是

是

11.64

109.8

计算结果表明:5种方案桁架各杆件的应力值及桁架最大弹性挠度均在规范规定范围内;第一扭转与第一平动周期比,方案A 不满足规范要求,方案B 虽满足,但第一扭转周期较大,扭转效应还是比较明显;再综合比较用钢量,方案D 和E 比较理想。结合建筑方案立面效果,最终选定方案E 为结构设计方案。3.3 采用E 方案时桁架弦杆(横梁)截面大小的比较

在设计过程中,对桁架的横梁做了调整,进行对比计算。结果见表3。

表3 内力对比表

序号横梁截面

M max /k N #m V max /kN N max /kN 1H750@450@16@241374.5460.754222H650@450@14@221105.4394.252643H550@450@14@20859.7332.451424

H450@450@14@18

645.3

276.6

4991

计算分析表明:桁架的横梁在各截面下所承受的轴力变化不大,弯矩和剪力随着截面的减小而变小;3,4截面不能满足整体的受力及变形要求,2号截面最为合适。在桁架斜撑分析时还比较了正V 字形与图1所示倒V 字形两种方案,结果表明:倒V 字形方案的受力更为合理,整体刚度较好。3.4 连体楼层楼板刚度对整体计算结果影响的比较

连接体部分楼板较弱,但又要协调各塔楼间共同作用,因此须考虑楼板的变形[5]。设计时采用了两种假定:方案1是连接体楼板平面内与平面外均考虑其变形,由程序计算其刚度,但计算结果表明,此种假定下结构扭转变形大,;第一扭转与第一平动周期比超出规范要求。为解决此问题,采用了方案2,在连接体的11、13、15层设置满布的水平钢支撑,由此在计算时可以假定有支撑的楼层其平面内为刚性楼板,平面外为弹性,其他楼层平面内、外均为弹性楼板,计算结果可满足规范要求。两种方案的计算周期见表4。

表4 两种方案的计算周期对比较楼板方案周 期

平动第一周期T 1扭转第一周期Tt

Tt/T 1是否满足

方案1

1.0708 1.03710.970否方案2

1.0574

0.1780

0.178

是

3.5 连体部分设计实施方案说明

连体部分结构受力比较复杂,一方面要协调两侧结构的变形,在水平荷载作用下承受着较大的内力;另一方面由于其本身跨度较大、连体层数

较多,在竖向荷载作用下也承受着较大的内力。

在风或水平地震作用下,结构除产生平动变形外,还将产生扭转变形,各塔楼间除有同向的平动外,还将产生塔楼间的相向运动。各种平动、扭转振型耦合在一起,使得整体结构的扭转效非常明显,加之本工程各塔楼之间的刚度差别比较大,振动形态也更复杂[6-8]。

在设计中,通过各种方案的比较,调整连接体的刚度,使之能协调各塔楼的刚度,控制整体结构的扭转变形;同时连接体本身构件在水平、竖向荷载作用下的应力和变形也应满足规范要求。

下面将设计实施方案详细说明,多层钢桁架结构见图1的右图。

连体部分主受力结构采用钢结构,钢材选用Q345-B,楼板采用钢筋混凝土楼板。在底部两层设置了钢桁架,桁架的横梁、钢柱、斜撑均采用焊接H 型钢,其中钢柱的设置方向旋转90b ;上部三层为钢框架,框架钢柱旋转90b 支撑于下部钢桁架的节点上,框架梁、柱也采用焊接H 型钢。钢梁、钢柱、钢桁架的连接均采用固接。连体部分钢桁架的横梁及斜撑与两端混凝土剪力墙筒体的连接,采用强连接形式的固接。在剪力墙与钢桁架的横梁及斜撑连接处设置混凝土端柱内部埋设焊接H 型钢,高度从10~16

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