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        某橫跨地鐵復雜綜合體的結(jié)構(gòu)分析與設計

        2021-05-13 03:46:06梁子彪張樹林楊龍和
        廣東土木與建筑 2021年4期
        關鍵詞:樓蓋桁架舒適度

        梁子彪,張樹林,楊龍和

        (深圳市華陽國際工程設計股份有限公司廣州分公司 廣州510640)

        1 工程概況

        某項目位于廣州市越秀區(qū)越秀公園西門對面,南鄰中國大酒店。地塊總用地面積為2.34萬m2,本項目為地上16 層,地下3 層的集展覽、會議、辦公、商業(yè)等多種功能為一體的綜合樓,結(jié)構(gòu)高度64.9 m,總建筑面積約為13.6 萬m2。其各層主要功能如下:地下4 層為已建運行中地鐵2號線,地下3層為機械車庫、設備用房;地下2 層為汽車庫、設備用房;地下1 層為配套商業(yè)、會展廚房、卸貨區(qū)等;首層~6 層為報告廳、宴會廳、會展中心等;7 層~16 層為2 棟辦公塔樓[1],整體建筑效果及功能示意如圖1、圖2所示。

        本項目抗震設防烈度為7度,Ⅱ類場地,設計地震分組為第一組,設計基本地震加速度值為0.10g,特征周期0.35 s,抗震設防分類裙樓為乙類,裙樓以上為丙類?;撅L壓值為0.50 kN/m2。

        2 結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置

        塔樓(南、北塔)共16層,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系;裙樓6 層,采用鋼-混凝土組合框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系;結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件為剪力墻、框架。裙房跨越地鐵的大空間區(qū)域為鋼結(jié)構(gòu)桁架體系,采用14 根矩形鋼管混凝土柱支承鋼桁架,鋼管混凝土柱尺寸為□1 800×1 400×40、□1 400×1 400×40,內(nèi)灌C40混凝土。裙房典型層結(jié)構(gòu)平面如圖3所示。

        圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural Rendering

        圖2 典型剖面示意圖Fig.2 Diagram of a Classic Section

        圖3 典型層結(jié)構(gòu)平面布置Fig.3 Structural Floor Plan of a Classic Storey

        3 超限情況及抗震性能目標

        本項目為大底盤多塔結(jié)構(gòu),具有4 項一般不規(guī)則(扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變、豎向構(gòu)件不連續(xù))、1項特別不規(guī)則(復雜連接)判別為結(jié)構(gòu)抗震超限。

        針對結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況,采用結(jié)構(gòu)抗震性能設計方法進行分析和論證。設計根據(jù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位及需要加強的關鍵部位,依據(jù)《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程(廣東省標準):DBJ 15-92—2013》第3.11.1 條的規(guī)定,結(jié)構(gòu)總體按C級性能目標要求[2],如表1所示。

        表1 構(gòu)件性能水準Tab.1 Seismic Performance Level of Components

        本項目按照單塔和整體模型分別計算取包絡進行設計,提高底部加強區(qū)及裙樓上兩層范圍剪力墻及框架柱配筋率,剪力墻豎向配筋率提高至0.5%、底部加強區(qū)剪力墻設置約束邊緣構(gòu)件,框架柱在計算結(jié)果的基礎上再進行加大配筋,且配筋率不小于1.6%。裙樓屋面上、下各2 層的塔樓周邊豎向構(gòu)件抗震等級設為特一級。

        4 特殊結(jié)構(gòu)設計

        4.1 立體桁架設計

        根據(jù)建筑功能需要,裙房區(qū)域宴會廳需要3、4 層通高,平面尺寸為48 m×54 m,活荷載5 kN/m2。宴會廳正下方是1、2 層通高的展廳,為了滿足下部展廳凈高,3 層樓面結(jié)構(gòu)、設備總高度需控制在2.3 m 內(nèi)。本項目采用雙榀立體鋼桁架,與平面桁架相比,空間立體桁架增大了整體結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和平面外的穩(wěn)定性[3]。利用桁架上下弦桿間的空間走設備管線。桁架布置模型如圖4?所示。

        立體桁架上弦、下弦的梁高為400 mm,截面H400×500×30×30,上下弦桁架的弦桿中心間距為1.78 m,如圖4?所示。

        圖4 雙榀立體桁架模型及剖面Fig.4 Model and Section of Double Space Truss

        經(jīng)對比分析,采用立體桁架具有以下優(yōu)勢:

        ⑴立體桁架與框架柱連接節(jié)點處應力更為均勻。

        ⑵立體桁架超靜定次數(shù)比單榀高,抗連續(xù)倒塌能力強。

        ⑶單榀桁架重量降低一半,施工難度降低。

        ⑷構(gòu)件鋼板厚度降低一半,焊接應力降低,可靠性提高。

        ⑸樓層組合次梁跨度減小15%,立體桁架上弦與樓板的組合能力大幅提高,提高了結(jié)構(gòu)安全度。

        4.2 樓蓋舒適度分析

        對于大跨度屋蓋的豎向舒適度問題國內(nèi)外已經(jīng)進行了一定研究,主要是通過結(jié)構(gòu)自振頻率、均方根加速度以及樓蓋峰值加速度等指標進行舒適度評價[4]。本項目大跨度樓蓋48 m×54 m,桁架上下弦外皮尺寸2.18 m,跨高比22,樓蓋剛度小,需進行舒適度分析以驗算是否滿足正常使用要求。采用有限元程序Midas/GEN 對該結(jié)構(gòu)進行減振前后的動力特性分析(見圖5)。單人步行激勵曲線取IABSE(International Association for Bridge and Structural Engineering)的曲線(見圖6),公式如下[5-6]:

        式中:Fp為行人激勵;t為時間;G為體重;fs為步行頻率;α i為第i階簡諧波動載因子,本文只取前三階計算α1=0.4+0.25(fs-2),α2=α3=0.1;φ1=0,φ2=φ3=π/2。人的重量參考ISO 標準建議取作70 kg/人,步頻取為2.08 Hz、2.17 Hz(見表2)。[7]

        對于所定義的人行荷載工況,結(jié)構(gòu)最大響應加速度為0.198 3 m/s2;結(jié)構(gòu)加速度超出規(guī)范要求的加速度限值0.15 m/s2,需對該結(jié)構(gòu)進行減振設計。

        圖5 結(jié)構(gòu)振型Fig.5 Modes of the Vibration

        圖6 IABSE行人荷載樣條曲線Fig.6 A Spline of Pedestrian Excitation from IABSE

        表2 步行分析工況定義Tab.2 Definition of Walking Loading Layout

        針對本結(jié)構(gòu)進行TMD減振設計與分析,通過結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果以及反復試算,制定了TMD布置方案及其參數(shù)(見圖7),結(jié)果表明通過在各榀桁架設置調(diào)頻質(zhì)量阻尼器,可以有效抑制樓蓋在人行荷載激勵下的振動[8]。加速度峰值在不同激振荷載下減振率分別為52.98%、55.79%、28.82%;減振后,加速度峰值最大為0.093 2 m/s2,小于0.15 m/s2,滿足結(jié)構(gòu)舒適度要求。

        圖7 每榀桁架TMD布置大樣Fig.7 Layout Plan of TMD on Single Truss

        4.3 跨層桁架設計

        裙房核心區(qū)1平面尺寸為48 m×54 m,在第5、6層范圍內(nèi)結(jié)合建筑分隔墻的位置設置2道跨層鋼桁架,桁架間距18 m,跨度48 m,如圖8、圖9所示。該范圍內(nèi)2層樓面、1層種植屋面的荷載全部由這兩榀桁架承擔,桁架上下弦截面采用箱型截面,截面尺寸為□900×800×35×35。桁架之間采用18 m 跨度的組合梁,鋼梁高度700 mm。既可以滿足建筑大空間的需求,又有足夠的安全度。

        圖8 3層樓面桁架平面布置Fig.8 3-story Floor Truss Layout Plan

        圖9 跨層桁架剖面示意圖Fig.9 Section Diagram of Span Truss

        4.4 轉(zhuǎn)換桁架設計

        裙房核心區(qū)2 平面尺寸為20 m×48 m,首層為展廳主入口,下部地鐵區(qū)域原有基礎、結(jié)構(gòu)不足以承擔上部的新增荷載,故采用設置在第2、3 層的鋼桁架轉(zhuǎn)換。3-3剖面處桁架端部采用交叉撐增加結(jié)構(gòu)的贅余度,確保結(jié)構(gòu)的安全,如圖10?所示。

        如圖10?所示,2-2 剖面處同樣在第2、3 層處設置跨層鋼桁架,將結(jié)構(gòu)恒荷載傳到地鐵范圍外的基礎上。為了減少對建筑使用的影響,桁架端部未設置交叉斜撐,而是利用首層入口門柱、隔墻的位置設置落地鋼結(jié)構(gòu)柱,在施工階段鋼柱與桁架不連接,待上部各層施工完成之后再將桁架與鋼柱連接,后連接節(jié)點如圖11所示。通過施工過程模擬,建立合理的分析模型,反映施工過程結(jié)構(gòu)狀態(tài),剛度變化[9]。結(jié)合施工階段進行分析設計,既可將占比重較大的恒荷載向外傳遞至地鐵區(qū)域外新建基礎上,原有基礎只承擔附加的部分活荷載而不需要加固,又不損失結(jié)構(gòu)剛度,結(jié)構(gòu)的可靠性大幅提高,提高了結(jié)構(gòu)抗震能力,同時保證了樓蓋舒適度需求。

        圖10 轉(zhuǎn)換桁架剖面示意圖Fig.10 Section Diagram of Transfer Truss

        4.5 關鍵節(jié)點分析

        圖11 后連接鋼柱大樣Fig.11 Detail of Post-connected Steel Column

        支承跨層鋼桁架的結(jié)構(gòu)柱采用矩形鋼管混凝土柱,柱截面為□1 800×1 400×40,內(nèi)灌C40 混凝土。鋼桁架端部節(jié)點承擔了巨大的荷載,受力復雜,是桁架的關鍵部位,采用通用有限元軟件ABAQUS 進行節(jié)點有限元分析,如圖12所示。

        混凝土按照文獻[10]附錄C 提供的受拉、受壓應力-應變關系作為混凝土本構(gòu)骨架曲線,鋼材采用等向強化二折線模型及von Mises屈服準則,強化段的強化系數(shù)取0.01。分析表明節(jié)點區(qū)應力均勻,能夠有效將荷載傳遞到型鋼混凝土柱上,如圖12所示。

        圖12 桁架節(jié)點有限元分析Fig.12 Finite Element Analysis of a Joint of the Truss

        5 結(jié)語

        ⑴本項目是在建筑功能、凈高及場地因素等非常嚴苛的條件下進行的結(jié)構(gòu)設計,結(jié)合施工在施工階段跨中支點不設置豎向約束,使用階段進行連接的設計手段,既不用加固地鐵區(qū)域原有的樁基礎,又不損失結(jié)構(gòu)剛度及抗震性能,提高結(jié)構(gòu)安全性。

        ⑵充分結(jié)合建筑及設備專業(yè),利用隔墻位置設置跨層鋼桁架,在不影響建筑效果的情況下有效地實現(xiàn)了48 m 跨度的跨越,將總共4 層的樓蓋重量成功地傳遞到地鐵之外的結(jié)構(gòu)柱上,既實現(xiàn)了大空間又保證了結(jié)構(gòu)合理性。

        ⑶3 層大空間區(qū)域采用2.18 m 高的立體雙榀鋼桁架跨越48 m 的地鐵區(qū)域,設備管線從桁架中間穿過,既保證了建筑凈高的要求,又方便狹小空間鋼結(jié)構(gòu)的吊裝施工,降低了焊接應力。

        ⑷采用有限元對大跨度樓蓋進行舒適度分析,采取TMD減振設計,確保樓蓋的舒適性。

        本項目充分結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)、設備、地鐵、施工等因素進行精心設計,可為今后復雜條件下的結(jié)構(gòu)設計提供一些思路和經(jīng)驗。

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