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        某復(fù)雜超限高層建筑的大跨連體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2022-08-11 07:50:28宋躍飛淮北建筑勘察設(shè)計研究院有限公司
        門窗 2022年6期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)建筑分析

        宋躍飛 淮北建筑勘察設(shè)計研究院有限公司

        1 前言

        本文對能夠復(fù)雜超限高層工程建筑的應(yīng)用需求、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行全面分析,對比所選取的不同連體形式。分析所利用的軟件為多種有限元軟件,探究樓板應(yīng)力、連體結(jié)構(gòu)的承載力等內(nèi)容。

        2 工程概況

        此次工程是復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu),建筑的具體表現(xiàn)為高度:36m,地上與地下分別為8層、1層,屋頂有格柵。地上每層高度均在4.5m。第6 層到屋面層均屬于大跨度連體結(jié)構(gòu),連體跨度:63m,寬度:27m,建筑高度13.5m。連體部位建筑主要是應(yīng)用于辦公與會議。

        此建筑結(jié)構(gòu)為二級安全等級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù):1.0。設(shè)計應(yīng)用為50年??拐鹪O(shè)防烈度:6度,基本地震加速度設(shè)計為:0.05g,抗震設(shè)防類別是標(biāo)準(zhǔn)防類中。

        3 單塔樓與整體結(jié)構(gòu)計算對比

        連體結(jié)構(gòu)屬于鋼結(jié)構(gòu)桁架,雙側(cè)塔樓為剪刀墻結(jié)構(gòu)體系,其結(jié)構(gòu)平面柱網(wǎng)的尺寸全部為9m。根據(jù)我國高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的相關(guān)要求與標(biāo)準(zhǔn),針對連體結(jié)構(gòu)各自獨(dú)立部分,需要具備同樣或相似的剛度、體型等。但是,由于本次工程兩側(cè)塔樓體積、剛度所存在的差異較大,地震作用方向的夾角約為45°,在地震、風(fēng)荷載作用下,若連接方式無法對兩側(cè)塔樓的整體變形與受力情況進(jìn)行調(diào)整,因此,本工程需要將雙側(cè)塔樓與連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛性連接,并將此深入塔樓一跨,為確保能夠更好地傳遞水平力,此跨所應(yīng)用型混凝土結(jié)構(gòu)。

        針對兩側(cè)塔樓體型差異,需先應(yīng)用YJK拆分計算連體中的各個獨(dú)立部分,獨(dú)立部分的具體情況見圖1、表1。

        表1 獨(dú)立部分的周期對比

        圖1 側(cè)向剛度對比

        在計算單塔樓、整體結(jié)構(gòu)后能夠發(fā)現(xiàn)(見表2),兩側(cè)塔樓會因?yàn)橹芷?、質(zhì)量存在差異,同時側(cè)向剛度也存在不同。獨(dú)立部分2的平面呈現(xiàn)為斜向布置,和獨(dú)立部分1存在較大夾角,從而使兩側(cè)塔樓地震作用方向存在夾角情況。當(dāng)應(yīng)用滑動支座會存在較多的問題,由于連體部位為辦公、會議,因此需要較高的安全性與舒適度?;诖?,可利用兩側(cè)塔樓結(jié)構(gòu)與連體剛性連接的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行。在具體施工過程中,當(dāng)利用分層組裝時,連體最底層結(jié)構(gòu)需要較強(qiáng)的承載能力,不利于施工,可應(yīng)用整體吊裝的施工方式進(jìn)行。

        表2 單塔樓與整體結(jié)構(gòu)主要計算結(jié)果對比

        4 連體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        4.1 連體方案

        分析此次工程建筑所應(yīng)用的實(shí)際要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面,明確連體方案需要考慮桁架榀數(shù),對兩種連體方案進(jìn)行深入設(shè)置,分別為對最外側(cè)兩榀桁架設(shè)置和連體縱向軸線對四榀桁設(shè)置。通過對比,第一種對建筑功能影響較低,且橫向范圍內(nèi)無結(jié)構(gòu)構(gòu)件,但是次梁跨度、構(gòu)件截面較大,建筑層高度較低,次梁過高的情況下會嚴(yán)重影響建筑凈高,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺少安全性。而第二種結(jié)構(gòu)冗余度高,桁架截面及次梁截面相對較小,利于建筑凈高,但是,中間兩榀桁架會影響建筑功能。通過分析、對比綜合性后,選取第二種方案,構(gòu)建力學(xué)模型進(jìn)行對比后計算。

        在方案一中,中間兩榀桁架是主要受力構(gòu)建,應(yīng)力比控制截面由中間兩榀桁架構(gòu)建的截面構(gòu)成。中間兩榀桁架支座周圍構(gòu)件內(nèi)力最大,弦桿端彎矩、斜腹桿周力分別為537kN·m、10944kN,應(yīng)力比最大值0.84。在方案二中,中間空腹桁架是主要受力構(gòu)件,支座處弦桿端彎矩1120kN·m,豎桿應(yīng)力比最大值1.0。表3中方案二的構(gòu)件截面尺寸相對較大。

        表3 兩個方案的構(gòu)建截面對比(mm)

        方案一:桁架邊跨撓度和中間跨撓度分別為38mm、48mm,桁架豎向剛度較大,中間跨撓度與邊跨差異不大;方案二:桁架邊跨撓度和中間跨撓度分別為40mm、74mm。對比方案一,此方案的中間是空腹桁架,所以整體豎向剛度小,邊跨與中跨的豎向剛度之間差距較大。綜合分析,由于方案二的構(gòu)件尺寸會對建筑凈高造成影響,整體剛度達(dá)不到相應(yīng)的要求與標(biāo)準(zhǔn),因此,通過考慮選擇方案一作為本次連體方案,在方案一種,中間桁架在具體設(shè)置時是建筑走廊隔墻,能夠減少影響建筑具體功能。

        4.2 連體結(jié)構(gòu)計算

        4.2.1 小震作用分析

        連體與兩側(cè)塔樓的有效連接,需要確保連體桁架弦桿通長貫通,可以直接深入兩側(cè)塔樓的結(jié)構(gòu)內(nèi),并且水平力可以與豎向荷載保持一個平行可靠的傳遞狀態(tài)。小幅度震動的作用下,連體結(jié)構(gòu)中間榀桁架的強(qiáng)度應(yīng)力比最大值為0.80,主要位于支座腹桿處。

        4.2.2 大震作用下動力彈塑性時程分析

        此工程屬于復(fù)雜性的超限高層建筑,為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標(biāo),需要選擇符合性能標(biāo)準(zhǔn)的抗震設(shè)計方法,基于綜合考慮的結(jié)果,設(shè)定本次工程結(jié)構(gòu)各個部分的抗震性能都符合要求,均為C 級,考慮的內(nèi)容主要包括設(shè)防的類別、強(qiáng)度、場地條件、建造所需要的費(fèi)用等。不光大跨度的連體結(jié)構(gòu)桁架支座柱作為整個結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件,連體桁架也起著至關(guān)重要的作用,性能通常為中震度的彈性,大震不屈服。在對基于大震作用下的彈塑性時程分析前,需要先采用YJK完成對模型靜力和模態(tài)分析,隨后采用SAUSAGE 再次完成對施工過程中整體施工模擬和模態(tài)分析,分析完成后整合分析數(shù)據(jù),采用校核模轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確程度,從YJK轉(zhuǎn)換到SAUSAGE。嚴(yán)格按照建筑場地具體類型和地震設(shè)計分組情況,選擇具有實(shí)際應(yīng)用效果的兩組地震數(shù)據(jù),同時還要選擇采用人工模擬完成的加速度時程曲線,遇到非常罕見的地震時,峰值的加速度值就會發(fā)生變化,通常取125gal。

        大震作用下,連體兩側(cè)塔樓很大一部分墻體都沒有受到任何程度的損傷,只有小部分與連梁相近的墻體出現(xiàn)了不同程度受壓損傷,具計算發(fā)現(xiàn),受壓因子僅有0.1左右,對其他系統(tǒng)并未造成任何程度的影響。部分墻體有受拉損傷的現(xiàn)象,具計算損傷因子的上限值為0.4,墻體縱筋、水平筋都沒有出現(xiàn)任何塑性應(yīng)變的現(xiàn)象。連體兩側(cè)的柱子采用的柱子類型為型鋼混凝土柱,一旦此結(jié)構(gòu)受到大震,同樣不會出現(xiàn)嚴(yán)重的受壓損傷現(xiàn)象,即使在不特定的情況下出現(xiàn)了也只是極少數(shù),不會造成不可彌補(bǔ)的影響。計算數(shù)值可知,大震作用下?lián)p傷因子僅為0.1左右。大部分屋面位置和少部分的柱子底部,都出現(xiàn)了不同程度的混凝土受拉損傷。柱中鋼骨和鋼筋都與桁架緊密相連,均為發(fā)生塑性應(yīng)變,沒有進(jìn)入屈服。大震程度下,整體樓板的受壓程度與損傷程度都會在此作用下逐漸變小,發(fā)生損傷部分的主要原因是與連體和塔樓連接的距離太近。由于樓板的鋼筋沒有直接出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,所以不會對剪力傳遞速度的快慢造成任何影響。連體結(jié)構(gòu)桁架鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的各個構(gòu)件,一旦受到較大外力的影響,也不會產(chǎn)生塑性應(yīng)變。

        4.3 樓板舒適度分析

        通過利用0.5m 網(wǎng)格細(xì)分連體樓板,詳細(xì)計算樓板自振頻率。樓板第一階模豎向自振頻率為2.1315Hz,無法滿足我國高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與要求,因此需要對此進(jìn)行豎向振動加速度峰值驗(yàn)算。在具體驗(yàn)算過程中,根據(jù)步速1m/s 施加時程步行荷載,在兩種不同工況的情況下,樓板的峰值加速度為0.0591m/s2、0.0675m/s2,都能夠符合相關(guān)規(guī)定與要求。當(dāng)前所設(shè)計的建筑能夠達(dá)到舒適度的標(biāo)準(zhǔn)。

        4.4 連體部位構(gòu)造措施

        通過對大跨度連體結(jié)構(gòu)應(yīng)用構(gòu)造措施,以此提升整體結(jié)構(gòu),具體包含以下幾種措施:(1)采用剛性連接對連體結(jié)構(gòu)、塔樓進(jìn)行連接,在主體結(jié)構(gòu)一跨中伸入連體結(jié)構(gòu)。(2)連體部位與兩側(cè)塔樓兩跨范圍內(nèi)樓板為150mm的厚度,利用雙層雙向鋼筋網(wǎng),各個層的不同方向鋼筋網(wǎng)的配筋率應(yīng)當(dāng)超過0.30%。(3)應(yīng)當(dāng)加大連體部位邊梁截面。(4)針對連體高度的范圍和連體高度上、下層,提升連體和連體向量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性,增加其等級,對框架剪力墻抗震需要提升為二級等級。(5)與連體向量的框架柱需要應(yīng)用型鋼混凝土柱,對箍筋全段進(jìn)行加密,降低壓軸比限值為0.05。(6)在連體高度范圍和連體高度上、下層,對連體相連的剪力墻設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

        5 結(jié)束語

        綜上所述,針對復(fù)雜超限高層的連體設(shè)計過程中,通過計算連體樓板應(yīng)力分析、單塔計算分析等內(nèi)容,在對薄弱部位進(jìn)行提升時,充分利用相應(yīng)的措施,使結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到抗震設(shè)防目的。

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