民生大厦结构选型及设计

王一功

广州市设计院

1 基本参数

民生大厦是位于广州市天河区的一栋高层建筑.地上24层,地下4层,主屋面高度99.7m,地下室底板面-19.500m.设计软件为PKPM 系列程序中的SATWE软件.

在计算风荷作用下结构水平位移时,基本风压取Wo=0.50kN/m2(n=50年),在计算风荷作用下结构构件强度时,基本风压取Wo=0.60kN/m2(n=100年),地面粗糙度D类,建筑体形系数μ s=1.40.

根据《广东省地震烈度区划图》、《建筑工程抗震设防分类标准》,本工程属丙类建筑,场地地震设防烈度为7度.由于本建筑高度超过80m,根据《工程场地地震安全性评估报告》,常遇地震设计反应谱地震作用最大影响系数取0.097,场地特征周期取0.35s.

本建筑采用框架-剪力墙结构,根据《高层建筑混凝土结构技术规程》属于A类高层.地下一层及以上框架及剪力墙抗震等级为二级,以下楼层框架及剪力墙抗震等级为三级.

2 结构结构体系布置

本结构采用框架-剪力墙结构形式.结合建筑功能,构将剪力墙呈筒状布置于建筑两端(详图一).相对于框架-核心筒结构,该结构方案将主要抗侧力构件置于外围,取得了较佳的抗扭性能.

图1 标准层结构布置图

由表一可见结构转动周期位于第三周期,而与第一平动周期比值达到0.656.由表二可见在地震作用下,除Y+5%偏心作用下的最大位移与平均位移为1.23外,其它地震工况作用下的最大位移与层间位移比值均小于1.20.由上可知,本结构的抗扭转性能较佳,将剪力墙呈筒状布置于建筑两端的结构方案是成功的.

表1 周期计算结果

表2 地震作用下位移计算结果

3 构件设计

为了控制构件截面,下部楼层框架柱采用了钢骨混凝土柱.钢骨混凝土柱的纵筋布置方式一般分为分布式与集中式两种.分布式布筋是将纵筋沿柱周均匀布置,一般用于钢骨混凝土柱与混凝土梁连接的情况;集中式配筋是将纵筋集中布置于柱角部,一般用于钢骨混凝土柱与钢梁连接的情况,以期让柱纵筋可以避开钢梁.

由于地下室为混凝土梁,所以钢骨柱纵筋采用了分布式布置.在箍筋布置上,除外箍外,均采用了菱形箍,以便避让钢骨.

图2 钢骨柱布筋图

图3 钢筋与柱钢骨连接大样

采用钢骨混凝土柱的一个难题是梁钢筋的穿筋与锚固.由于本项目采用钢骨混凝土柱主要是为了控制柱轴压比,混凝土内部钢骨达到所需截面面积即可.因此柱内钢骨翼缘宽度控制为200mm,以减少对梁钢筋的阻挡.上部钢筋如遇到翼缘则与焊板焊接;如遇腹板则开孔通过.梁下部纵筋如遇到翼缘则与焊板焊接;可以避开钢骨翼缘的梁下部纵筋,由于满足锚固长度,则在靠近钢骨腹板处弯折锚固.

梁纵筋与柱钢骨焊接板标准图集多采用一短H型钢.由于短H型钢腹板的存在,阻挡了柱节点箍筋的通过,无论采用穿孔通过还是焊接于短H型钢腹板两侧,工地均较难处理.所以该项目中焊接板采用了T形式——平板下仅加一短竖向加劲板,则柱节点箍筋可自由通过,极大的方便了施工.

同时在梁钢筋配置时,由于十字形钢骨平行纵筋的翼缘板厚度会占去一定的纵筋通过空间,所以第一排梁纵筋布置时需比普通混凝土梁-柱情况下少配置1～2根(与翼缘板实际厚度有关).混凝土梁第一排纵筋遇到垂直向钢骨翼缘时焊接于焊板之上,第二排纵筋如要焊接则只能仰焊于焊板之上,操作难度太大.因此第二排梁纵筋需比第一排梁纵筋再少配置3～4根(与柱钢骨翼缘实际宽度有关).故此采用混凝土梁-钢骨混凝土柱的情况下,梁宽应适当加宽,以方便钢筋通过.

本结构下部竖向构件最高混凝土等级采用C60混凝土.根据以往经验,C50以上剪力墙较容易产生收缩裂缝.因此适当提高了高标号剪力墙的水平向配筋率.

图5 局部基础布置图

由于地下室较深,地下室底板已到微风化岩层.因此最初设计时拟采用平板筏基.但经过试算,发现如采用较小板厚,则柱下冲切无法满足要求.如果采用柱局部加厚的方法,则把加厚区适当加宽,成为岩石独立基础,就已可满足地基承载力要求.在这种情况下,大部分地下室底板配筋仅受水浮力控制,布置抗拔锚杆后,底板厚度及配筋可大幅度减小,取得较好的经济效益.

抗拔锚杆及底板设计时采用了有限元方法.框架柱作为底板的支座,约束了竖向位移.独立基础及地下室底板采用了不同厚度的壳单元模拟,抗拔锚杆采用桁架单元模拟.如果抗拔锚杆等间距布置,则锚杆受力差别很大.底板板块中部锚杆受力明显大于柱间区域.因而抗拔锚杆布置时采用了分区布置的方法,板块跨中区域布置较密,而柱间区域则布置较疏.

4 结 论

综上所述,剪力墙呈筒状布置于建筑两侧,是一种合理有效的结构布置形式.

当采用钢骨混凝土柱时,宜采用菱形箍以避让钢骨.在允许的情况下,柱钢骨翼缘宜采用较小宽度,以让尽量多的梁纵筋直通.柱钢骨翼缘焊板采用T形形式,比短H型钢形式有利于柱节点箍筋的处理.梁纵筋布置时需考虑柱钢骨的阻挡,根据实际情况减少每排纵筋的数量.

对于高标号混凝土剪力墙宜适当增加水平分布筋配筋率,以减少收缩裂缝.

对于地下室底板已接近岩层的结构,采用岩石独立基础+不均匀布置的抗拔锚杆的基础形式,可以取得较好的经济效益.

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