內(nèi)蒙古某超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周 登 峰

(中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063)

內(nèi)蒙古某超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周 登 峰

(中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063)

詳細(xì)介紹了內(nèi)蒙古某超限高聳建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)結(jié)構(gòu)超限,在結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算分析上作出了處理,實(shí)踐證明：處理后的結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，有關(guān)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，為類似工程提供了參考。

超限高層，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，屈曲約束支撐

1 工程概況

本工程位于鄂爾多斯市罕臺(tái)鎮(zhèn)南側(cè)的鄂爾多斯孟克燭拉美食城內(nèi)。結(jié)構(gòu)總高148.9 m,底部鋼筋混凝土框架除首層展示廳直徑50 m，層高12.0 m(主塔27.70)外；主塔直徑25 m，二三層為婚慶大堂，層高5.40 m；四五層為辦公，層高4.50 m；頂層為設(shè)備用房，結(jié)構(gòu)高52.90 m(室內(nèi)外高差0.90 m)，其上鋼塔直徑10 m～7 m，設(shè)一部檢修電梯和檢修鋼梯，塔頂部4層，周邊外挑4.8 m～3.5 m，作為設(shè)備用房；頂部為13.68 m高的蒙古文化的象征裝飾品。地上建筑面積2 035 m2。設(shè)1層地下室，主要為設(shè)備用房如2配變電、水泵機(jī)房、消防水池、空調(diào)機(jī)組用房等，建筑面積2 035 m2。

建筑立面圖見(jiàn)圖1。

2 場(chǎng)地條件及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程的建筑抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類?？拐鹪O(shè)防類別為丙類建筑。設(shè)防烈度7度，鋼筋混凝土框架抗震等級(jí)為二級(jí)。

勘察場(chǎng)地位于鄂爾多斯市罕臺(tái)鎮(zhèn)南側(cè)的孟克燭拉美食城內(nèi)，現(xiàn)地面經(jīng)整平后較平坦，地面標(biāo)高變化在1 493.07 m～1 496.16 m，施工條件較好?？辈靾?chǎng)地區(qū)域?qū)賱兾g高原，微地貌屬寬緩起伏的丘陵頂部臺(tái)地?？辈炱陂g，擬建場(chǎng)地內(nèi)未見(jiàn)地下水，設(shè)計(jì)和施工可不考慮地下水的影響。

基礎(chǔ)形式為樁基筏板。底板厚為0.6 m，承臺(tái)高1.6 m。樁基采用φ700灌注樁,樁長(zhǎng)15 m～22 m,樁基持力層樁端持力層為第④層強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，單樁豎向抗壓承載力設(shè)計(jì)值為2 000 kN。

3 上部結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置及主要特點(diǎn)

本結(jié)構(gòu)可以分為兩個(gè)部分。0 m～52 m為鋼骨混凝土部分，52 m～148 m為鋼結(jié)構(gòu)部分。

塔底座采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，并設(shè)置少量抗震墻。型鋼混凝土柱，首層采用型鋼梁(轉(zhuǎn)換框支梁為箱形梁)，組合樓板，其上部主要框架梁加強(qiáng)為型鋼混凝土梁。

鋼塔形式簡(jiǎn)介：從建筑標(biāo)高52 m以上部分。根據(jù)建筑需要和結(jié)構(gòu)的受力形式，采用空間塔架結(jié)構(gòu)形式。塔柱底部到拱形屋頂總高度為82.32 m，塔頂裝飾物高13.68 m。

塔架橫截面采用正八邊形結(jié)構(gòu)形式。從標(biāo)高52 m～67.26 m塔架根開(kāi)為10.824 m。自67.26 m處開(kāi)始變坡，到114.82 m處根開(kāi)變?yōu)?.577 m并維持不變。

塔架頂部設(shè)置4層設(shè)備間，設(shè)備層標(biāo)高分別為：114.82 m,119.32 m,123.82 m,128.32 m。設(shè)備間結(jié)構(gòu)布置采用外伸三角形懸臂桁架形式。根據(jù)建筑要求尺寸，每層桁架從塔腿外伸的長(zhǎng)度分別為：4.763 m,4.330 m,3.897 m,3.464 m。

塔架131.32 m處也設(shè)置一層外伸3.464 m三角桁架，與塔頂拱形鋼梁組成一小設(shè)備間，主要用來(lái)放置水箱。

塔架內(nèi)部電梯井也采用空間塔架結(jié)構(gòu)形式，根開(kāi)為3.680 m,上下維持不變。

塔架內(nèi)外筒每隔4 m～5 m設(shè)置剛性橫隔連接。三層布置圖見(jiàn)圖2。

3.2 風(fēng)荷載的取值

本工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、建筑外形獨(dú)特，風(fēng)荷載作用敏感，風(fēng)荷載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載之一?；撅L(fēng)壓取值為0.60 kN/m2,塔架頂點(diǎn)風(fēng)壓高度變化系數(shù)取值為2.368。塔架平面近似按雙軸對(duì)稱的八邊形取用。在計(jì)算中，考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)為全封閉，故保守估計(jì)采用1.3，為結(jié)構(gòu)整體的計(jì)算設(shè)計(jì)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

計(jì)算過(guò)程中取如圖3所示的兩種風(fēng)向角參與荷載組合。

3.3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算及分析

工程整體計(jì)算采用PKPM 2010系列軟件中的SATWE,為了對(duì)結(jié)構(gòu)整體及關(guān)鍵構(gòu)件做更清晰的分析,建立了多種計(jì)算模型進(jìn)行分析比較。同時(shí)用MIDAS進(jìn)行核算、對(duì)比。

SATWE與MIDAS兩個(gè)軟件的主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。由表中數(shù)據(jù)可以看出,兩種程序計(jì)算結(jié)果差異不大,結(jié)構(gòu)在多遇地震情況下各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范的要求。

表1 兩種程序周期、位移對(duì)比

以上結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果表明，采用兩種不同力學(xué)模型的計(jì)算程序計(jì)算結(jié)果比較接近。計(jì)算結(jié)果在數(shù)值上雖然有一定的差異，但差異均在工程上可接受的范圍內(nèi)。驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)分析的正確性和可靠性。第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比最大為0.403 3(SATWE)，小于規(guī)范限值0.85；考慮5%偶然偏心時(shí)X方向結(jié)構(gòu)位移比最大為1.64，Y方向結(jié)構(gòu)位移比最大為1.54，稍大于規(guī)范限值1.50，但層間位移角??；同時(shí)，剪重比、地震以及風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角、框架柱及剪力墻的軸壓比等等均滿足規(guī)范要求。

超限高層建筑的抗震設(shè)計(jì),往往需要采用動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算[3]。通過(guò)輸入地震波進(jìn)行動(dòng)力分析可以達(dá)到以下目的:發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),以便事先予以加強(qiáng)；能更合理地使用材料,對(duì)反應(yīng)以較確切地估計(jì)地震過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生震害的形態(tài)和部位,及時(shí)采取補(bǔ)救措施。彈性動(dòng)力時(shí)程分析選用了SATWE程序庫(kù)提供的5組實(shí)際強(qiáng)震記錄地震波和2組由勘察單位提供的人工模擬加速度時(shí)程曲線，其加速度時(shí)程的最大值取35 cm/s2。

從圖中可以看出,每條地震波的X,Y兩個(gè)方向的基底剪力均不小于反應(yīng)譜法求得的基底剪力的65%,三條地震波的平均基底剪力不小于反應(yīng)譜法求得的基底剪力的80%,因而計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)譜法的結(jié)果在統(tǒng)計(jì)意義上相符。時(shí)程分析的X，Y最大樓層位移和最大層間位移角均小于或稍大于反應(yīng)譜法的結(jié)果,故采用結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)較大的反應(yīng)譜法作為設(shè)計(jì)依據(jù)是合理的。

本工程采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PMCAD系列的EPDA進(jìn)行大震作用下彈塑性靜力推覆分析(PUCH-OVER)。X向和Y向靜力推覆過(guò)程主要荷載節(jié)點(diǎn)步數(shù)計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比表見(jiàn)表2。

表2 罕遇地震下的位移角

本工程的抗震構(gòu)件在大震作用下性能點(diǎn)處未發(fā)生剪切破壞，滿足罕遇地震(大震)作用下的抗震性能目標(biāo)，能確保本工程在大震作用下的生命安全。

4 防屈曲約束支撐設(shè)計(jì)

由于防屈曲約束支撐具有承載能力高[4]、耗能能力好、充分發(fā)揮鋼材性能的優(yōu)點(diǎn)，且屈服后能提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的耗能能力。故本工程采用型鋼混凝土框架和鋼框架支撐結(jié)構(gòu)混合體系。

共設(shè)置兩道支撐：第7層的支撐長(zhǎng)度為20 m，截面為箱形截面350×350×16×16；第13層的支撐長(zhǎng)度為14.26 m，截面為箱形截面250×250×16×16。支撐布置圖見(jiàn)圖4。

采用屈曲約束支撐替換普通支撐后，用鋼量要比普通支撐減少很多，支撐的換算截面比較表見(jiàn)表3。

表3 不同支撐截面對(duì)比

經(jīng)核算，采用屈曲約束支撐后，支撐的用鋼量減少約100 t。

防屈曲耗能支撐在彈性狀態(tài)下的承載力比普通支撐提高3倍～10倍，其截面可大大減小，從而滿足建筑要求。此外，采用防屈曲耗能支撐后，屈曲耗能支撐率先耗能，能保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在大震下不破壞。因此，設(shè)置防屈曲耗能支撐后，不僅可滿足建筑要求，減小結(jié)構(gòu)用鋼量，同時(shí)能夠提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

5 結(jié)語(yǔ)

由于建筑功能和造型的要求而使本工程成為超限高層結(jié)構(gòu),但在設(shè)計(jì)中已注意到了薄弱部位和重要環(huán)節(jié),采取了相應(yīng)的計(jì)算分析和加強(qiáng)措施,整體結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能,有關(guān)指標(biāo)能夠滿足規(guī)范要求。

1)通過(guò)計(jì)算可以看出，本工程在各個(gè)地震水準(zhǔn)下構(gòu)件的承載能力、變形和構(gòu)造措施均能滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。

2)采用屈曲約束支撐后，結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能得到了很好的改善，結(jié)構(gòu)的耗能能力增強(qiáng)，可以達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的目的，震后修復(fù)方便。并且在大震下對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件起到了更好的保護(hù)作用。

[1] JGJ 3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建質(zhì)(2010)109號(hào):超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)[Z].2010.

[4] 郎海坡，戚承志，苗啟松.防屈曲耗能支撐的發(fā)展?fàn)顩r[J].施工技術(shù)，2008(S2)：96-98.

[5] 靳 衛(wèi).某超限高層建筑設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2013，39(30)：31-32.

Structural design of a memorial tower in Inner Mongolia

ZHOU Deng-feng

(ChinaShanghaiArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200063,China)

The paper mainly introduces the structural design of some ultra-high-rise building in Inner Mongolia, undertakes the treatment in the structural allocation and calculation analysis for the structure ultralimit, and proves by the practice that the structure after the treatment has better anti-seismic performance and meets the demands for the regulation of relative indexes.

ultra-high-rise, structural design, buckling restrained brace

1009-6825(2014)11-0058-02

2014-01-18

周登峰(1981- )，男，工程師

TU973

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