华科-重庆庆丰国际大厦钢筋混凝土巨型结构分析与设计

##U201###土木####重庆庆丰国际大厦钢筋混凝土巨型结构分析与设计一、工程概况重庆庆丰国际大厦位于重庆市市区上清市交通转盘旁，整个建筑分为48层矩形高层和7层三角形裙房两个体量（见图3-1）。高层部分放在临中山三路一侧，建筑边长控制在40米以内，裙房部分放在临交通转盘一侧--基地北端，建筑用场2437㎡，建筑面积约72000㎡。地下室共五层，负一层为商场，负二层至负四层为地下车库，负五层为设备用房，地下五层按六级人防设计；裙房的两个锐角部分设计了疏散楼梯间和管道井，其余部分作了四层高的架空处理，形成了一个独特的城市空间及宏伟门厅和门前广场，五层至七层为大空间办公层；主楼的一层至四层为商场，五层至七间为办公空间，第八层、二十三层和三十八层设置为避难层兼转换层，并在屋顶设置了直升机停机坪，第九层至二十二层，二十四层至三十七层为每层22户的白领公寓，三十八至四十七层分别为每层16户、12户、8户的办公公寓，第四十八层为避难层兼观景大厅（见图3.2）。本建筑为一类高层建筑。本工程的主体结构设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级。建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组。建筑场地类别：Ⅱ类。重庆庆丰国际大厦##U201###土木####(a)一层平面图(b)主结构平面示意图(c)次结构平面示意图(d)次结构平面示意图二、结构体系①由于该工程使用功能具有多样性，内设置有商场、办公层、多种户型的白领公寓及办公公寓，因此，采用框架结构、框-剪结构、剪力墙结构、筒体结构等常规结构体系均无法同时满足上述多功能的要求。②由于转换层上的竖向构件和抗侧力构件布置轴线的错位和斜交，从有利于上部结构布置的角度，采用厚板转换无疑能够给建筑布置带来方便，但同时，该种转换方式存在以下问题：1）厚板转换自重很大，导致结构自重增加，对柱及基础要求更高，造成工程投资增加。2）厚板转换容易导致上部结构传力途径不清楚，因而受力非常复杂，结构计算相对困难。3）当于数层楼面荷载的厚板质量集中在结构的中部，导致振动性能十分复##U201###土木####杂，且该层刚度很大，而下层刚度相对较小，容易产生局部变形集中。在地震力作用下，地震反应强烈，对结构的抗震不利。中国建研院和东南大学等单位的试验研究均表明，厚板本身产生破坏的可能性很小，而厚板的上、下相邻层结构出现明显裂缝和混凝土剥落现象，故《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）中对此有严格的限制。③由于该工程在转换层上有次结构为十四层。而由L形、T型、Z型或十字形截面（截面厚度为180-300mm）构成的异形柱框架结构。目前一般适用于6、7度抗震设计或非抗震设计，十二层以下的建筑中，目前，《高规》暂未列入。并且《重庆市住宅建筑结构设计规程》（DB50/5019-2001）明确要求，抗震设计时，薄壁异型柱框架房屋的总高度≤36m，总层数≤12层。④梁式转换传力直接、明确，传力途径清楚。转换梁具有受力性能好，工作可靠，构造简单，施工方便的优点。但受前文所述工程条件的限制，该项目转换层上的竖向构件和抗侧力构件布置的轴线错位和斜交，部分转换梁因无法直接支承在巨型柱上，形成了二级转换梁，对该部位需要进行特殊处理。综合以上分析，该工程的结构体系采用现浇钢筋混凝土巨型柜架结构体系，转换层采用梁式巨型梁转换，利用电梯井及疏散楼梯等组成的核心筒体与平面对##U201###土木####称均衡的部分房间组成的外围筒体共同形成巨型柱，由此巨型柱和巨型梁组成该工程的主结构，而次结构采用短肢剪力墙结构，填充墙为轻质砌块（容重8KN/m3）三、结构布置特点3.1巨型结构体系分析成果①从楼层反应曲线可见：X、Y方向的楼层反应力曲线形态相似，数值上也相差不大，表明该结构X、Y方向的结构刚度相差不大，结构在两个主轴方向的动力特性相近。②从楼层的反应曲线可见：在转换层（第八、二十三、三十八层）楼层处，楼层的反应力明显增大。这是由于转换层处的楼层质量，转换层上下部楼层的结构侧向刚度较其它楼层有明显的不同，在水平荷载作用下，导致转换层上下部结构构件的内力突变，易在此形成薄弱层。另外，受转换层的影响，上部相邻层的地震力也较大，设计时应采取加强措施。③研究表明，高位转换层位置高度越高时，地震反应突变更明显，转换层下部的落地剪力墙及框支结构更易开裂和屈服，转换层上部的几层墙体易于被破坏。因此，必须使转换层上、下的结构变形特征和刚度比较接近，以避免在转换层附近产生层间位移角突变。同时应加强次结构的抗侧刚度，使层间位移角小于规范限值，避免薄弱层出现在次结构。本项目设计中通过有效增强落地剪力墙刚度及调整次结构的刚度，最终控制转换层处最大平均位移角：X方向约1/3000，Y方向约1/2300，均满足规范限值要求。④层面自重较次结构标准层大，故屋面的地震反应力呈增大的现象。⑤从“SATWE”程序计算的结构动力特性和振型图上可反映上述现象，巨型结构振动复杂，结构扭转振动不容忽视，并且高振型对结构的内力影响较大，故电算时振型数量应取足。⑥次结构的最大层间位移角的绝对值为1/1919（规范限值为1/1000），说明次结构的刚度偏“刚”，究其原因，是由于次结构主要为“一室一厅”的白领公寓，纵横墙较多，导致次结构刚度增大，设计构造处理时，须注重对其的构造处理。⑦本项目中，由于X方向的刚重比为4.37，Y方向的刚重比为3.83。因此，该##U201###土木####结构刚重比大于1.4，能通过高规的整体稳定验算，并且该结构刚重比大于2.7，故可以不考虑结构重力二阶效应。分析其原因，是由于巨型柱在平面上对称地沿周边布置，能提供大的抗扭力矩。同时，竖向构件沿周边布置并形成空间结构后，还大大提高了侧向刚度，从而更有效地抵抗倾覆力矩，减少重力二阶效应。3.2巨型组合结构体系设计特点①次结构短肢剪力墙在转换层附近由于质量，刚度的变化，地震效应在此处有明显的增大现象，内力在此发生突变，容易在此形成薄弱层。设计应控制转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比re≤1.3，以避免薄弱层出现在巨型框架上，保证地震作用下落地剪力墙和巨型柱不先于转换层上部结构进入屈服状态。②巨型结构的地震反应复杂，地震作用高振型影响较大，电算时振型应取足够。建议振型数不应小于建筑层数。③由于巨型结构体系中，主结构相对于次结构的刚度大。因此，在次结构部分，与巨型柱相连部位应柔性连接，避免因次结构刚度小，主结构的变形将导致次结构产生巨大的内力，在接合部形成薄弱部位，墙体易开裂，甚至出现次结构剪力墙混凝土剥落。在设计及构造处理时，必须注意接合部位的构造处理。④次结构的顶层不宜与主结构的巨型梁相连，如必须相连时，应在主结构的变形（特别是挠度变形）基本完成后，再进行连接，以免因主结构的变形导致次结构产生巨大的内力，往往导致次结构构件的轴压比过大，甚至大量出现超筋现象。⑤在主结构中，由于巨型梁承受的荷载较大，因此，常常导致巨型柱中局部受压问题突出，设计及构造处理中，应加强巨型柱与巨型梁接合部的构造处理，加大巨型梁的搁置长度，剪力墙中设置暗柱，并沿柱全高箍筋加密。⑥根据巨型结构体系的总体屈服机制，在巨型结构设计中，应遵循“主结构着重强度，次结构注重延性”的设计思想，并且主，次结构分别遵循“强柱弱梁”的设计原则。