大底盘双塔楼超限高层钢骨混凝土结构如何设计？  ,混凝土,结构

    因衡宇总长度远超出钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距55 米的限值，为此设二道抗震缝将衡宇分为三段，形成三个结构单位。即A、B栋高层为大底盘、双塔楼；C栋为独立带裙房的框架剪力墙结构高层建筑；其余为框架结构。建筑抗震设防类别均为乙类，园地类别为Ⅱ类。基础接纳钢筋混凝土平板式筏形基础，底板厚度1600mm（住宅局部）、1800mm（办公局部），持力层为强风化砂岩，地基承载力准则值400Kpa，压缩模量Es=12~17Mpa.。本建筑的结构安定品级为一级，设计基准期为50年。本文以A、B栋为论及东西。 
    1、结构安排特点A、 B栋高层为满足上部住宅建筑的舒适性、规则性要求（即住宅室内无柱角）及下部五层商场大空间的使用要求，接纳五层大底盘双塔楼框支剪力墙结构，在五~六层中间利用设备层做转换层，接纳梁式转换，转换层设置标高为23米。高宽比为3.22，长宽比为4.13，转换层上下剪切刚度比值γ=1.395. 1、衡宇高度超限A、B栋高层衡宇高度为89.1米，超出了《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ3-91）中规定的框支剪力墙结构8度区适用高度80米的限值。 
    2、接纳双塔楼联体结构，质量、刚度漫衍不均匀，竖向不规则。
    3、高位转换：在五~六层之间利用设备层做转换层，标高23米。超出8度区转换层宜控制在3层以下的限制。 
    4、由于住宅建筑平面的要求，局部存在二次转换。 
    5、由于商场使用效用的限制，A、B栋塔楼的落地剪力墙数量偏少，且多数安排在商场后部，主体结构与大底盘中心的偏心矩与底盘尺寸之比大于0.2. 6、6~26层住宅局部在外围剪力墙局部开设角窗。 
    2、结构办法经我院多次剖析论证，认为其主要倒霉因素为：框支剪力墙结构在转换层以下，支撑框架与落地剪力墙并存，形成了“支撑框架— 剪力墙”体系。其中，支撑框架是一个单薄环节。这种结构体系，在高位转换时，由于在转换层相近的刚度、内力和传力途径产生突变，易形成单薄层，反抗震倒霉。同时，支撑框架柱要直接包袱上部传来的重力荷载，直接包袱其上剪力墙由于倾覆力矩孕育产生的轴力，要直接包袱不可能依靠楼板全部间接传力给落地剪力墙而有一局部直接传来的地动水平剪力。这样使得转换层以下支撑框架柱的内力远大于计算剖析结果。对此接纳以下办法： 
    1、在塔楼范畴内五层以下框支局部接纳钢骨混凝土柱，钢筋混凝土梁混合结构（钢骨混凝土柱共48个）。作为解决高位转换和高度超限的一项重要办法。 
    2、 A、B栋塔楼的裙楼楼屋面板，在塔楼高振型的影响下，蒙受较大重复作用下的纵向拉压力及横向剪力，受力十分纷乱。同时，由于建筑使用效用的要求，在裙楼中部开设大洞以便设置电梯，对楼板削弱较大。针对这一倒霉因素，在设计中接纳了加强开大洞处楼板四周梁的断面及配筋，加大楼板厚度，增设斜筋的办法。 
    3、由于上部住宅为蝶形平面，在转换层个别部位出现了二次转换梁。凭据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第10.2.10条的规定：转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层的主结构上。当结构竖向安排纷乱，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力剖析，按应力校核配筋，并加强配筋结构办法。B级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换层，不宜接纳框支主、次梁方案。针对这一倒霉因素，我们接纳了加强框支主梁的配筋结构办法，并在框支主梁的下部配筋区设置钢梁的办法。 
    4、在住宅局部开设角窗，削弱了剪力墙结构体系的整体性，对其抗震性能带来了倒霉影响，转变了剪力墙与框支梁之间的传力方法。针对这一倒霉因素，我们决定从受力计算和结构办法两方面予以加强处理。 
    3、计算结果剖析
    3.1、总体计算结果1、计算软件：接纳中国建筑科学研究院的PKPM 系列中的TAT（多层及高层建筑结构三维剖析与设计软件），SATWE（多、高层建筑结构空间有限元剖析与设计软件）两种差别步骤分别进行比拟计算，其总体计算结果接近。下面列出TAT、SATWE的计算结果。地动影响系数接纳《建筑抗震设计规范》GBJ11-89中的数值：多遇地动0.16，罕遇地动 0.9，阻尼比取0.05 2、设计参数：地动烈度  8度； 园地土类别  Ⅱ类；抗震品级框架、剪力墙均为一级； 楼层自由度数：每个塔楼每层3个自由度（两个平动，一个扭转）；地行动用按侧刚剖析模型考虑扭转耦连，用18个振型计算，稳定端取在±0.000处。 
    3.2  结构基本周期：SATWE结果：T1=1.3611    T2=1.3455     T3=1.2611 T4=1.1075    T5=1.0510     T6=1.0458（仅列出前六个振型） 
    TAT结果： T1=1.5046    T2=1.4899     T3=1.3669 T4=1.2368    T5=1.1506     T6=1.0749（仅列出前六个振型） 
    4、地行动用下的底层水平地动剪力系数：SATWE结果：  Qox/G=4.44%     Qoy/G=4.35% TAT结果：    Qox/G=4.08%    Qoy/G=4.08% 5、地行动用下按弹性要领计算的最大层间位移与层高比值：SATWE结果： Ux/h=1/2262    Uy/h=1/2187 TAT结果：   Ux/h=1/1573    Uy/h=1/1583 6、地行动用下按弹性要领计算的最大极点位移与总高比值：SATWE结果： Ux/H=1/3021     Ux/H=1/2649 TAT结果：   Ux/H=1/2428     Ux/H=1/2373 7、结构振型曲线及时程剖析的局部图形3.2、计算结果剖析凭据以上计算结果来看，两种计算结果接近。下面以SATWE步骤为主进行剖析：1、自振周期在合理范畴之内，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.9，满足规范要求。 
    2、振型曲线光滑相符规律。 
    3、 底层剪重比>3.2%，满足规范要求。 
    4、 最大层间位移和极点位移<1/1000，满足规范要求。从最大楼层位移曲线可以看出，五层以下较缓，而转换层以上较陡，说明底盘刚度比塔楼刚度小。 
    5、剖析证明，时程剖析的最大位移均不超出反响谱法计算的位移值，y向楼层剪力，X、Y向楼层弯矩均不超出反响谱法计算的楼层剪力及楼层弯矩，仅X向楼层剪力 TAF-2波大于反响谱法，但三个波的平均值仍小于反应谱法楼层剪力。动力时程剖析复核结果证明，不需要调解个楼层构件的内力和断面配筋。 
    3.3、局部计算及结构处理 
    1、框支梁：接纳SATWE步骤中的框支剪力墙有限元剖析步骤进行计算，并进行应力剖析。同时，加强框支梁的配筋结构办法，为制止框支梁钢筋过密，在框支主梁的下部配筋区加设一根580mm高的钢梁。 
    2、 角窗：整体计算时，角窗上部墙体按双悬臂梁进行计算。配筋设计时同时满足剪力墙连梁的要求。同时，加强角窗周围的暗柱及连梁的配筋，边墙剪力墙加墙垛，角窗局部楼板加斜筋。 
    3、  钢骨柱的计算：首先，确定钢骨的截面形式，预定钢骨柱的钢骨含钢率，带入SATWE步骤中进行整体计算，并凭据计算结果调解含钢率。有关钢骨柱的结构及具体做法见下面的详细介绍。 
    4、钢骨混凝土结构设计前的准备劳动接纳钢骨混凝土是解决超限问题的重大技术办法，也是本次设计的重要组成局部，在我省也是首次接纳。在本次设计中，钢骨柱接纳的是实腹式十字型钢，钢骨梁接纳的是工字型钢。在钢骨混凝土结构设计中需要注意的几个问题如下： 
    4.1、钢骨的含钢率：关于钢骨混凝土构件的最小和最大含钢率，目前没有统一的认识，但当钢骨含钢率小于2% 时，可以接纳钢筋混凝土构件，而没有须要接纳钢骨混凝土构件。当钢骨含钢率太大时，钢骨与混凝土不克有效地配合劳动，混凝土的作用不克完全发挥，且混凝土浇注施工有困难。因此，在冶金部行业准则《钢骨混凝土结构设计规程》YB9082-97中将钢骨含钢率定为2%~15%.一般说来，较为合理的含钢率为 5%~8%.另在建设部行业准则《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ138-2001中定为4%~10%.在中广大厦钢骨混凝土柱的设计中，考虑到建设单位尽量节约钢材，节省资金的要求，经专家委员会认可，钢骨柱的含钢率确定为3.5%.  
    4.2、钢骨的宽厚比：钢板的厚度不宜小于6mm，一般为翼缘板20mm以上，腹板16mm以上，但当钢板厚度大于36mm时，钢材的厚度偏向的断面收缩率应相符现行国家准则《厚度偏向性能钢板》 GB5313中的Z15级的规定。这是因为厚度较大的钢板在轧制过程中存在各向异性，由于在焊缝相近常形成约束，焊接时容易引起层状撕裂，焊接质量不易包管。钢骨的宽厚比应满足规范的要求。 
    4.3、钢骨的混凝土守卫层厚度：凭据规范规定，对钢骨柱，混凝土最小守卫层厚度不宜小于120mm，对钢骨梁则不宜小于100mm.  
    4.4、要重视钢骨混凝土柱与钢筋混凝土梁在结构连接上的配合协调问题。
    5、钢骨的制作与结构办法
    5.1、钢骨的制作钢骨的制作务必接纳机械加工，并宜由钢结构制作厂家包袱。型钢的切割、焊接、运输、吊装、探伤检验应相符现行国家准则《钢结构工程施工及验收规范》GB50205、《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81、《钢结构工程质量检验评定准则》GB50221的规定，钢材、焊接质料、螺栓等应有质量证明书，质量应相符国家有关规范的规定。焊接前应将构件焊接面除油、除锈，焊工应持证上岗。施工中应确保施工现场型钢柱拼接和梁柱节点连接的焊接质量，型钢钢板的制孔，应接纳工厂车床制孔，严禁现场用氧气切割开孔，在钢骨制作完成后，建设单位不可随意变动，以免引起孔位转变造成施工困难。 
    5.2、钢骨混凝土中设置抗剪拴钉的要求钢骨混凝土与钢筋混凝土结构的显著区别之一是型钢与混凝土的粘结力远远小于钢筋与混凝土的粘结力。凭据国内外的试验，大抵只相当于光面钢筋粘结力的45%.因此，在钢筋混凝土结构中认为钢筋与混凝土是配合劳动的，直至构件破坏。而在钢骨混凝土中，由于粘结滑移的存在，将影响到构件的破坏形态、计算假定、构件承载能力及刚度、裂缝。通常可用两种要领解决，一是在构件上另设剪切连接件（栓钉），并凭据计算确定其数量，即滑移面上的剪力全由剪切连接件包袱，称为完全剪力连接。这样可以认为型钢与混凝土完全配合劳动。另一种要领是在计算中考虑粘结滑移对承载力的影响，同时在型钢的一定部位：如（1）柱脚及柱脚向上一层范畴内；（2）与框架梁连接的牛腿的上、下翼缘处；（3）结构过渡层范畴内的钢骨翼缘处加设抗剪栓钉作为结构要求。构件中设置的栓钉应相符国家现行准则《园柱头焊钉》GB10433的规定，栓钉直径一般为19，长度不宜小于4倍栓钉直径，间距不宜小于6倍栓钉直径，且不宜大于200mm.并接纳特制的设钉枪进行焊接，焊接质量应满足规范要求。 
    5.3、钢骨的拼接钢骨柱的长度应凭据钢材的生产和运输长度限制及建筑物层高综合考虑，一般每三层为一根，其工地拼接接头宜设于框架梁顶面以上1~3m处。钢骨柱的工地拼接一般有三种形式： 
    （1）全焊接连接； 
    （2）全螺栓连接；
    （3）栓、焊混合连接。设计施工中多接纳第三种形式，即钢骨柱翼缘接纳全溶透的剖口对接焊缝连接，腹板接纳摩擦型高强度螺栓连接。中广大厦设计中的钢骨工地拼接接纳第三种形式。 
    5.4、钢骨柱的柱脚结构 
    1、钢骨柱的柱脚分为埋入式和非埋入式两种，在抗震区宜接纳埋入式柱脚，柱脚钢骨的混凝土最小守卫层厚度为：中间柱：不得小于180mm，边柱和角柱：不得小于250mm.  
    2、钢骨柱埋入式柱脚的埋入深度不该小于3倍型钢柱截面高度，在注脚部位和柱脚向上一层的范畴内，钢骨柱翼缘外侧设置栓钉，栓钉直径不小于19，间距不大于200mm，且栓钉至翼缘板边沿的距离大于50mm. 
    3、在中广大厦的钢骨设计中，由于建筑物嵌固端取在±0.000米处，为包管地下一层汽车库的使用效用，经多次重复研究、讨论，最终确定了底层框架梁水平、笔直加腋，钢骨伸入框架柱内长度为1.5m，下部与钢筋混凝土柱柱心钢筋焊接。在施工过程中，施工单位提出，钢骨注脚放在半层柱上施工有困难，施工质量无法包管。后经施工单位、设计单位、制作单位及建设单位多次研究，决定在钢骨柱柱脚底部另设格构式支架，将支架一延伸至地下一层底板（支架务必包管拉力通报），比上述要领容易施工，加快了施工进度。经实践证明在今后的设计中若遇到同类问题，宜将钢骨直接伸入地下一层，这样即满足了埋入式柱脚的埋深问题，又取消了底层梁加腋的施工工序、支架的制作安置工序，节省了时间，施工质量较易包管。 
    5.5、钢骨柱的节点结构框架梁、柱节点核心区是结构受力的关键部位，设计时应包管传力明确，安定可靠，施工方便，节点核心区不允许有过大的变形。 
    在钢骨混凝土结构中，梁、柱节点包括以下几种形式： 
    （1）钢骨混凝土梁—钢骨混凝土柱的连接； 
    （2）钢梁—钢骨混凝土柱的连接； 
    （3）钢筋混凝土梁—钢骨混凝土柱的连接。在中广大厦设计中我们遇到的是第三种情况。 
    规范规定，节点区钢骨局部的连接结构应与钢结构的节点连接相一致，在柱钢骨的钢牛腿翼缘水平位置处应设置加劲肋，其结构应便于混凝土浇灌，并包管混凝土密实。柱中钢骨和主筋的安排应为梁中主筋贯穿留出通道，梁中主筋不该穿过钢骨翼缘，也不得与柱中钢骨直接焊接，钢骨腹板局部设置钢筋贯穿孔时，截面缺损率不宜超出腹板面积的25%.凭据规范要求，在中广大厦钢骨设计中，我们接纳的要领是：在钢筋混凝土梁与钢骨柱连接的梁端，设置一段工字型钢梁（牛腿），钢梁的高度由钢筋混凝土梁高决定，一般为钢筋混凝土梁高的0.7 倍以上，钢筋混凝土梁内钢筋的一局部与钢牛腿焊接或搭接，钢牛腿的长度应满足梁内钢筋内力通报要求。因钢骨柱主筋穿过钢牛腿翼缘，钢牛腿强度有所削弱，因此梁内钢筋焊接或搭接长度应从牛腿根部起算。在实际施工中，由于钢牛腿长度较长，运输有困难，钢牛腿的长度均取满足梁内主筋焊接长度要求。在钢牛腿的上、下翼缘上设置栓钉，栓钉的直径为??19，间距200mm，从框架梁梁端至钢梁（牛腿）端部以外2倍梁高范畴内为框架梁端箍筋加密区，梁内主筋包管有不少于 1/3主筋面积穿过钢骨连续配置。 
    为方便钢骨的工厂化制作，钢骨混凝土结构与普通钢筋混凝土结构设计中差别且难度最大的是： 
    （1） 需确定钢骨柱中每根钢筋的准确位置； 
    （2） 凭据钢骨这种型钢翼缘的宽度确定框架梁的宽度； 
    （3） 确定框架梁中每根钢筋的位置；
    （4） 凭据柱梁钢筋的位置确定钢骨穿孔的位置； 
    （5） 钢骨中穿钢筋的孔径由钢筋直径确定，一般比钢筋直径大4~6mm； 
    （6），钢骨中纵横两偏向穿钢筋孔的位置至少应错开一个孔径。 
    5.6、钢骨的柱顶结构凭据规范规定，但结构下部接纳钢骨混凝土柱、上部接纳钢筋混凝土柱时，其间应设置过渡层。在本次设计中，过渡层设置在转换层中，柱顶加设一块25厚柱顶锚固板。但在实际施工过程中，转换大梁配筋较多，柱顶锚固板直接影响转换大梁钢筋的锚固，经多方研究，取消了柱顶锚固板，为转换大梁的顺利施工创造了条件。 
    6、经济比较未接纳钢骨混凝土柱前，框支柱截面尺寸为1300X1300mm，上部住宅为6~25层。接纳钢骨混凝土柱后，框支柱截面尺寸为1100X1100mm，上部住宅为6~26层，框支柱截面面积减少了30%左右，住宅面积增加了1860平方米。来源：www.examda.com
    在整个建筑中，共使用型钢650 吨，型钢的质料、制作、安置综合预算价约为6500元/吨，减去缩小柱截面及减少钢筋面积的用度后，增加用度257.63万元，柱截面缩小后商场局部增加使用面积115.2平方米，按20000元/平方米计算，增加收益230.4万元。增加住宅面积增加收益372万元（1860平方米，按2000元/平方米计算），变动后增加净收益352.77万元。