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淮河防汛调度设施工程结构抗震设计

发布时间:2019-07-01 13:21 来源:未知 编辑:admin

  淮河防汛调度设施工程结构抗震设计王灵阮红娟鲁钟富(马建国际建筑设计顾问有限公司上海 ! ##$)摘要:以 “淮河防汛调度设施工程”这一具有复杂体型的高层建筑结构为实例,从理论分析和抗震设计上对其进行了详细的分析和讨论,重点介绍了结构抗震设计过程中的特殊处理措施, 得出了关于该类结构抗震设计的几点结论。关键词:高层建筑复杂体型抗震设计!#$%$#&!( ) !* )%+( ! ),- ./ 0$& )0(/..+1#(2(- ).-&-+ &(*1(#3$ )+ )-,% & () * ( + , & - . ( /, & ) ,0 1 . ( 2 ,(3455 6 7 1 * 8 9 7 8 :5 ; . : , = 8 & 8 : 8 9 6 & 8 * . & = . ?,) 8 ; ?@ 1 & ( 1 & * ! ##$)& 4 5 6 7 8 9 6:A . 8 1 9“- , & *1 9B = . . ;C 6 9 D 9 8 * . & ; 5 8 8 9E F 9 6A , * = ; * (”G * 8 17 .E F = 9 H: 8 6 , 7 8 , 6 & =8 I F 9,; 9 8 J& & = I : * :& ;; * : 7 , : : * . 2 6 .E8 1 98 1 9 . 6 9 8 * 7 :& ;: 9 * :E * 7; 9 : * ( * :7 . , 8 ?@ F 9 7 * & =8 6 9 & 8E 9 8. 2: 9 * :E * 7; 9 : * ( * :* 8 6 . ; , 7 9 ;* F & 6 8 * 7 , = & 6 ? . 7 = , : * . :. : 9 * :E * 7; 9 : * ( . 28 1 9 : 9: 8 6 , 7 8 , 6 9 : G * 8 18 1 9: &E 98 I F 9& 6 9& 7 1 * 9 D 9 ; ?: ; = 7 ? 5:1 * ( 1J6 * : 9: 8 6 , 7 8 , 6 97 .E F = 9 H: 8 6 , 7 8 , 6 & =8 I F 9: 9 * :E * 7; 9 : * ( 随着科技的发展、社会需求的变化,高层建筑在向着高层次、高强度、 组合结构等方向发展的同时,建筑也由单一功能的用途向综合型多用途发展。 多功能的使用要求以及建筑美观性的要求必然就会导致结构体型和结构形式的复杂多变性, 特别是高层建筑的平面形状和立面体型更趋于复杂。 本工程所具有的大柱网大空间、 局部带高塔楼、 平面大开洞、平面刚度明显不对称等结构特点便是这一复杂体型高层建筑结构的具体表现。 本文将着重从这几个方面进行分析。@工程概况“淮河防汛调度设施工程”全称为 “沂沐泗河洪水东调南下一期工程淮河防汛调度通讯设施和怀洪新河续建工程淮河调度通讯监测设施”,工程为水利部淮河水利委员会所属的现代化防汛调度设施, 已建于安徽省蚌埠市宏业路与东海大道的交会处。 整个建筑由通讯天线座 (K层部分,防汛调度通讯设施)、A座 (LM层部分, 调度通讯监测设施)三部分构成。 三个体量、 高度、 比例不同的正方形体块,以菱形对角咬合的方式形成一个牢固紧密的有机整体。 整个建筑体形高低错落, 具有强劲的节奏感、端庄的韵律感, 造型新颖, 于庄重中不失变化。 从5座、A座两个体块交接处生长、挺立的通讯天线塔,高耸、 挺拔, 隐喻着大楼的功能和形象特点,成为大楼形象鲜明的标志、核心。 整个建筑立面效果图如图L所示,平面布置图如图!所示。第一作者: 王灵女 LNK O年L月 出生工程师国家一级注册结构工程师收稿日期:! MJNJM图L建筑立面效果“淮河防汛调度设施工程”的结构体系为钢筋混凝土的框架J剪力墙结构, 框架柱网为KP EEQKP EE,剪力墙分布在中间电梯井筒、 楼梯间、 建筑外围拐角等部位。 主体结构地面以上LM层,局部L## ; , : 8 6 * & = . : 8 6 , 7 8 * . R . =S#$,@ , F F = 9E 9 8,! $工业建筑 ! $年第#$卷增刊万方数据 !层,带一层地下室 (局部带级人防), 地下室层高#$%&,标准层高($ &,)%层顶标高为%#$# &&。自)层起,中间一个柱网再伸上去, 形成一个高耸的塔楼 (塔顶标高为))%$*&&) 作为该调度设施工程的专用通讯天线塔。 由于通讯天线塔微波发射的特殊技术要求,上部塔楼部分标准层层高为 $&&,且周边围护结构不能采用实体墙, 只能用透波材料进行围护,因此,上部微波塔的楼层刚度远远小于下部主体结构的楼层刚度。图+建筑平面!结构计算分析与比较针对 “淮河防汛调度设施工程”这种特殊的结构形式,同时考虑结构分析的某些实际问题,本工程共选用三种结构计算软件 (,-./0、0.- 1 ,、.1 ,-)进行了计算分析和对比。 由于0.- 1 ,软件作为国际上通用的建筑结构设计和分析软件, 其计算结果具有很大的可比性, 所以我们将着重把,-./0和.1 ,-这两种在国内具有广泛代表性的软件的计算结果分别与0.- 1 ,软件作比较。 以下从计算参数的选取、结构自振周期和层间位移几个方面重点叙述一下。! #计算参数的选取按国家相关规范以及蚌埠市抗震办的批文, 本建筑物应按当地1区参数采用 (!度抗震,!类场地),其抗震设防应按该区划中乙类建筑中较大体型(抗震验算按本区划所提供的地震影响系数的)$+倍进行抗震验算)的要求进行,抗震构造措施按抗震规范2度设防区的要求执行。 因此, 框架和剪力墙的抗震等级均取为一级,计算振型数取#%个。 蚌埠市各分区设计地震动参数按表)取值。表#各分区设计地震动参数分区-13! 4 5截面验算&$&!&$&2&$&*变形验算&$#(&$#2&$%#!6&$+ %&$(%&$%&材料选用: 地下室底板3 + %(利用*&7龄期强度)、地下室外墙及边柱、 地下室顶板 (含梁) 混凝土为3 (&; 地下室柱和地下室内 墙及标高8&$&& &+ %$+ &墙、 柱 混 凝 土 为3 #%; 标 高+ %$+ && %#$#& &墙、柱混凝土为3 #&;标高%#$#&&以上墙、柱混凝土为3 (%; 标高8&$&&&以上各层梁、 板混凝土均为3 (%。活荷载取值: 办公室,+ $&9:/+; 会议室、 储藏室,($&9:/+;楼梯间,+ $%9:/+; 机房、 设备用房,$&9:/+; 上 人 屋 面,+ $&9:/+; 不 上 人 屋 面,& $!9:/+;屋顶花园,%$&9:/+。风荷载取值: 基本风压,& $(%9:/+, 考虑增大系数)$+,取&$#+9:/+。结构自振周期! !运用,-./0、0.- 1 ,、.1 ,-三种结构计算软件分别建立三维模型,经过空间整体计算和分析,分别得出结构的自振周期, 把各自 的前*个自 振周期计算值进行了对比, 具体对比情况详表+。 从表+可以看出,三种结构计算分析软件所计算出来的结构自 振 周 期 数 值 稍 有 差 别: 其 中 用,-./0和0.- 1 ,软件计算出的结构自振周期数值相差不大,说明所模拟成的结构刚度接近; 而用.1 ,-软件计算出的结构自 振周期数值相比0.- 1 ,软件来说则偏大,说明.1 ,-和0.- 1 ,软件的计算模型差别较大,.1 ,-软件所模拟成的结构刚度也相对偏小。从结构扭转为主的第一周期!;与结构平动为主的第一周期!)的比值来看, 均能满足现行规范的要求,说明整个结构的剪力墙等抗侧力构件的布置是合理的。再仔细分析一下这三种结构计算软件的计算模型:0.- 1 ,结构计算软件是用壳元来模拟剪力墙、用空间杆单元模拟梁和柱; 而.1 ,-结构计算软件是用空间薄壁杆单元来模拟剪力墙、 用空间杆单元模拟梁和柱; 而,-./0结构计算软件是用墙元来模拟剪力墙、用空间杆单元模拟梁和柱。 正因为三种软件的计算模型不同, 所以各自 所模拟形成的结构刚度也就不一样, 计算出的结构自 振周期稍有差别也就是顺理成章了。在结构施工图的设计阶段, 综合考虑软件的后处理程序以及与相关中国规范的运用等各种因素,我们在施工图设计时采用了,-./0的计算分析结果,而0.- 1 ,和.1 ,-软件的计算结果主要用于分析、较核和对比。+((工业建筑 + &&年第(卷增刊万方数据 表!结构自振周期计算结果对比自振周期!#$%%# & !#& !第一周期!第二周期!(第三周期!/第四周期!1第五周期!0第六周期!*第七周期!,第八周期!.第九周期!+第一扭转周期!2第一平动周期!()*+,-().*.+/)(+/()-0*+()*.()1/*1)1+/.)*.(),.-)/-.)/*()/,.*)-(/)-+1)(-+.-)+-1-)+10*-)+.+(-)*((/-),/+--),./-)*--/-)*,*-)*(*+-)1,1,-)1./.-)0-*/)1+/./()*+,-3-)00/!-)+-)*.(/().*+.3-)0.*!-)+-),.-//)(+/3-)01+!-)+-! #$层间位移运用!#$%、%# & !、#& !三种结构计算软件进行计算和分析, 分别得出结构在向风荷载、#向风荷载、向地震、#向地震四种荷载工况作用下的最大楼层层间位移, 计算结果对比具体见表/、表1。 由于结构0层以下楼层刚度较上部微波塔部分大很多,计算出的最大楼层层间位移较小,均能满足现行高层建筑结构相关规范的要求; 而上部微波塔部分的最大楼层层间位移均较大, 不能满足现行高层建筑结构相关规范的要求。 但是, 纵观该幢建筑物的体型,*层以上平面及竖向局部收进的幅度均很大,上部微波塔部分的受力特性实际上与塔桅等高耸结构非常相似, 而且微波塔部分仅在设备检修时才会有人上去。 按高耸结构规范, 该结构上部微波塔部分的楼层层间位移控制值可以取为/--。 从表/、表1可以看出, 虽然三种结构计算软件的计算模型不同, 计算出来的最大楼层层间位移也稍有差别,但都能满足相应规范的要求。表$结构%&层以下最大楼层层间位移计算结果对比荷载工况!#$%/(1*-/(1( ,/(.( .//.*%# & !/(-/-/(//1/(1.(/(11+#& !/, *1/(( ( -/(/0*/(/( 向风荷载#向风荷载向地震#向地震表结构微波塔部分最大楼层层间位移计算结果对比荷载工况!#$%/( -*/1+-//++/1( 1%# & !/.0/1.1//( 0/1/#& !/*//11+//-//+(向风荷载#向风荷载向地震#向地震$结构抗震设计的特殊处理由于本工程所具有的大柱网大空间、 局部带高塔楼、平面大开洞、 平面刚度明显不对称等结构特点,因此,在结构抗震设计以及抗震构造措施的采取万方数据上都遇到了很多难题, 使得整个工程设计的复杂程度很高。 主要体现在几个方面。$#%基础设计由于 “淮河防汛调度设施工程”的主体结构为地面以上0层, 局部,层, 且自*层起, 微波塔部分中间一个柱网伸至标高为0)+--4(相当 于下部0层的高度),但是,其主体结构的地下室却是连为一体的,因此造成了整个主体结构不同部位的荷载分布相差悬殊,如果结构基础设计处理不当,很容易形成结构不同部位的不均匀沉降甚至于会引起底板开裂,给地下室的后期使用将会造成非常严重的影响。综合场地的地质条件和该建筑物的实际情况,我们采取了以下的基础设计方案: 在桩基选型上,我们选用了直径为! .--的钢筋混凝土钻孔灌注桩 (成桩混凝土强度等级水下5 /-), 桩端后注浆, 桩端持力层为第层强风化混合花岗岩,有效桩长约( 14,施工时以进入第层强风化混合花岗岩 -)0-4进行单控,结构不同部位荷载的差别用不同的桩数来调整。 由于桩端持力层已至第层强风化混合花岗岩,结构的绝对沉降变形值会很小,因此结构不同部位的沉降差也会很小。 因此在进行地下室底板的设计时,底板厚度统一取为+--44, 底板配筋为双层双向拉通! ( (#1-。 局部遇电梯井道及楼梯间才把地下室顶板顶标高降低、 同 时底板局部加厚至/--44,底板配筋 则 相 应 为 双层 双向 拉通! ( 0#--。地下室底板的施工采用整体浇注, 不设后浇带,同时加强混凝土的后期养护。 到现在为止,该建筑物的主体结构已竣工一年, 实际观测所得的沉降值在64左右, 不同部位的沉降差微乎其微, 达到了我们设计的预期效果。$#!楼层加强处理“淮河防汛调度设施工程”作为现代化的防汛调度设施,建筑师为保证整个建筑物的美观、 通透、 实用,在0层部分的中间两个柱网处, 除第0、,层有楼板外,其余各层均无楼板,从而形成了一个很大的内天井,保证了建筑物内部房间的自然采光,其剖面图见图/所示,但同时也大大削弱了楼层的刚度;而在,层部分, 局部楼层也有大的开洞。 对于一个,度设防区的乙类建筑来说, 此种平面形式属于很不规则,必须在抗震构造处理上采取更严格的措施才行。设计时着重加强了楼层刚度, 主要采取的措施如下:首先,设计上选用了主次梁体系, 其中柱网间距为, ).-4, 次梁间距为( )* --4, 次梁方向与外圈///淮河防汛调度设施工程结构抗震设计 王灵,等 相应 的 边框 架梁方 向 一致, 同 时 楼板厚 度取为! #$$,约为度的!/ , 所以整个楼层的平面刚度得到了很大的加强;其次,加大结构周边外围框架梁以及内圈天井周边框架梁的断面, 从而加强了周边框架梁对楼板的约束, 一定程度上可以提高整个楼层平面的刚度,同时对控制结构的扭转也会起到一定的作用。图% !&层部分剖面!!竖向不规则处理由于 “淮河防汛调度设施工程”的主体结构为地面以上!&层, 局部层, 且自!(层起, 中间一个柱网再伸上去,整个结构在第层顶板和第!&层顶板处都发生了楼层刚度的突变,因此,整个主体结构在竖向刚度上变化幅度很大,形成了竖向不规则结构。在对结构竖向不规则的加强处理上, 主要采取的措施就是加强刚度突变层及相邻层楼板的刚度。考虑到结构在第层顶板和第!&层顶板处都发生了刚度的突变,设计时我们分别将第(层顶板、 第层顶板、第)层顶板、第!*层顶板、第!&层顶板、第!(层顶板的楼板厚度均加厚为!&#$$,这样就同时加强了刚度突变层以及相应上、下层的楼层刚度,对控制整个结构的上下刚度比起到了重要的作用。!#微波塔部分加强处理“淮河防汛调度设施工程”的上部微波塔部分的最大楼层层间位移计算值均很大, 但计算时周边四根角柱是按钢筋混凝土柱考虑的。 从使用方便和增加安全储备上来看, 如能适当加强上部结构的楼层刚度,将使上部微波塔部分的最大楼层层间位移控制有所减小。在实际设计时, 我们把四根角柱及周边框架梁均作成了 钢 骨 混 凝土 结构, 钢 骨 强 度等级采用+ %&,。 钢 筋 混 凝 土 框 架 柱 断 面 为(# #$$ -(##$$, 柱 内 另 加 箱 形 钢 骨%&#$$ - %&#$$ - &$$, 且箱形钢骨直接插入下层主体结构内; 同时,周边框架梁断面为*##$$-)##$$, 梁内另加钢骨. (##$$- ##$$-!$$- #$$, 梁柱采用刚接接头,其中梁内钢骨的上下翼缘与柱内钢骨的焊接均采用全熔透的对接焊缝。 从结构设计的实际措施来看,微波塔部分的楼层刚度相比理论计算时的楼层刚度得到了很大的提高, 从而可以适当减小微波塔部分的最大楼层层间位移, 增强了结构的实用性,一定程度上也提高了结构的安全度。#小结通过对 “淮河防汛调度设施工程”从理论和抗震构造措施加强处理上进行的分析和讨论, 可以得到以下几点结论:!)对于具有类似复杂体型的高层建筑结构, 首先应重视结构的抗震概念设计, 合理布置结构框架梁、框架柱以及剪力墙,保证结构的刚度分布得比较均匀。)对复杂体型高层建筑结构的理论分析, 建议必须选用两种以上不同的结构计算和分析软件来进行计算和分析,找出结构的薄弱环节。%)对复杂体型高层建筑结构的薄弱环节及重点部位,采用更严格的抗震构造措施,提高结构的整体抗震性能。参考文献!/,&###01 ##!建筑结构荷载规范/,&##!#1 ##混凝土结构设计规范%/,&##!!1 ##!建筑抗震设计规范* 2/ 2%1 ##!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!欢迎订阅 《钢结构》杂志高层建筑混凝土结构技术规程邮发代号:$%&$(*%%工业建筑 ##(年第%(卷增刊万方数据

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