肖 志, 陳 立, 方偉明, 方 亮
(1 中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 長(zhǎng)沙 410021; 2 長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司,長(zhǎng)沙 410021; 3 中機(jī)國(guó)際(湖南)工程咨詢(xún)有限責(zé)任公司, 長(zhǎng)沙 410021)
目前,我國(guó)B級(jí)框架-核心筒結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例很多,且開(kāi)展了相關(guān)研究[1-7],《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[8](簡(jiǎn)稱(chēng)高規(guī))也對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱(chēng)框筒結(jié)構(gòu))做出了明確的規(guī)定:結(jié)構(gòu)在6度抗震設(shè)防區(qū)適用的最大高寬比不宜大于7,核心筒的寬度不宜小于筒體總高度的1/12。但是因建筑功能需要,出現(xiàn)一些平面扁長(zhǎng)、極小核心筒寬度的建筑形式,該類(lèi)建筑形式對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度非常不利。
本文主要介紹了長(zhǎng)沙某超高層建筑項(xiàng)目,該項(xiàng)目屬于典型的扁長(zhǎng)平面、超大核心筒高寬比結(jié)構(gòu),建筑效果圖見(jiàn)圖1,建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖2所示。
圖1 建筑效果圖
圖2 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖
本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)高度為187.10m,X向核心筒寬度8.80m,Y向核心筒寬度36.60m,核心筒X向與Y向平面尺寸比為1∶4.2,核心筒的高寬比達(dá)到21.5,遠(yuǎn)超高規(guī)限定值。標(biāo)準(zhǔn)層X(jué)向、Y向等效平面尺寸分別為30.00,58.78m,X向、Y向高寬比分別為6.23,3.18。項(xiàng)目由塔樓和裙房組成,裙房地上7層,塔樓主要功能為公寓樓,地上51層,1~7層為商業(yè),8~51層為公寓,其中8~18層為L(zhǎng)oft公寓,設(shè)計(jì)時(shí)考慮Loft夾層荷載,19~51層為平層公寓。地下5層主要功能為地下車(chē)庫(kù)及商業(yè)。1層層高為4.9m,2~4層層高為4.8m,5層層高為5.6m,6~7層層高為4.8m,8~18層高為4.45m,19~51層高為3.2m。分別在10,22,37層設(shè)置3個(gè)避難層,稱(chēng)為第1,2,3個(gè)避難層,層高均為3.4m。本工程采用鋼筋混凝土框筒結(jié)構(gòu)體系,標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置及核心筒布置詳見(jiàn)圖3和圖4。本項(xiàng)目在核心筒外設(shè)置X向剪力墻,結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足規(guī)范的剛重比和剪重比要求,但核心筒左側(cè)剪力墻下部為車(chē)庫(kù)行車(chē)通道,須在地下室頂板位置轉(zhuǎn)換。主樓與商業(yè)裙房之間在頂板標(biāo)高以上設(shè)結(jié)構(gòu)防震縫脫開(kāi)。
圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖
圖4 核心筒結(jié)構(gòu)布置示意圖
本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g),場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地的特征周期Tg為0.35s(小震、中震),0.40s(大震)。50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期超越概率63%的水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.04, 建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)。雪壓為0.45kN/m2(50年),基本風(fēng)壓取值0.35kN/m2。
對(duì)于核心筒高寬比遠(yuǎn)超高規(guī)限值的超高層框筒結(jié)構(gòu),為得到高效、經(jīng)濟(jì)且施工便捷的方案,在設(shè)計(jì)之初著重研究了扁長(zhǎng)平面結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的敏感因素,以利于指導(dǎo)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。對(duì)于扁長(zhǎng)平面,Y向剛度很大,因此只分析各敏感因素對(duì)X向抗側(cè)剛度的影響。對(duì)于低烈度區(qū)高層公寓,最難滿(mǎn)足的指標(biāo)是結(jié)構(gòu)剛重比,因此文中主要引述剛重比的對(duì)比結(jié)果。結(jié)構(gòu)整體模型如圖5所示,地下室僅取整體兩層,地下室頂板作為計(jì)算的嵌固點(diǎn)。
圖5 結(jié)構(gòu)整體模型圖
通過(guò)模型試算,確定一個(gè)基準(zhǔn)方案。該方案在豎向荷載和水平荷載共同作用下滿(mǎn)足材料性能要求,但不考慮抗側(cè)剛度的不足,如整體穩(wěn)定性、層間位移角等?;鶞?zhǔn)方案結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖6。核心筒周邊剪力墻底部最厚的厚度為800mm,上部最薄處減至400mm;核心筒內(nèi)部剪力墻底部最厚的厚度為400mm,上部最薄處減至200mm;外框架梁截面尺寸為300×800。
圖6 基準(zhǔn)方案結(jié)構(gòu)布置圖
框筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不足時(shí),首先考慮是否可以通過(guò)增加剪力墻的厚度驗(yàn)算其是否能滿(mǎn)足要求。這種方式對(duì)建筑功能、工程進(jìn)度等諸多方面影響較小,施工也很簡(jiǎn)單。因此核心筒外側(cè)剪力墻厚度不同時(shí),共采用4種方案進(jìn)行測(cè)算對(duì)比。4種方案分別如下。方案1:在基準(zhǔn)方案的基礎(chǔ)上,X向核心筒外側(cè)剪力墻各標(biāo)準(zhǔn)層加厚300mm;方案2:在基準(zhǔn)方案的基礎(chǔ)上,Y向核心筒外側(cè)剪力墻各標(biāo)準(zhǔn)層加厚300mm;方案3:在基準(zhǔn)方案的基礎(chǔ)上,X向、Y向核心筒外側(cè)剪力墻各標(biāo)準(zhǔn)層均加厚300mm;基準(zhǔn)方案的核心筒外側(cè)剪力墻厚度如2.1節(jié)所述。4種方案得到的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析計(jì)算結(jié)果如表1所示。
核心筒外側(cè)剪力墻厚度不同時(shí),結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析結(jié)果 表1
由表1可以得出,方案1與基準(zhǔn)方案對(duì)比,X向核心筒周邊剪力墻的厚度越大,對(duì)結(jié)構(gòu)剛重比的提高效果越不明顯;方案2與基準(zhǔn)方案對(duì)比,Y向核心筒周邊剪力墻的厚度越大,結(jié)構(gòu)剛重比增大15%,比方案1更加有利?;鶞?zhǔn)方案、方案1、方案2和方案3的第二周期扭轉(zhuǎn)系數(shù)均大于0.5,為扭轉(zhuǎn)周期,結(jié)構(gòu)抗扭剛度較弱。
根據(jù)高規(guī)規(guī)定,加強(qiáng)層設(shè)置在結(jié)構(gòu)上部區(qū)域,更有利于提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。因此考慮在基準(zhǔn)方案的基礎(chǔ)上,第2、第3這兩個(gè)避難層設(shè)置伸臂桁架,分析其對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的敏感程度。因設(shè)置伸臂桁架不同,采用2種方案進(jìn)行對(duì)比,2種方案如下。方案4:沿X向設(shè)置兩道伸臂桁架(圖7);方案5:沿X向設(shè)置三道伸臂桁架(圖8)。2種方案得到的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析計(jì)算結(jié)果如表2所示。
圖7 方案4伸臂桁架示意圖
圖8 方案5伸臂桁架示意圖
伸臂桁架設(shè)置不同時(shí),結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析結(jié)果 表2
由表2可知,避難層在內(nèi)核心筒與外框筒之間設(shè)置X向伸臂桁架,能有效提高結(jié)構(gòu)剛重比,但對(duì)結(jié)構(gòu)的周期降低效果不明顯。在避難層設(shè)置伸臂桁架時(shí),與其相連的框架柱、剪力墻及相鄰上、下一層的梁均應(yīng)按型鋼混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì),對(duì)施工進(jìn)度、工程造價(jià)等方面均有較大的影響。
考慮在基準(zhǔn)方案的基礎(chǔ)上,在3個(gè)避難層均沿X向設(shè)置兩道柱間支撐,得到方案6(圖9)。通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)方案和方案6對(duì)比,得到的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析計(jì)算結(jié)果如表3所示。
圖9 方案6柱間支撐示意圖
柱間支撐設(shè)置不同時(shí),結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析結(jié)果 表3
由表3可知,在3個(gè)避難層沿X向設(shè)置柱間支撐,能有效提高結(jié)構(gòu)剛重比,但對(duì)結(jié)構(gòu)的周期降低效果不明顯。避難層設(shè)置柱間支撐時(shí),與其相連的框架柱、相鄰上、下一層的梁均應(yīng)按型鋼混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì),此方案的優(yōu)勢(shì)是不影響建筑功能。
考慮在基準(zhǔn)方案的基礎(chǔ)上,沿X向核心筒外墻軸線,在各層相應(yīng)A,B,C,D位置處均增設(shè)X向剪力墻,得到方案7(圖10)。通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)方案和方案7對(duì)比,得到的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析計(jì)算結(jié)果如表4所示。
圖10 方案7剪力墻示意圖
由表4可知,在核心筒外側(cè)增設(shè)X向剪力墻,因其距離結(jié)構(gòu)樓層整體剛心較遠(yuǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)剛重比提高效果較為明顯。但核心筒外剪力墻對(duì)超高層建筑功能有一定影響,如本項(xiàng)目墻A、墻D下方為車(chē)道,需對(duì)其在1層樓面位置處轉(zhuǎn)換。
X向剪力墻增設(shè)不同時(shí),結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析結(jié)果 表4
考慮在基準(zhǔn)方案的基礎(chǔ)上,調(diào)整地上各標(biāo)準(zhǔn)層外框架梁截面寬度,外框架梁截面尺寸調(diào)整為600×800,得到方案8。通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)方案和方案8對(duì)比,得到的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析計(jì)算結(jié)果如表5所示。
外框架梁截面尺寸不同時(shí),結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析結(jié)果 表5
由表5可知,周邊外框柱間的框架梁剛度增加對(duì)結(jié)構(gòu)剛重比有影響,在建筑功能允許的前提下,可盡量加大周邊框架梁的剛度。
根據(jù)第2節(jié)的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比,考慮結(jié)構(gòu)的安全性、施工的方便性及建筑專(zhuān)業(yè)可行性,本項(xiàng)目采用在基準(zhǔn)方案的基礎(chǔ)上,核心筒外設(shè)置X向剪力墻和加寬梁截面的措施,即采用方案7和方案8相結(jié)合的方案。設(shè)計(jì)采用方案的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析計(jì)算結(jié)果如表6所示。設(shè)計(jì)采用方案對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度非常有效,X向和Y向周期接近,地震作用和風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的剛重比均能滿(mǎn)足高規(guī)的要求。
設(shè)計(jì)采用方案的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度敏感因素分析結(jié)果 表6
結(jié)構(gòu)前2階周期平動(dòng)系數(shù)分別為0.99和0.94,故為平動(dòng)周期。結(jié)構(gòu)X向、Y向剪重比分別為0.60%,0.61%,剪重比不小于高規(guī)限值的85%,滿(mǎn)足要求。結(jié)構(gòu)X向、Y向最大層間位移角分別為1/1 654,1/2 081;X向、Y向最大位移比分別為1.37,1.11,均滿(mǎn)足高規(guī)限值要求。
設(shè)計(jì)采用的方案能有效得提高結(jié)構(gòu)剛度,且能有效加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度,結(jié)構(gòu)各計(jì)算參數(shù)均能滿(mǎn)足高規(guī)相關(guān)的要求。
4.1.1 擴(kuò)孔自鎖錨桿工藝
本項(xiàng)目地下室共5層,地下室底板底標(biāo)高為45.90m,抗浮水位標(biāo)高為66.00m,抗浮水頭為20.10m,錨桿布置間距為1.5m×1.5m,單根錨桿抗拔承載力特征值為430kN,錨桿持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,錨桿進(jìn)入持力層的深度不小于4.5m。擴(kuò)底自鎖抗浮錨桿具有單根錨桿抗拔力大,且經(jīng)濟(jì)效益良好的特點(diǎn),故本項(xiàng)目采用此類(lèi)型錨桿。擴(kuò)底自鎖抗浮錨桿采用地質(zhì)鉆機(jī)連接抗浮錨桿配套擴(kuò)孔鉆頭,在直孔底部根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行擴(kuò)孔。除利用錨桿注漿體與巖石之間的粘結(jié)力外,主要利用錨桿擴(kuò)大頭和巖石表面的銷(xiāo)栓錨固力抗拔。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)于2020年3月1日前完成,故未執(zhí)行《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 476—2019)。
擴(kuò)底自鎖抗浮錨桿的施工順序?yàn)殂@直孔→擴(kuò)孔→清孔→錨桿組裝→錨桿安裝→注漿→養(yǎng)護(hù)等。采用地質(zhì)鉆機(jī)連接抗浮錨桿配套擴(kuò)孔鉆頭,根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行擴(kuò)孔,采用擴(kuò)底錨頭與桿體連接,將組裝好的錨桿直接插至孔底,錨桿頂部錘擊加壓,使底部錨頭沿?cái)U(kuò)孔壁張開(kāi),用高壓注漿機(jī)通過(guò)注漿管注漿至孔底,注漿完畢后形成帶倒錐形擴(kuò)大頭的錨桿。擴(kuò)孔鉆頭、自鎖錨頭見(jiàn)圖11~13。
圖11 擴(kuò)孔鉆頭
擴(kuò)底自鎖抗浮錨桿詳圖見(jiàn)圖14。設(shè)計(jì)錨桿桿徑110mm,錨桿承載力特征值430kN,配筋采用高強(qiáng)精軋螺紋鋼,直徑32mm,錨桿內(nèi)全長(zhǎng)范圍內(nèi)灌注ICG-Ⅰ型低收縮型灌漿料。
圖12 閉合時(shí)自鎖錨頭
圖13 張開(kāi)時(shí)自鎖錨頭
圖14 擴(kuò)底自鎖抗浮錨桿詳圖
4.1.2 擴(kuò)孔自鎖破壞形式
擴(kuò)底自鎖抗浮錨桿用于巖土層時(shí),應(yīng)探明巖石層的地質(zhì)構(gòu)造和裂隙,確保錨桿錨入范圍內(nèi)不得有裂隙等缺陷。擴(kuò)孔自鎖抗浮錨桿的可能破壞(失效)模式有以下兩種:1)巖石呈錐形受拉破壞:當(dāng)桿體長(zhǎng)度相對(duì)較短、錨頭入巖深度較小時(shí)可能發(fā)生這種破壞。2)桿體拔斷:當(dāng)桿體長(zhǎng)度較長(zhǎng)、巖石堅(jiān)硬完整,錨頭入巖深度較大時(shí)可能發(fā)生這種破壞。
4.1.3 擴(kuò)孔自鎖驗(yàn)算
根據(jù)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS 22∶2005)[9]和《巖石與混凝土自鎖錨固技術(shù)規(guī)程》(DB42/T 1488—2018)[10],巖土錨桿須進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算,整體穩(wěn)定計(jì)算示意圖如圖15所示,驗(yàn)算公式如下:
圖15 整體穩(wěn)定計(jì)算示意圖
(1)
式中:K值根據(jù)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS 22∶2005)[9]取值;巖石體重量R和結(jié)構(gòu)物重量W均應(yīng)取有效重度;浮力T取地下結(jié)構(gòu)底板底面的水壓力標(biāo)準(zhǔn)值。
鋼錨桿桿體的截面面積應(yīng)按式(2)計(jì)算:
(2)
式中:As為錨桿桿體鋼筋截面面積;fyk為錨桿鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;Nt為錨桿的軸向拉力設(shè)計(jì)值;Kt為錨桿桿體抗拉安全系數(shù)。
錨桿的錨固段長(zhǎng)度可按式(3)和式(4)計(jì)算,并取其中的較大值。
當(dāng)驗(yàn)算錨桿桿體在地層內(nèi)錨固長(zhǎng)度時(shí):
(3)
當(dāng)驗(yàn)算錨桿筋體在注漿體內(nèi)錨固長(zhǎng)度時(shí):
(4)
式中:K為錨桿錨固體抗拔安全系數(shù);Nt為錨桿的軸向拉力設(shè)計(jì)值;La為錨桿錨固段長(zhǎng)度;fmg為錨固段注漿體與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;fms為錨固段注漿體與筋體間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值:D為錨桿鉆孔直徑;d為鋼筋直徑;ψ為錨固長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù);n為鋼筋根數(shù);ξ為采用2或2根以上鋼筋時(shí),界面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù),取0.7~0.85。
擴(kuò)底自鎖抗浮錨桿主要利用錨桿擴(kuò)大頭和巖石表面的銷(xiāo)栓錨固力進(jìn)行抗拔,其錨固力Fl可參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[11](簡(jiǎn)稱(chēng)混規(guī))中第6.6.1條計(jì)算,公式如下:
Fl≤1.35βcβlfrkAln
(5)
(6)
式中:βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù);βl為局部受壓的強(qiáng)度提高系數(shù);Ab為巖石局部受壓計(jì)算面積;Aln為局部受壓的底面面積,即為錨桿桿體外擴(kuò)大頭圓環(huán)的面積;frk為巖石抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。
躍層柱剖面示意如圖16所示,由圖可知,本工程西側(cè)大堂在1~3層有兩根兩層通高的躍層柱(柱1),其躍層總高度為9.7m;東側(cè)大堂在1~4層有一根三層通高躍層柱(柱2),其躍層總高度為14.5m。采用YJK軟件進(jìn)行躍層柱穩(wěn)定性驗(yàn)算,計(jì)算時(shí)調(diào)整柱計(jì)算高度為9.0m和14.5m,且考慮柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1.25進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明躍層柱穩(wěn)定性及截面滿(mǎn)足要求。
圖16 躍層柱剖面示意圖
為進(jìn)一步分析躍層柱在豎向荷載作用下的穩(wěn)定性,采用YJK軟件進(jìn)行構(gòu)件層面的屈曲分析,分析結(jié)果如表7所示。
躍層柱屈曲驗(yàn)算 表7
由表7可知,躍層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)均小于混規(guī)限值1.25,且躍層柱的屈曲臨界力遠(yuǎn)大于大震作用下躍層柱所受軸力,大震作用下不會(huì)發(fā)生失穩(wěn),躍層柱受力由強(qiáng)度控制。
本項(xiàng)目在核心筒外設(shè)置X向剪力墻,結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足高規(guī)的剛重比和剪重比要求,但核心筒左側(cè)剪力墻下部為車(chē)庫(kù)行車(chē)通道,須在地下室頂板位置轉(zhuǎn)換,如圖17所示。轉(zhuǎn)換構(gòu)件采用型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱,如圖18和圖19所示。
圖17 地下室頂板轉(zhuǎn)換梁示意圖
圖18 轉(zhuǎn)換柱截面示意圖
圖19 轉(zhuǎn)換梁截面示意圖
轉(zhuǎn)換柱角部?jī)傻拦拷罹捎美钚问?,便于柱鋼筋綁扎,柱混凝土采用自密?shí)微膨脹免振搗混凝土,增強(qiáng)框支柱混凝土澆筑的密實(shí)度。梁縱向鋼筋與型鋼柱翼緣預(yù)留的套筒采用機(jī)械連接,或與型鋼柱翼緣預(yù)留的節(jié)點(diǎn)板單面焊接。梁拉筋與內(nèi)置型鋼預(yù)留的耳板孔洞連接。
本文對(duì)典型的扁長(zhǎng)平面、超大核心筒高寬比結(jié)構(gòu)的影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性因素進(jìn)行分析,總結(jié)出相應(yīng)的影響規(guī)律,綜合各種因素,結(jié)合實(shí)際工程,本項(xiàng)目采用了內(nèi)核心筒與外框筒之間設(shè)置X向剪力墻并加寬周邊梁的方案。并對(duì)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的巖石擴(kuò)孔自鎖抗浮錨桿、躍層柱穩(wěn)定性驗(yàn)算及型鋼混凝土轉(zhuǎn)換構(gòu)件等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。結(jié)果表明,在核心筒外X向設(shè)置少量剪力墻和加大周邊框架梁的剛度,能有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,且施工方便、不影響建筑功能。擴(kuò)底自鎖錨桿具有單根錨桿抗拔力大,經(jīng)濟(jì)效益良好的特點(diǎn)。項(xiàng)目中的躍層柱能滿(mǎn)足大震穩(wěn)定性要求。項(xiàng)目中針對(duì)于型鋼轉(zhuǎn)換構(gòu)件采取的措施,保證了結(jié)構(gòu)的安全性,方便了現(xiàn)場(chǎng)的施工。