某各層弱相關(guān)懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

溫四清, 向 虎, 邱 劍, 程 暢, 龍 浩, 任 路

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430014)

1 工程概況

本項(xiàng)目位于湖北省武漢市,為綜合性辦公建筑,主要功能為政務(wù)綜合服務(wù)及辦公,同時(shí)內(nèi)部附屬一處社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心及大數(shù)據(jù)中心?？偨ㄖ娣e約14.13萬m2,地下4層,地上16層,屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為70.750m,屋面以上為桁架層,桁架頂標(biāo)高為78.650m。主體結(jié)構(gòu)采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu),1～4層中部設(shè)架空通道將建筑分為兩個(gè)獨(dú)立的部分,5～9層、9～16層各設(shè)置一個(gè)連接體將結(jié)構(gòu)連為一體,9～16層局部挑空(挑空區(qū)范圍見第3節(jié)),為實(shí)現(xiàn)9～16層挑空且通透的建筑效果,采用鋼拉桿將挑空區(qū)懸掛于屋頂轉(zhuǎn)換桁架上。本項(xiàng)目西側(cè)為一住宅小區(qū),為使該住宅小區(qū)的日照滿足要求,建筑呈現(xiàn)出東南高西北低逐級(jí)退臺(tái)的臺(tái)階狀造型,每隔3～4層收進(jìn)一次,臨近住宅小區(qū)一側(cè)最低。項(xiàng)目效果圖見圖1。

圖1 項(xiàng)目效果圖

本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1,耐火等級(jí)一級(jí)。建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類),抗震設(shè)防烈度6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g,按6度進(jìn)行地震作用(水平地震及豎向地震)計(jì)算,按7度采取抗震措施。場地類別Ⅱ類,特征周期0.35s。基本風(fēng)壓0.35kN/m2(50年重現(xiàn)期),地面粗糙度類別為B類,體型系數(shù)1.4,承載力設(shè)計(jì)時(shí)考慮1.1的放大系數(shù)。項(xiàng)目所在地月平均最低氣溫-5℃,月平均最高氣溫37℃,地下室頂板及地上其他非外露構(gòu)件溫差取±25℃,底板面溫差取0,地下室中間各層按埋深插值確定溫差;屋面桁架上弦、腹桿等為外露構(gòu)件,按平屋面淺色涂裝考慮太陽輻射的影響[1],其計(jì)算溫差取36℃、-25℃。

2 地下室及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)4層地下室,地下室底板面結(jié)構(gòu)標(biāo)高-18.800m,底板厚度900mm。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí),樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)?；A(chǔ)采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁,采用樁端、樁側(cè)后壓漿,樁徑800mm,以中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖為樁端持力層?？垢∷蝗∈彝饨ㄖ瓿擅鏄?biāo)高,水浮力較大,且建筑呈階梯狀,純地下室及上部樓層數(shù)較少的區(qū)域建筑自重較小,采用抗拔樁作為抗浮構(gòu)件。綜上,本項(xiàng)目工程樁采用兩種樁型,工程樁信息見表1,其中Ra為單樁承載力特征值。

表1 工程樁信息

基坑支護(hù)體系采用直徑1.3m支護(hù)樁+二層內(nèi)支撐+支護(hù)樁外采用CSM工法雙輪銑深層攪拌水泥土連續(xù)墻(局部采用素混凝土咬合樁),支護(hù)樁中心距1.7m,第一、二層內(nèi)支撐頂面標(biāo)高分別為-11.300、-4.050m。肥槽寬度1.0m,為保證肥槽回填質(zhì)量,回填材料采用C15素混凝土,回填混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后可起到換撐構(gòu)件的作用。內(nèi)支撐平面布置圖見圖2,二區(qū)、四區(qū)及對撐區(qū)上部結(jié)構(gòu)層數(shù)最多(粗虛線為塔樓層數(shù)最多的區(qū)域),一區(qū)、三區(qū)上部結(jié)構(gòu)層數(shù)較少,為了縮短項(xiàng)目施工工期,優(yōu)先施工二區(qū)、四區(qū)及對撐區(qū)內(nèi)的主體結(jié)構(gòu),二區(qū)、四區(qū)及對撐區(qū)換撐拆撐也需要先于一區(qū)、三區(qū)進(jìn)行。二區(qū)、四區(qū)及對撐區(qū)局部拆撐導(dǎo)致右側(cè)水土壓力沒有外力平衡,需要該區(qū)域的主體結(jié)構(gòu)來抵抗,且拆撐時(shí)主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度只達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%,為了保證主體結(jié)構(gòu)的安全,采用局部模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆撐后的施工階段驗(yàn)算,構(gòu)件配筋進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。驗(yàn)算時(shí)對局部模型作如下調(diào)整:1)局部模型僅包含混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%的區(qū)域;2)按照慣性矩等效的原則將直徑1.3m的支護(hù)樁等效為0.9m厚的鋼筋混凝土外墻,水土壓力均作用在等效的外墻上;3)按照拆撐時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到的實(shí)際強(qiáng)度調(diào)整驗(yàn)算模型中構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí);4)計(jì)算水壓力的水頭按照基坑外圍布置的降水觀測井上一年度的最大觀測數(shù)據(jù)確定(肥槽回填完成之前應(yīng)確保降水后水頭不超過上一年度的最高水頭)。計(jì)算結(jié)果表明:局部拆撐后,在水土壓力作用下靠近地下室外墻區(qū)域的樓層結(jié)構(gòu)變形最大(約3.35mm),臨近地下室外墻的地下4層框架柱配筋變大;支護(hù)樁配筋滿足等效鋼筋混凝土外墻的計(jì)算要求。

圖2 內(nèi)支撐平面布置圖

3 結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置

本項(xiàng)目地上16層,屋面結(jié)構(gòu)高度為70.750m,為A級(jí)高度高層建筑,為保證建筑立面效果及建筑功能,尤其為了避免角部外挑造型造成頭重腳輕體型,不設(shè)置結(jié)構(gòu)縫,充分利用裙房重量平衡懸挑造型的傾覆力矩。地上結(jié)構(gòu)投影長度約117.5m,寬度約85.3m,1層層高為6.0m(局部6.6m),2、3層層高為4.8m(局部4.5m),4、5層層高為4.5m,其余各層層高均為4.2m,基本柱網(wǎng)尺寸為8.4m×8.4m,最大柱網(wǎng)8.4m×25.2m,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。屋頂設(shè)桁架層,桁架下弦頂標(biāo)高為70.630m,桁架上弦頂標(biāo)高為78.650m。

圖3 2層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖4 6層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖5 9層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖6 10層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖8 整體計(jì)算模型

3.1 挑空區(qū)及連體結(jié)構(gòu)方案

對于下部吊掛樓層直接連接在上部樓層的多高層懸掛結(jié)構(gòu)(如廣東省博物館新館[2]、gad企業(yè)總部大樓[3]等),各懸掛樓層受力及變形相互影響較大,上部懸掛樓層的豎向構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)受力很大,構(gòu)造困難,需要關(guān)注的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)過多,某一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效就可能會(huì)發(fā)生安全事故。如1981年7月17日美國堪薩斯城凱悅酒店連廊發(fā)生坍塌[4],共造成114人死亡、216人受傷。坍塌的主要原因?yàn)?連廊為上下兩層,上層通過吊桿吊掛于屋面桁架上,下層的吊桿在上層鋼梁上固定,但未對連接節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行驗(yàn)算加強(qiáng),最終導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處破壞,連廊坍塌。

為了實(shí)現(xiàn)挑空區(qū)通透的建筑效果,避免關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)過多,減小設(shè)計(jì)及施工難度,本項(xiàng)目采用各層弱相關(guān)的懸掛結(jié)構(gòu)[5]:在屋頂設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架,懸掛樓層各層重量均通過獨(dú)立的拉桿懸掛于屋頂轉(zhuǎn)換桁架上,屋頂轉(zhuǎn)換桁架的受力與各樓層重量均相關(guān),但懸掛各層不直接相連,其受力及變形相互影響較弱。

相對于采用鋼柱作為吊柱的方案,各層弱相關(guān)懸掛結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢有:1)各懸掛層通過拉桿直接與屋頂轉(zhuǎn)換桁架相連,下部懸掛樓層不與其上的其他懸掛樓層相連,各層豎向撓度及內(nèi)力相互影響小,可顯著減小由于逐層施工在相鄰層造成的次應(yīng)力。拉桿可采用抗拉強(qiáng)度更高的鋼材,鋼材用量少,建筑效果美觀。2)拉桿采用插耳式錨頭,構(gòu)造簡單、安全可靠。3)通過合理的施工方案,可使樓層梁內(nèi)力分布達(dá)到最優(yōu),優(yōu)化鋼梁截面。4)懸掛層可在地面拼裝,不需搭設(shè)高大腳手架,措施費(fèi)大大節(jié)省,施工風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。高空焊接量大大減少,施工質(zhì)量更容易保證。5)樓層吊點(diǎn)受力較小,構(gòu)造簡單,安全性容易保證,重點(diǎn)關(guān)注屋頂桁架吊掛節(jié)點(diǎn)的安全性即可保證結(jié)構(gòu)的安全。

拉桿可以選用強(qiáng)度較高的合金鋼拉桿或者鋼絞線。本項(xiàng)目中拉桿作為豎向受力構(gòu)件,其耐火極限需要滿足柱的耐火極限要求(即不低于3h)?？紤]到鋼絞線U形錨頭通常為冷鑄錨具,錨具填料的熔點(diǎn)相對鋼材較低,火災(zāi)時(shí)錨頭可能因錨具填料熔化而成為薄弱環(huán)節(jié),而鋼拉桿與U形錨頭通過螺紋連接,錨頭和桿體在高溫下的工作受力性能一致,可以避免薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn),故本項(xiàng)目拉桿均采用650級(jí)合金鋼鋼拉桿。

在挑空區(qū)各軸線交點(diǎn)處設(shè)置吊掛點(diǎn),由于各層平面布置稍有差異,各層的吊點(diǎn)數(shù)量不完全相同,9～16層吊點(diǎn)數(shù)量由下至上分別為10、8、10、8、12、10、12、10個(gè),各樓層每個(gè)吊點(diǎn)采用獨(dú)立鋼拉桿吊掛于屋頂轉(zhuǎn)換桁架上,不與其上部的樓層相連。屋頂轉(zhuǎn)換桁架上單個(gè)吊點(diǎn)含8根或4根獨(dú)立鋼拉桿,鋼拉桿直徑為60、70mm。單個(gè)吊點(diǎn)的鋼拉桿布置示意圖見圖9。

圖9 鋼拉桿示意

圖10 空腹桁架三維模型

3.2 屋頂轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)布置

屋頂桁架采用鋼結(jié)構(gòu),通過方案比選[6]確定屋頂桁架的布置,上弦、下弦及腹桿截面均采用焊接箱形截面,屋頂轉(zhuǎn)換桁架三維模型見圖11,典型桁架的立面布置見圖12。典型上弦、下弦截面尺寸為(400～800)×800,腹桿截面尺寸為(500～800)×500,壁厚根據(jù)受力采用20～60mm。因桁架上弦處無樓板,為保證屋頂轉(zhuǎn)換桁架上弦平面的平面內(nèi)整體性,減小上弦平面內(nèi)的變形,在桁架上弦周邊柱網(wǎng)設(shè)置水平支撐,在、軸間也增設(shè)水平支撐,水平支撐截面為焊接箱形截面□400×400×12×12。

3.3 豎向構(gòu)件

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力及建筑裝配式需要,支撐屋頂轉(zhuǎn)換桁架及④～⑦軸交～軸連接體的柱采用矩形鋼管混凝土柱,其余柱采用鋼筋混凝土柱,典型鋼管混凝土柱截面為800×800×(30～50)、1 000×600×(30～60),鋼筋混凝土柱截面為600×600～1 000×1 000。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),在關(guān)鍵部位(～軸交?～、～軸)布置較為集中的剪力墻,剪力墻厚200～600mm,從基礎(chǔ)至墻頂厚度不變,另根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)(簡稱《高規(guī)》)對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻間距要求分散布置剪力墻,剪力墻厚300～400mm。

3.4 主要材料

鋼管混凝土柱中混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50～C60,鋼筋混凝土墻柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)C45～C60,梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30～C35。梁、柱縱筋采用HRB500,梁、柱、邊緣構(gòu)件箍筋采用HRB400,墻水平及豎向分布筋采用HRB400,板受力鋼筋采用CRB600H和HRB400。鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q355C、Q345GJC。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)及解決方案

4.1 結(jié)構(gòu)超限分析

采用YJK和MIDAS Building對項(xiàng)目進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)靜力彈性對比分析,對比結(jié)果均基本吻合。

本項(xiàng)目高度不超限,但存在扭轉(zhuǎn)、凹凸、樓板不連續(xù)、尺寸突變、構(gòu)件間斷5項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng),根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2016年版)(簡稱《抗規(guī)》)及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))[7],本項(xiàng)目屬于特別不規(guī)則的超限高層建筑。小震、中震、大震分析結(jié)果表明整體結(jié)構(gòu)滿足C級(jí)抗震性能目標(biāo)要求[8]。

4.2 屋頂轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計(jì)

屋頂轉(zhuǎn)換桁架是本項(xiàng)目的主要受力構(gòu)件,其可靠性直接關(guān)系到懸掛結(jié)構(gòu)的安全性,需要特別重視。通過屋頂轉(zhuǎn)換桁架方案比選,并采用多種模型對屋頂桁架進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)[6],既保證了屋頂桁架的安全性,也保證了本項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和使用的舒適性。

4.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

通過特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以下節(jié)點(diǎn)構(gòu)造:1)中間吊掛層連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造[9],吊掛下層的鋼拉桿需穿過本層,以實(shí)現(xiàn)各懸掛樓層弱相關(guān);2)鋼拉桿與屋頂轉(zhuǎn)換桁架的連接構(gòu)造[10],桁架下弦吊掛節(jié)點(diǎn)處鋼拉桿數(shù)量為8根或4根,鋼拉桿連接板數(shù)量多且間距小,若連接板直接與桁架下弦下翼緣焊接,桁架下弦下翼緣存在層狀撕裂的風(fēng)險(xiǎn),受力不利,可能危及結(jié)構(gòu)安全。為保證節(jié)點(diǎn)受力安全,對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析,結(jié)果表明本項(xiàng)目所采用的的節(jié)點(diǎn)能夠滿足受力要求[6]。

4.4 連接體及挑空區(qū)樓蓋設(shè)計(jì)

4.5 吊掛鋼拉桿設(shè)計(jì)

鋼拉桿內(nèi)力的控制組合為恒+活+風(fēng)、恒+活+溫度,提取鋼拉桿最不利內(nèi)力用于鋼拉桿選型。本項(xiàng)目吊掛鋼拉桿采用650級(jí)合金鋼鋼拉桿,鋼拉桿直徑為60、70mm。鋼拉桿受力情況如表2所示,其中R、Tk分別為鋼拉桿的抗拉承載力設(shè)計(jì)值、極限抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值(破斷承載力);S、Sk分別為鋼拉桿最大內(nèi)力設(shè)計(jì)值、標(biāo)準(zhǔn)值。從表2可知,吊掛鋼拉桿受力滿足《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 257—2012)[12]的要求。各規(guī)格鋼拉桿在恒載、活載、豎向地震作用下的軸力標(biāo)準(zhǔn)值見表3。由表3可知,豎向地震對于鋼拉桿的內(nèi)力貢獻(xiàn)較小,構(gòu)件驗(yàn)算信息表明鋼拉桿控制組合也并非地震組合。鋼拉桿加工時(shí)下料長度扣除恒載作用下的伸長量,以保證使用階段樓面的平整度,避免裝修找平增加裝修荷載影響結(jié)構(gòu)安全。

表3 恒載、活載、豎向地震作用下的鋼拉桿軸力標(biāo)準(zhǔn)值

4.6 連接體及挑空區(qū)施工次序

9～16層挑空區(qū)采用各層弱相關(guān)的懸掛結(jié)構(gòu),結(jié)合其特點(diǎn),擬采用的施工方案[13]:兩側(cè)落地結(jié)構(gòu)施工到頂→屋頂轉(zhuǎn)換桁架施工→懸掛區(qū)9～16層樓面鋼梁在地面或局部屋面堆疊拼裝→整體提升到16層處,安裝吊掛16層的鋼拉桿(與落地鋼管混凝土柱相連的樓層鋼梁兩端鉸接連接)→逐步下降托架,依次安裝吊掛15～9層的鋼拉桿→澆筑吊掛區(qū)樓板并在與非懸掛部分的交界處設(shè)置后澆帶→樓板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,復(fù)測各層吊點(diǎn)標(biāo)高,對施工誤差較大的樓層微調(diào)鋼拉桿長度→將與落地鋼管混凝土柱相連的鋼梁翼緣焊接連接(鉸接變剛接)→封閉懸掛體與非懸掛體之間的后澆帶。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn),若提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高后直接將挑空區(qū)鋼梁與柱剛接,鋼梁靠柱一側(cè)接近懸挑梁的受力特性,支座彎矩很大,鋼拉桿難以發(fā)揮作用,而挑空區(qū)鋼梁兩端先鉸接后剛接可優(yōu)化鋼梁內(nèi)力分布,有利于控制鋼梁梁高以保證建筑凈高。

4.7 抗連續(xù)倒塌分析

本項(xiàng)目安全等級(jí)為一級(jí),在滿足抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上,采用《高規(guī)》提供的方法對關(guān)鍵部位構(gòu)件進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌驗(yàn)算,驗(yàn)算結(jié)果如下:1)拆除受力最大的一根鋼拉桿后,其周邊的鋼拉桿及樓層水平構(gòu)件承載力滿足要求;2)分別拆除、軸桁架～軸間的單根斜腹桿(文獻(xiàn)[6]圖3中的XC1、XC2、XC3、XC4,分4次計(jì)算,每次拆除1根),剩余桁架構(gòu)件的承載力滿足要求[6];3)分別在屋頂桁架主要一層支承柱(、軸交軸柱,軸交軸柱)表面附加80kN/m2的側(cè)向偶然作用,承載力均滿足要求。

4.8 挑空區(qū)幕墻

本項(xiàng)目挑空區(qū)采用各層弱相關(guān)的懸掛結(jié)構(gòu)體系,上下層豎向荷載不關(guān)聯(lián),為保證這一理念的實(shí)現(xiàn),幕墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造也至關(guān)重要。為避免因使用階段層間相對變形過大導(dǎo)致上層荷載通過幕墻龍骨傳至下層使吊掛下層的鋼拉桿超載而出現(xiàn)安全問題,各懸掛樓層的幕墻龍骨應(yīng)獨(dú)立設(shè)置,上下層幕墻龍骨采用插銷式連接,上下層幕墻龍骨間應(yīng)留設(shè)足夠的變形間隙。

5 結(jié)論

(1)本項(xiàng)目建筑造型新穎,采用各層弱相關(guān)的懸掛結(jié)構(gòu)體系以實(shí)現(xiàn)建筑效果。目前業(yè)界有較多的懸掛結(jié)構(gòu),但尚未有各層弱相關(guān)懸掛結(jié)構(gòu)的工程案例,本項(xiàng)目可為類似的工程項(xiàng)目提供參考。

(2)按照施工組織對局部拆撐工況下的地下室結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核,為縮短施工工期創(chuàng)造了條件。

(3)相對于風(fēng)荷載及地震作用而言,豎向荷載是屋頂桁架設(shè)計(jì)的控制因素。樓板應(yīng)力分析結(jié)果表明不執(zhí)行《高規(guī)》“連接體結(jié)構(gòu)樓板厚度不宜小于150mm”的規(guī)定時(shí)連接體樓蓋仍可有效地傳遞水平力,故不執(zhí)行規(guī)范該規(guī)定對本項(xiàng)目有利。通過設(shè)置水平交叉支撐和增加連接體樓板配筋對連接體樓蓋進(jìn)行加強(qiáng)。

(4)對懸掛樓層連接節(jié)點(diǎn)、桁架下弦連接節(jié)點(diǎn)、幕墻節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)做了特殊設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了各層弱相關(guān)的設(shè)計(jì)理念,保證了結(jié)構(gòu)安全。