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摘要：本文结合具体实例，对下沉式广场和整体相连的地下室组成具有特色的高层建筑群结构设计进行分析，并提出了一些建议及结论。
关键词：结构设计；复杂高层建筑群；控制差异沉降
一、工程概况
某商住广场公寓位于某市中心商业街的西延伸端,靠山的对面。它是由A、B、C、D、E、F共6座高层公寓(分3组,每2座通过连体结构相连)、3层商业裙房、下沉式广场和整体相连的地下室组成具有特色的高层建筑群。地面以上根据山和广场的空间取向,建筑层数从26层依次升至32层,在最高的C座和D座的屋顶,结合水箱、设备用房与空中花园组成“玻璃穹顶”,C座和D座高层建筑之间的拱形连体“空中茶室”外侧为大面积玻璃幕墙,形成“凯旋门”的建筑外形。目前，已成为某市的标志性建筑之一,如图1。
图1
地下1层(局部2层)主要是由人防、停车库、设备用房和下沉式广场等组成整体相连的地下室,并与城市地下人行过街通道相连,下沉式广场面积约680m2,不设永久性沉降缝和伸缩缝的地下室长度达208m(图2);建筑物总高度为117.53m,建筑总面积为133791 m2。
图2
二、地下室的工程设计
1地质条件
工程位于沿海软土地区的山脚下,因此,在编制《岩土工程勘察设计要求》时,设计除按照通常要求提供岩土工程勘察文件以外,还针对地下室和大底盘、带转换层、不等高多塔楼、连体组成的复杂高层建筑结构群对不均匀沉降十分敏感的特点,特别提出必须提供“建筑场地平面图的持力层层面等高线图”的要求,工程实践证明,此项工作为开展整体结构设计,大面积施工、工程管理和科学决策提供了极为重要的依据。
根据《岩土工程勘察报告(详勘)》的情况,地下水位高度,距地面仅0.6m。上层土质差,地面以下30~50m以内均为高压缩性或中偏高压缩性土层;基岩埋藏深且起伏大,下部稳定基岩的顶面倾角一般在30°左右,最大处可达60°以上,其中A座的承台底面距最浅的(7-3)中风化基岩层顶板面仅为20m左右,而E座的承台底面距最深(7-3)中风化基岩层顶板面达70m以上,岩土工程条件极为复杂。各土层的主要物理力学指标,详见表1。
表1
2基础和地下室的工程设计
整体相连的地下室约210m×80m(长×宽)左右均不设永久性沉降和伸缩缝,属超长钢筋混凝土结构,温度应力不可忽视,同时,上部为大底盘、带转换层、不等高多塔楼、连体组成的复杂高层建筑结构群,其中,高层公寓部分荷载大,裙房部分荷载小,下沉式广场甚至处于抗浮状态,荷载差异极大,地下室工程对不均匀沉降十分敏感,因此,建立科学的设计理念和正确的整体结构设计思路比单纯的结构计算更为重要。在设计中提出:采用“调”、“抗”、“放”整体结构设计的新思路与新方法,运用安全合理的技术措施和施工工艺,严格控制温度应力和差异沉降,综合解决地下室工程建设中的技术难题。
“调”—就是通过调整荷载中心和抗力重心的位置,调整上下刚度差,调整传力途径和传力方向,通过合理布桩,选择合适的桩型和稳定的持力层,按照整体沉降计算与分析结果调整桩长、桩径和利用回填土增加自重;加强施工期间的沉降观测,开展动态管理,按照沉降观测结果调整施工顺序和后浇带封闭时机,调整沉降差,努力减少或消除差异沉降对地下室结构的不利影响。同时,努力调整和控制施工与使用期间的温度变化差异,以减少内外温差、日照温差和季节温差对地下室工程的不利影响。
“抗”—就是按照实际的受力状况設置抗压桩和抗拔桩;基础、地下室外墙、底板和顶板的结构设计满足各种受力工况下的强度、刚度、稳定性和耐久性要求;地下室外墙、底板和顶板采用补偿收缩混凝土新技术,同时,重点部位和重点区域适当提高配筋率,以提高钢筋混凝土结构的抗裂和抗渗能力。
“放”—就是当“调”和“抗”已无法满足使用要求或者已明显不经济、不合理的情况下,采取直接将部分应力“释放”的设计方法。如:地下室在荷载差异较大的部位设置7条沉降型施工后浇带,待沉降趋于稳定后封闭,以减少混凝土的收缩应力和施工期间的差异沉降所产生的附加应力;地下室与城市地下人行过街通道之间设置沉降缝脱开等(图2)。
本工程均采用大直径钻孔灌注桩,并以第(7-2)强风化岩层或(7-3)中风化岩层为桩端持力层,桩端进入持力层不小于D(D为桩直径),并要求严格控制桩底沉渣(不得大于50mm),以便于尽可能地减少由于桩端持力层不同而产生的差异沉降。桩径按照其荷载大小、桩的受力类型和沉降计算分析,分别采用800mm、900mm和1000mm大直径钻孔灌注桩,桩身混凝土强度等级为C30。
为确保地下室大体积混凝土浇筑后的质量,主要采取以下施工技术措施:①利用混凝土后期60d强度代替28d强度;②采用合理的混凝土配合比,选择低水化热的矿渣硅酸盐水泥;③采用高效混凝土膨胀剂配制的补偿收缩混凝土技术,地下室底板、地下车道混凝土的限制膨胀率按1.8×10-4设计,地下室外墙和顶板混凝土的限制膨胀率按2.1×10-4设计,掺量由现场试验确定;④加强蓄热保湿养护,浇水养护不少于14d;⑤运用智能温度巡检测温系统动态控制技术,控制内外温差不大于25℃。
三、上部结构设计
上部结构是由3层裙房组成的大底盘,以及A、B、C、D、E、F共6座带转换层的不等高多塔楼高层公寓分3组,每2座沿高度方向通过连体结构局部相连组成的高层建筑群,属复杂高层建筑结构。
1结构选型及主要结构布置
为适应底部建筑大开间、多功能和上部公寓建筑的要求,在满足建筑各项功能要求的前提下,6座高层公寓设计充分地利用楼梯间、电梯井和管道井设置剪力墙,组成部分框支剪力墙结构体系,除C座和D座屋顶的“玻璃穹顶”,高层建筑之间的拱形连体“空中茶室”,以及商场大型“采光屋面”采用钢结构以外,其余均采用现浇钢筋混凝土结构,由于工程设计阶段的规范尚未正式颁布实施,因此,设计仍按照《混凝土结构设计规范》执行。
从建筑平面上看,A、B、C、D、E、F共6座上部高层公寓各自独立部分的平面和刚度并不相同,两个主轴方向平面和动力特性也有较大的差异,因此在结构布置时给予重点关注,通过调整剪力墙布置的位置和调整在剪力墙上开设“结构洞”的大小和位置,努力使其计算结果达到基本相近的设计控制目标。
混凝土强度等级由下到上为C40~C25;高层公寓除由电梯井、楼梯间和设备管道井剪力墙组成的核心筒和部分抗扭剪力墙落地以外,其余剪力墙厚度分别为250~200mm均不落地;6座高层主体结构的梁式转换层均设在标高14.5m的4层裙房屋面层;转换层上下结构侧向刚度均按照要求控制,框支梁和框支柱按“高规”要求设计,框支梁截面设计为60cm×150cm,落地剪力墙截面加大至400mm,由于这一部分屋面既是转换层的楼面,又是大底盘的顶面,楼板和梁在两座塔楼的同方向振动和相对振动中,受力十分复杂,会产生一定的水平剪力,必须进行特殊设计和构造加强处理,因此,转换层及相邻楼板的刚度按要求予以加强,楼板厚200mm,楼板和梁的上下钢筋通长布置,适当布置抗剪钢筋。
2连体结构设计
2.1钢筋混凝土连体结构设计
A座与B座、E座与F座高层连体结构采用现浇钢筋混凝土结构刚性连接,连接层的楼板和梁,在两座塔楼的同方向振动和相对振动中,受力也同样十分复杂,也必须进行特殊设计和构造加强处理,因此,连接层及相邻楼板的刚度按要求予以加强,楼板厚180mm,楼板和梁的上下钢筋通长布置,并在板内适当布置抗剪钢筋,连接梁与内部梁拉通,梁内增设纵向抗拉钢筋,箍筋全程加密,支座两端结构重点加强,图8是A座与B座连体结构平面。
2.2“可呼吸式”连体钢结构设计
C座、D座高层建筑26~29层之间设有“空中茶吧”,共两层,跨度29.7m,底层楼面距地面高度82m,外侧为大面积玻璃幕墙形成“凯旋门”的建筑外形,见图1。连体钢结构设计难点在于:①主体结构必须满足承载力、刚度、延性和稳定性要求,支座连接必须安全、可靠,特别是必须要满足在超强特大台风或地震作用下承载力与变形控制的要求;②虽然外侧大面积玻璃幕墙是由专业幕墙设计和施工单位来完成的,但作为主体建筑设计单位也必须积极创造条件,以减少主体建筑变形对外侧大面积玻璃幕墙的不利影响;③必须便于施工,可操作、可控制和可实现。
经过多方案的技术经济比较,C座与D座高层建筑之间的连体“空中茶室”采用钢结构连接,利用烟道作为连体钢结构的铰接支座,为了消除两幢高层建筑的“晃动”,以及连体钢结构的“热胀冷缩”对结构的影响,专门设计了一种适用于高层建筑的新型连体钢结构“呼吸系统”,以满足承载力和变形控制的要求。并经受住了多次超强特大台风的考验。
3结构的计算与分析
设计分别按照大底盘各塔独立和大底盘多塔连体分两次进行计算与分析,并对计算结果进行人工对比、人工内力组合和构件设计,特别是对薄弱层判别,连体结构以及相邻的上下结构要给予重点关注,对采用铰接形式的连体结构还应验算罕遇地震下的变形是否能够满足设计防坠措施的要求。计算程序采用SATWE计算,PMSAP校核,同时,选用ANSYS程序校核内力,并进行整体结构优化。
(1)计算基本风压设计取值w=0.70kN/m2,并按“高规”乘以1.1调整系数,地面粗糙度B类;基本雪压S=0.35kN/ m2;建筑结构安全等级为二级;结构重要性系数γ=1.0;抗震重要性类别为丙类;抗震设防烈度为6度;场地土类别为Ⅲ级;模拟施工方法计算竖向荷载;计算X、Y两个方向的风荷载和地震作用;计算振型为16个(振型参与质量满足“高规”要求);考虑扭转耦联振动计算。
(2)从计算结果可以看出,结构在风荷载和地震作用下其最大顶点位移和层间位移均满足“高规”要求。
四、结论
该高层建筑群的整体结构受力复杂,给结构设计、施工和工程管理带来多项技术难题,得出以下适合于解决工程技术难题的方法与思路:
(1)通过采用“调”、“抗”、“放”整体结构的设计思路和方法,安全合理的技术措施和施工工艺,以及科学的管理,综合解决地下室、大底盘、带转换层、不等高多塔楼、连体超限复杂高层建筑群工程建设中的各种技术难题。
(2)將“可呼吸”的设计理念运用于高层建筑的连体结构中,组成新型的连体钢结构“呼吸系统”,以消除两幢高层建筑的“晃动”,以及连体钢结构的“热胀冷缩”对结构的影响,并取得成效。
(3)充分利用已建成的高层主体结构,采用计算机控制液压同步整体提升新工艺进行高层连体钢结构的整体安装是可行、有效的。高层建筑群的整体结构受力复杂,给结构设计、施工和工
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：结构设计；复杂高层建筑群；控制差异沉降
一、工程概况
某商住广场公寓位于某市中心商业街的西延伸端,靠山的对面。它是由A、B、C、D、E、F共6座高层公寓(分3组,每2座通过连体结构相连)、3层商业裙房、下沉式广场和整体相连的地下室组成具有特色的高层建筑群。地面以上根据山和广场的空间取向,建筑层数从26层依次升至32层,在最高的C座和D座的屋顶,结合水箱、设备用房与空中花园组成“玻璃穹顶”,C座和D座高层建筑之间的拱形连体“空中茶室”外侧为大面积玻璃幕墙,形成“凯旋门”的建筑外形。目前，已成为某市的标志性建筑之一,如图1。
图1
地下1层(局部2层)主要是由人防、停车库、设备用房和下沉式广场等组成整体相连的地下室,并与城市地下人行过街通道相连,下沉式广场面积约680m2,不设永久性沉降缝和伸缩缝的地下室长度达208m(图2);建筑物总高度为117.53m,建筑总面积为133791 m2。
图2
二、地下室的工程设计
1地质条件
工程位于沿海软土地区的山脚下,因此,在编制《岩土工程勘察设计要求》时,设计除按照通常要求提供岩土工程勘察文件以外,还针对地下室和大底盘、带转换层、不等高多塔楼、连体组成的复杂高层建筑结构群对不均匀沉降十分敏感的特点,特别提出必须提供“建筑场地平面图的持力层层面等高线图”的要求,工程实践证明,此项工作为开展整体结构设计,大面积施工、工程管理和科学决策提供了极为重要的依据。
根据《岩土工程勘察报告(详勘)》的情况,地下水位高度,距地面仅0.6m。上层土质差,地面以下30~50m以内均为高压缩性或中偏高压缩性土层;基岩埋藏深且起伏大,下部稳定基岩的顶面倾角一般在30°左右,最大处可达60°以上,其中A座的承台底面距最浅的(7-3)中风化基岩层顶板面仅为20m左右,而E座的承台底面距最深(7-3)中风化基岩层顶板面达70m以上,岩土工程条件极为复杂。各土层的主要物理力学指标,详见表1。
表1
2基础和地下室的工程设计
整体相连的地下室约210m×80m(长×宽)左右均不设永久性沉降和伸缩缝,属超长钢筋混凝土结构,温度应力不可忽视,同时,上部为大底盘、带转换层、不等高多塔楼、连体组成的复杂高层建筑结构群,其中,高层公寓部分荷载大,裙房部分荷载小,下沉式广场甚至处于抗浮状态,荷载差异极大,地下室工程对不均匀沉降十分敏感,因此,建立科学的设计理念和正确的整体结构设计思路比单纯的结构计算更为重要。在设计中提出:采用“调”、“抗”、“放”整体结构设计的新思路与新方法,运用安全合理的技术措施和施工工艺,严格控制温度应力和差异沉降,综合解决地下室工程建设中的技术难题。
“调”—就是通过调整荷载中心和抗力重心的位置,调整上下刚度差,调整传力途径和传力方向,通过合理布桩,选择合适的桩型和稳定的持力层,按照整体沉降计算与分析结果调整桩长、桩径和利用回填土增加自重;加强施工期间的沉降观测,开展动态管理,按照沉降观测结果调整施工顺序和后浇带封闭时机,调整沉降差,努力减少或消除差异沉降对地下室结构的不利影响。同时,努力调整和控制施工与使用期间的温度变化差异,以减少内外温差、日照温差和季节温差对地下室工程的不利影响。
“抗”—就是按照实际的受力状况設置抗压桩和抗拔桩;基础、地下室外墙、底板和顶板的结构设计满足各种受力工况下的强度、刚度、稳定性和耐久性要求;地下室外墙、底板和顶板采用补偿收缩混凝土新技术,同时,重点部位和重点区域适当提高配筋率,以提高钢筋混凝土结构的抗裂和抗渗能力。
“放”—就是当“调”和“抗”已无法满足使用要求或者已明显不经济、不合理的情况下,采取直接将部分应力“释放”的设计方法。如:地下室在荷载差异较大的部位设置7条沉降型施工后浇带,待沉降趋于稳定后封闭,以减少混凝土的收缩应力和施工期间的差异沉降所产生的附加应力;地下室与城市地下人行过街通道之间设置沉降缝脱开等(图2)。
本工程均采用大直径钻孔灌注桩,并以第(7-2)强风化岩层或(7-3)中风化岩层为桩端持力层,桩端进入持力层不小于D(D为桩直径),并要求严格控制桩底沉渣(不得大于50mm),以便于尽可能地减少由于桩端持力层不同而产生的差异沉降。桩径按照其荷载大小、桩的受力类型和沉降计算分析,分别采用800mm、900mm和1000mm大直径钻孔灌注桩,桩身混凝土强度等级为C30。
为确保地下室大体积混凝土浇筑后的质量,主要采取以下施工技术措施:①利用混凝土后期60d强度代替28d强度;②采用合理的混凝土配合比,选择低水化热的矿渣硅酸盐水泥;③采用高效混凝土膨胀剂配制的补偿收缩混凝土技术,地下室底板、地下车道混凝土的限制膨胀率按1.8×10-4设计,地下室外墙和顶板混凝土的限制膨胀率按2.1×10-4设计,掺量由现场试验确定;④加强蓄热保湿养护,浇水养护不少于14d;⑤运用智能温度巡检测温系统动态控制技术,控制内外温差不大于25℃。
三、上部结构设计
上部结构是由3层裙房组成的大底盘,以及A、B、C、D、E、F共6座带转换层的不等高多塔楼高层公寓分3组,每2座沿高度方向通过连体结构局部相连组成的高层建筑群,属复杂高层建筑结构。
1结构选型及主要结构布置
为适应底部建筑大开间、多功能和上部公寓建筑的要求,在满足建筑各项功能要求的前提下,6座高层公寓设计充分地利用楼梯间、电梯井和管道井设置剪力墙,组成部分框支剪力墙结构体系,除C座和D座屋顶的“玻璃穹顶”,高层建筑之间的拱形连体“空中茶室”,以及商场大型“采光屋面”采用钢结构以外,其余均采用现浇钢筋混凝土结构,由于工程设计阶段的规范尚未正式颁布实施,因此,设计仍按照《混凝土结构设计规范》执行。
从建筑平面上看,A、B、C、D、E、F共6座上部高层公寓各自独立部分的平面和刚度并不相同,两个主轴方向平面和动力特性也有较大的差异,因此在结构布置时给予重点关注,通过调整剪力墙布置的位置和调整在剪力墙上开设“结构洞”的大小和位置,努力使其计算结果达到基本相近的设计控制目标。
混凝土强度等级由下到上为C40~C25;高层公寓除由电梯井、楼梯间和设备管道井剪力墙组成的核心筒和部分抗扭剪力墙落地以外,其余剪力墙厚度分别为250~200mm均不落地;6座高层主体结构的梁式转换层均设在标高14.5m的4层裙房屋面层;转换层上下结构侧向刚度均按照要求控制,框支梁和框支柱按“高规”要求设计,框支梁截面设计为60cm×150cm,落地剪力墙截面加大至400mm,由于这一部分屋面既是转换层的楼面,又是大底盘的顶面,楼板和梁在两座塔楼的同方向振动和相对振动中,受力十分复杂,会产生一定的水平剪力,必须进行特殊设计和构造加强处理,因此,转换层及相邻楼板的刚度按要求予以加强,楼板厚200mm,楼板和梁的上下钢筋通长布置,适当布置抗剪钢筋。
2连体结构设计
2.1钢筋混凝土连体结构设计
A座与B座、E座与F座高层连体结构采用现浇钢筋混凝土结构刚性连接,连接层的楼板和梁,在两座塔楼的同方向振动和相对振动中,受力也同样十分复杂,也必须进行特殊设计和构造加强处理,因此,连接层及相邻楼板的刚度按要求予以加强,楼板厚180mm,楼板和梁的上下钢筋通长布置,并在板内适当布置抗剪钢筋,连接梁与内部梁拉通,梁内增设纵向抗拉钢筋,箍筋全程加密,支座两端结构重点加强,图8是A座与B座连体结构平面。
2.2“可呼吸式”连体钢结构设计
C座、D座高层建筑26~29层之间设有“空中茶吧”,共两层,跨度29.7m,底层楼面距地面高度82m,外侧为大面积玻璃幕墙形成“凯旋门”的建筑外形,见图1。连体钢结构设计难点在于:①主体结构必须满足承载力、刚度、延性和稳定性要求,支座连接必须安全、可靠,特别是必须要满足在超强特大台风或地震作用下承载力与变形控制的要求;②虽然外侧大面积玻璃幕墙是由专业幕墙设计和施工单位来完成的,但作为主体建筑设计单位也必须积极创造条件,以减少主体建筑变形对外侧大面积玻璃幕墙的不利影响;③必须便于施工,可操作、可控制和可实现。
经过多方案的技术经济比较,C座与D座高层建筑之间的连体“空中茶室”采用钢结构连接,利用烟道作为连体钢结构的铰接支座,为了消除两幢高层建筑的“晃动”,以及连体钢结构的“热胀冷缩”对结构的影响,专门设计了一种适用于高层建筑的新型连体钢结构“呼吸系统”,以满足承载力和变形控制的要求。并经受住了多次超强特大台风的考验。
3结构的计算与分析
设计分别按照大底盘各塔独立和大底盘多塔连体分两次进行计算与分析,并对计算结果进行人工对比、人工内力组合和构件设计,特别是对薄弱层判别,连体结构以及相邻的上下结构要给予重点关注,对采用铰接形式的连体结构还应验算罕遇地震下的变形是否能够满足设计防坠措施的要求。计算程序采用SATWE计算,PMSAP校核,同时,选用ANSYS程序校核内力,并进行整体结构优化。
(1)计算基本风压设计取值w=0.70kN/m2,并按“高规”乘以1.1调整系数,地面粗糙度B类;基本雪压S=0.35kN/ m2;建筑结构安全等级为二级;结构重要性系数γ=1.0;抗震重要性类别为丙类;抗震设防烈度为6度;场地土类别为Ⅲ级;模拟施工方法计算竖向荷载;计算X、Y两个方向的风荷载和地震作用;计算振型为16个(振型参与质量满足“高规”要求);考虑扭转耦联振动计算。
(2)从计算结果可以看出,结构在风荷载和地震作用下其最大顶点位移和层间位移均满足“高规”要求。
四、结论
该高层建筑群的整体结构受力复杂,给结构设计、施工和工程管理带来多项技术难题,得出以下适合于解决工程技术难题的方法与思路:
(1)通过采用“调”、“抗”、“放”整体结构的设计思路和方法,安全合理的技术措施和施工工艺,以及科学的管理,综合解决地下室、大底盘、带转换层、不等高多塔楼、连体超限复杂高层建筑群工程建设中的各种技术难题。
(2)將“可呼吸”的设计理念运用于高层建筑的连体结构中,组成新型的连体钢结构“呼吸系统”,以消除两幢高层建筑的“晃动”,以及连体钢结构的“热胀冷缩”对结构的影响,并取得成效。
(3)充分利用已建成的高层主体结构,采用计算机控制液压同步整体提升新工艺进行高层连体钢结构的整体安装是可行、有效的。高层建筑群的整体结构受力复杂,给结构设计、施工和工
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。