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【摘要】:以国内某复杂超限高层建筑为例,针对结构特点进行了小震及中震详细分析,并重点分析了桁架转换层的受力及其对整个结构的影响。计算结果表明,桁架转换具有传力明确,传力路径清楚,结构刚度、质量变化较为均匀等优点。
【关键词】:超限高层建筑,桁架转换,层间位移角,抗侧刚度
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1.工程概况
某复杂超限高层建筑是集办公和商业一体的综合性建筑。建筑平面标准层主楼外形尺寸44.2m×38.8m,总建筑面积7万m2。工程地上33层,地下3层。结构总高度地面以上189.20m。在第6层,通过桁架转换将上部外框密柱转换为落地疏柱。
2.结构体系
2.1主体结构
主体结构上部塔楼采用筒中筒结构,下部采用框架)核心筒结构。楼盖采用混凝土现浇楼盖。核心筒采用钢筋混凝土结构。外框柱转换层以下采用型钢混凝土柱,转换层以上采用钢筋混凝土结构。
2.2转换层结构布置
在15层—33层楼层层高均为6.6m,从7层以上外框架柱为密柱布置,在第6层,通过桁架转换将上部外框密柱转换为落地疏柱。外框柱转换层以下采用型钢混凝土柱,转换层以上采用钢筋混凝土结构。东西方向桁架定义为桁架A,南北方向桁架定义为桁架B。桁架下弦采用型钢混凝土梁,截面为1200×1000,桁架上弦和斜腹杆均为混凝土结构,上弦杆截面为1100×800,B桁架中间跨腹杆截面为1000×1100,其余均为900×900。转换层及转换层上层楼板厚度200mm。
3.结构整体计算结果及分析
小震和中震结构设计采用了SATWE和ETABS两个软件进行计算。分别采用多遇地震和抗震设防烈度(中震)地震下振型分解反应谱法和多遇地震下弹性时程法进行了详细的计算分析。
3.1多遇地震下振型分解反应谱法分析计算
多遇地震下两个程序结果相近,各项指标满足规范要求。结构前三周期分别为4.50s,3.31s和1.99s,结构在地震作用下最大层间位移角为1/829,在风荷载作用下的最大层间位移角为1/795。楼层刚度比计算采用层间剪力比层间位移算法,桁架转换层位于第6层,转换层下部结构起止层号为1层—6层,高度25.80m,转换层下部结构起止层号为7层—12层,高度24.20m。
根据文献【1】建议,由于剪切刚度比定义不适用于桁架式转换层上下刚度比的计算,可以以转换层上下层侧移刚度比γ描述转换层刚度比的变化。根据定义,转换层上层与转换层侧移刚度比γX向为0.76,Y向为0.82。转换层与转换层下层侧移刚度比γX向为1.36,Y向为1.22。转换层及其下层楼层抗剪承载力满足不小于相邻上层的80%的规定。桁架转换相对其他转换形式具有沿高抗侧刚度突变小的优点。
3.2抗震设防烈度(中震)地震作用下分析计算
本工程在中震下的抗震性能目标为:地震后结构的薄弱部位和重要部位的构件轻微损坏,出现轻微裂缝,其他部位有部分选定的具有延性的构件中等损坏,出现明显的裂缝,进入屈服阶段,需要修理并采取一些安全措施才可继续使用。按此要求,结构在抗震设防烈度地震作用下,薄弱部位或重要部位构件不屈服,即不考虑内力调整的地震力作用效应和抗震承载力按强度标准值时计算满足要求。
为了比较中震和多遇地震下的构件配筋情况,选取了转换层及有代表性的楼层进行了构件配筋比较,根据中震分析得出以下结论:
1)框架柱在中震作用下配筋均不大于多遇地震作用下的配筋。表明框架柱在多遇地震作用下按规范进行构造与配筋,能够承受中震作用下地震作用。
2)结构框架梁在中震作用下,转换层以上大部分边框梁的抗剪抗弯配筋较多遇地震作用下的配筋有所增加,约增大20%—40%,但未屈服,也未超过一级抗震框架梁的构造配筋。
3)在中震作用下,核心筒剪力墙底部水平分布筋和墙肢暗柱纵筋底略有增加。
4)核心筒剪力墙连梁,在中震作用下,抗剪抗弯配筋普遍增加,局部已屈服。
5)转换桁架。桁架斜压杆在中震作用下所需配筋略大于多遇地震作用下的配筋,桁架上下弦梁配筋有所增加。
4.转换层结构分析与设计
4.1转换桁架内力分析
表1为SATWE和ETABS软件计算的杆件内力。
表1桁架计算内力
桁架弦杆除B桁架跨中段外在大多数荷载组合下轴力均为拉力。桁架最大拉力出现在B桁架跨中下弦杆(3786kN),且梁端弯矩较大(1047KN·m)。
4.2转换桁架设计
桁架设计采用SATWE和ETABS计算结果中的不利结果进行配筋。弦杆支座处根据组合设计值按偏心受拉构件进行计算,按标准组合值计算裂缝,裂缝控制不大于0.3mm,其余部位按轴心受拉进行计算,裂缝控制不大于0.1mm。为了减小桁架局部应力集中和加强节点,在弦杆、斜杆和柱相交处加腋。设计时,下弦杆轴力均考虑由型钢承担,弯矩由梁的面筋和底筋承担。桁架下弦采用型钢(H600×600×20×20),型钢应力比控制在0.7以内。转换层上层为了满足/强边柱弱中柱0原则和控制柱压比,中柱截面为1000×950,边柱截面为1000×1350,并在边柱中加芯柱予以加强。
4.3转换层及其上层板分析设计
为了找出楼板的最大应力分布,在各种工况下进行了楼板有限元分析并进行了对比。根据楼板有限元分析结果,转换层及其上层楼板除了竖向楼面荷载引起的弯矩外,靠近桁架弦杆的板沿弦杆轴向的轴力均较大,这部分轴力是由转换桁架传递到板上的。其中A桁架下弦杆内侧一跨板(3.6m)最大轴向拉力为1154kN,上弦杆内侧一跨板(3.7m)最大轴向拉力为1039kN;B桁架下弦内侧一跨板(2.6m)最大轴向拉力为1517kN,上弦杆内侧一跨板(2.7m)最大轴向拉力为952kN。
除了传递竖向楼面荷载外,转换层楼板要完成上下层剪力的重分配,传递较大的水平力。转换层及其上层楼板厚200mm,双层双向配筋<10/12-150,在核心筒四周一跨加强板筋<12-150,而由桁架传递到楼板的拉应力随着离弦杆的距离增加而衰减很快。
计算表明,6倍板厚以外区域板拉应力已小于混凝土抗拉强度设计值,根据这种应力的大小分布规律加强了沿弦杆周围的板筋,在弦杆周围根据不同拉力大小布置不同配筋的板带暗梁。板带暗梁根据有限元分析板的应力,并按轴心受拉梁计算裂缝宽度控制在0.2mm以内进行设计。板带宽度为6倍板厚(1200mm)。为增加桁架及与其相连板的抗裂性,转换桁架及内侧一跨板采用添加化学纤维混凝土。
5.结语
经过对整体结构及桁架转换层的详细分析,工程采用桁架转换具有传力明确,传力路径清楚,结构刚度、质量变化较均匀,不会带来太大刚度突变且具有较好的经济性等优点。
【参考文献】:
【1】唐兴荣.高层建筑转换层结构設计与施工【M】.北京:建筑工业出版社,2002.
【2】魏琏,王森.论高层建筑结构层间位移角限值的控制【J】.建筑结构,2006(S6):17-18.
【3】徐培福.复杂高层建筑结构设计【M】.北京:建筑工业出版社,2005.
【4】徐培福.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究【J】.土木工程学报,2005(1):20-22.
【关键词】:超限高层建筑,桁架转换,层间位移角,抗侧刚度
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1.工程概况
某复杂超限高层建筑是集办公和商业一体的综合性建筑。建筑平面标准层主楼外形尺寸44.2m×38.8m,总建筑面积7万m2。工程地上33层,地下3层。结构总高度地面以上189.20m。在第6层,通过桁架转换将上部外框密柱转换为落地疏柱。
2.结构体系
2.1主体结构
主体结构上部塔楼采用筒中筒结构,下部采用框架)核心筒结构。楼盖采用混凝土现浇楼盖。核心筒采用钢筋混凝土结构。外框柱转换层以下采用型钢混凝土柱,转换层以上采用钢筋混凝土结构。
2.2转换层结构布置
在15层—33层楼层层高均为6.6m,从7层以上外框架柱为密柱布置,在第6层,通过桁架转换将上部外框密柱转换为落地疏柱。外框柱转换层以下采用型钢混凝土柱,转换层以上采用钢筋混凝土结构。东西方向桁架定义为桁架A,南北方向桁架定义为桁架B。桁架下弦采用型钢混凝土梁,截面为1200×1000,桁架上弦和斜腹杆均为混凝土结构,上弦杆截面为1100×800,B桁架中间跨腹杆截面为1000×1100,其余均为900×900。转换层及转换层上层楼板厚度200mm。
3.结构整体计算结果及分析
小震和中震结构设计采用了SATWE和ETABS两个软件进行计算。分别采用多遇地震和抗震设防烈度(中震)地震下振型分解反应谱法和多遇地震下弹性时程法进行了详细的计算分析。
3.1多遇地震下振型分解反应谱法分析计算
多遇地震下两个程序结果相近,各项指标满足规范要求。结构前三周期分别为4.50s,3.31s和1.99s,结构在地震作用下最大层间位移角为1/829,在风荷载作用下的最大层间位移角为1/795。楼层刚度比计算采用层间剪力比层间位移算法,桁架转换层位于第6层,转换层下部结构起止层号为1层—6层,高度25.80m,转换层下部结构起止层号为7层—12层,高度24.20m。
根据文献【1】建议,由于剪切刚度比定义不适用于桁架式转换层上下刚度比的计算,可以以转换层上下层侧移刚度比γ描述转换层刚度比的变化。根据定义,转换层上层与转换层侧移刚度比γX向为0.76,Y向为0.82。转换层与转换层下层侧移刚度比γX向为1.36,Y向为1.22。转换层及其下层楼层抗剪承载力满足不小于相邻上层的80%的规定。桁架转换相对其他转换形式具有沿高抗侧刚度突变小的优点。
3.2抗震设防烈度(中震)地震作用下分析计算
本工程在中震下的抗震性能目标为:地震后结构的薄弱部位和重要部位的构件轻微损坏,出现轻微裂缝,其他部位有部分选定的具有延性的构件中等损坏,出现明显的裂缝,进入屈服阶段,需要修理并采取一些安全措施才可继续使用。按此要求,结构在抗震设防烈度地震作用下,薄弱部位或重要部位构件不屈服,即不考虑内力调整的地震力作用效应和抗震承载力按强度标准值时计算满足要求。
为了比较中震和多遇地震下的构件配筋情况,选取了转换层及有代表性的楼层进行了构件配筋比较,根据中震分析得出以下结论:
1)框架柱在中震作用下配筋均不大于多遇地震作用下的配筋。表明框架柱在多遇地震作用下按规范进行构造与配筋,能够承受中震作用下地震作用。
2)结构框架梁在中震作用下,转换层以上大部分边框梁的抗剪抗弯配筋较多遇地震作用下的配筋有所增加,约增大20%—40%,但未屈服,也未超过一级抗震框架梁的构造配筋。
3)在中震作用下,核心筒剪力墙底部水平分布筋和墙肢暗柱纵筋底略有增加。
4)核心筒剪力墙连梁,在中震作用下,抗剪抗弯配筋普遍增加,局部已屈服。
5)转换桁架。桁架斜压杆在中震作用下所需配筋略大于多遇地震作用下的配筋,桁架上下弦梁配筋有所增加。
4.转换层结构分析与设计
4.1转换桁架内力分析
表1为SATWE和ETABS软件计算的杆件内力。
表1桁架计算内力
桁架弦杆除B桁架跨中段外在大多数荷载组合下轴力均为拉力。桁架最大拉力出现在B桁架跨中下弦杆(3786kN),且梁端弯矩较大(1047KN·m)。
4.2转换桁架设计
桁架设计采用SATWE和ETABS计算结果中的不利结果进行配筋。弦杆支座处根据组合设计值按偏心受拉构件进行计算,按标准组合值计算裂缝,裂缝控制不大于0.3mm,其余部位按轴心受拉进行计算,裂缝控制不大于0.1mm。为了减小桁架局部应力集中和加强节点,在弦杆、斜杆和柱相交处加腋。设计时,下弦杆轴力均考虑由型钢承担,弯矩由梁的面筋和底筋承担。桁架下弦采用型钢(H600×600×20×20),型钢应力比控制在0.7以内。转换层上层为了满足/强边柱弱中柱0原则和控制柱压比,中柱截面为1000×950,边柱截面为1000×1350,并在边柱中加芯柱予以加强。
4.3转换层及其上层板分析设计
为了找出楼板的最大应力分布,在各种工况下进行了楼板有限元分析并进行了对比。根据楼板有限元分析结果,转换层及其上层楼板除了竖向楼面荷载引起的弯矩外,靠近桁架弦杆的板沿弦杆轴向的轴力均较大,这部分轴力是由转换桁架传递到板上的。其中A桁架下弦杆内侧一跨板(3.6m)最大轴向拉力为1154kN,上弦杆内侧一跨板(3.7m)最大轴向拉力为1039kN;B桁架下弦内侧一跨板(2.6m)最大轴向拉力为1517kN,上弦杆内侧一跨板(2.7m)最大轴向拉力为952kN。
除了传递竖向楼面荷载外,转换层楼板要完成上下层剪力的重分配,传递较大的水平力。转换层及其上层楼板厚200mm,双层双向配筋<10/12-150,在核心筒四周一跨加强板筋<12-150,而由桁架传递到楼板的拉应力随着离弦杆的距离增加而衰减很快。
计算表明,6倍板厚以外区域板拉应力已小于混凝土抗拉强度设计值,根据这种应力的大小分布规律加强了沿弦杆周围的板筋,在弦杆周围根据不同拉力大小布置不同配筋的板带暗梁。板带暗梁根据有限元分析板的应力,并按轴心受拉梁计算裂缝宽度控制在0.2mm以内进行设计。板带宽度为6倍板厚(1200mm)。为增加桁架及与其相连板的抗裂性,转换桁架及内侧一跨板采用添加化学纤维混凝土。
5.结语
经过对整体结构及桁架转换层的详细分析,工程采用桁架转换具有传力明确,传力路径清楚,结构刚度、质量变化较均匀,不会带来太大刚度突变且具有较好的经济性等优点。
【参考文献】:
【1】唐兴荣.高层建筑转换层结构設计与施工【M】.北京:建筑工业出版社,2002.
【2】魏琏,王森.论高层建筑结构层间位移角限值的控制【J】.建筑结构,2006(S6):17-18.
【3】徐培福.复杂高层建筑结构设计【M】.北京:建筑工业出版社,2005.
【4】徐培福.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究【J】.土木工程学报,2005(1):20-22.