大连环宇商城结构设计

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摘要： 本文介绍了大连寰宇商城项目的结构设计与抗震分析和构造措施，探讨高层建筑中型钢混凝土柱的应用，可为类似工程参考。

关键词： 超高平面不规则 结构设计

中图分类号：TU2文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

一．工程概况

该工程建筑场地位于大连市中山区天津街友好路交汇处。总建筑面积63124m2，地下3层，地上33层，裙楼四层，裙楼高17.5m，主楼高136m左右，项目主要功能有地下车库、商场、银行、办公室、商住房和客房等，地下三层分别为设备用房、地下车库和地下商场。地下三层为六级人防，平战结合。

建筑物高宽比如下表：

本工程超A级属B级高度的高层建筑，工程设防烈度为7度，场地土类别为二类，抗震设防类别为丙类。

根据岩土工程勘察报告：地层结构如下表：

二．结构选型

本项目一~四层平面为不规则形状，且平面透空面积较多，标准层主要为扇形，北侧楼电梯井形成一个小筒突出主体，靠连廊与主体相连，针对环宇商城的建筑平面使用功能和立面造型，主立面上几乎不可能设置剪力墙，结构形式经过反复推敲，最后确定为框架剪力墙结构。剪力墙落底，普通现浇钢筋混凝土梁板体系。对于超高层建筑，由于柱轴压比控制较严，柱子截面势必很大，造成浪费使用面积，且不美观，若采用高强混凝土，因其轴压比控制更严，效果不明显，采用型钢混凝土柱即可有利降低柱断面。对本工程进行了试算，如果采用C60混凝土框架柱，则底层柱最大截面能作到1700X1700mm,且柱纵向钢筋也很大，按最小配筋率1.0%考虑，每侧需要的钢筋面积就是7500mm2左右。如果采用型钢混凝土柱，型钢的含钢率为4.2%时，相应的底层柱就能减小到1400X1400，每侧需要的纵筋面积为5400mm2。故本工程主楼局部采用型钢混凝土柱，这样有效地降低了柱断面。

三、结构计算及整体计算分析：

1、基础选型：本工程采用天然地基上的筏板基础，基础持力层选用中风化板岩，地基承载力特征值faK=1000Kpa, 局部采用人工挖孔桩加筏板基础。采用板式筏板，底板厚度2.0m,局部2.5m,混凝土强度等级为C30，抗渗等级为S8。

2、上部结构布置情况，根据建筑功能要求采用框架--剪力墙结构，由于剪力墙布置位置受限，只能结合楼电梯间及端部设置剪力墙。由于主体结构为扇形，自然形成三排环形柱网，内环、中环、外环，内环与中环的柱距为8400mm；中环与外环的柱距为9900mm.。外环柱距为8887mm；中环柱距为7849mm；内环柱距为6976mm。外环型钢混凝土柱做到地上15层，断面从1400×1400变到1100×1100；中环型钢混凝土柱做到地上5层，断面从1400×1400变到900×900；内环型钢混凝土柱做到地上5层，断面从1100×1100变到800×800；主体框架梁断面为350×700和300×650.墙体厚度从800mm~300mm.为满足使用要求，楼板大部分采用180厚大板不设次梁。

混凝土强度等级随楼层变化表

3、变形缝及后浇带设置：

考虑到本工程地质条件较好，高层塔楼与裙房地下室部分连为整体，故不设置沉降变形缝。

由于地下室的平面尺寸较大，且塔楼与裙房地下室的荷载有较大差异，在设计中采取以下措施加强地下室有关结构构件：

（a）在适当的部位设置施工后浇带，后浇带采用无收缩的微膨胀混凝土浇注。

（b）提高基础防水底板及外墙钢筋的含钢率，从而增加基础底板及侧墙的抗收缩能力，以减少差异沉降、温度收缩应力及混凝土收缩对结构产生的不利影响。

4、结构超限分析：

（1）环宇商城主要采用框架剪力墙结构，本工程高度136m，超过《高规》中的A级高度120m，但属于《高规》中的B级高度140m范围内。

（2）.本工程高宽比从首层地面算为7.23,规范限值为7.0，超过3.2%,但从裙楼顶计算为6.3，高层建筑的高宽比可以从裙楼顶算起。

（3）.本工程裙楼与主楼刚度中心稍有偏移，裙楼二、三层楼板开洞较大，开洞后每一边的楼板净宽小于规范要求的2m。

5、结构超限对策及抗震加强措施：

（1）、加强结构计算分析：

a) 本工程高度136m,属B级高度，抗震设防类别为丙类，主体结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，结构构件的重要性系数为1.0。

b) 按规范要求，结构整体分析采用两种计算模型（SETWE和TAT）进行结构计算比较。

c) 按规范要求，用SETW进行时程分析补充计算，了解结构在地震时程下的响应过程，并籍此寻找结构薄弱部位，以便采取针对性的结构加强措施。

根据大连工程地震勘察公司提供的《大连寰宇商城工程场地地震安全性评价报告》，本场地地表超越概率63%的地震波的峰值加速度为40.3cm2/s,场地地表特征周期为0.36s;基岩超越概率63%的地震波的峰值加速度为40.3cm2/s,;地下15m处基岩超越概率63%的地震波的峰值加速度为30.2 cm2/s; 特征周期为0.35s。同时利用场地地表及基岩的各条地震波进行时程分析，所得底部剪力有的小于CQC法中底部剪力的65%，故将峰值加速度放大1.0~1.6倍，使之满足规范要求。

时程分析共分析了七条地震波。地表波有：一条人工波user16,两条II类场地土上特征周期为0.36s的实际地震记录波(TAFT及兰州人工波)；基岩波有两条人工波user25(基岩下15m)和user7,两条与基岩特征周期0.35s相近实际地震记录波(兰州人工波)。从时程分析文本文件看，各楼层最大位移与平均层间位移比以及各楼层最大位移与平均位移比均小于1.4，满足规范要求；层间最大位移角也小于1/800，满足要求。从时程分析图示看，X、Y向最大位移曲线，X、Y向最大剪力曲线，X、Y向最大位移角曲线以及X、Y向最大弯矩曲线均在CQC法曲线之内。详见附图。

d) 按规范要求,严格控制结构的侧向刚度，使结构在地震作用下的层间位移角达到小于1/800；严格控制结构相邻层的竖向刚度比，使之满足规范要求。

e) 结构计算分析时考虑模拟施工加载对主体结构的影响。

f) 由计算分析得，本建筑物侧向位移由地震荷载控制。

2，结构抗震概念设计与构造

a) 剪力墙和框架的抗震等级均为一级，

设计中严格执行《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2002）中B级高度的有关构造措施，严格执行规范、规程中的强制性条文。增加薄弱部位的配筋率，以提高结构的延性。

b) 严格控制框架柱和剪力墙的轴压比，使框架柱及墙体轴压比均满足规范要求。为增加结构刚度且减小柱断面，局部采用型钢混凝土柱，

c) 为增强结构的扭转刚度，结构布置上尽量使结构的质心和刚心重合，以减小结构的扭转效应，使扭转周期与平动周期的比值、端部位移与质心位移的比值均控制在规范要求的范围内。

本工程受使用功能限制，主楼中间部位南向外圆弧不能设置钢筋混凝土剪力墙，只能利用楼电梯部位设置剪力墙，这样就形成了刚度中心稍有偏移，南向抗侧力刚度稍差，为解决这个问题，首先我们对各部位的剪力墙设置不同的厚度，靠南侧的墙体加厚，框架柱加大，相反方向尽量弱一点，依此来调节刚度中心。

主楼中北侧突出主楼的楼电梯间的剪力墙筒体与主体结构连接薄弱，形成一个连廊，是受力的薄弱环节，中间两个各自独立的电梯井筒体间的连梁也是受力的薄弱部位，为保证结构的整体性，在设计中采用强连接措施，增加薄弱部位的板厚及该部位的配筋量，将连廊部位的板厚做成300mm，配双层16@150钢筋，将薄弱部位的连梁做型钢混凝土梁且延伸至主体部分的内筒，并与内筒可靠连接；计算中采用两种方法计算，将突出主体的筒体与主体连在一起计算和筒体与主体分开分别计算，比较二者计算结果取其较大者。

d) 对于局部楼板开洞较大的楼层，将相应楼层楼板的厚度适当加厚，配筋率适当加大。在电算中设置开洞板和完全弹性板，在设计时对结构楼板作加强处理，通过适当加厚洞口附近的楼板，并采用双层双向配筋，适当提高连接框架柱的楼面框架梁和楼面板的配筋率，保证楼板在水平地震作用下仍具有足够的刚度和变形能力，并确保水平力的有效传递。提高外框架梁的配筋设计，加强和协调结构的整体作用。

6、结构计算结果分析

（1）．SETWE及TAT计算结果

计算结果分析

结构侧向刚度

地震作用及风荷载作用下结构的最大层间位移角均满足规范的1/800的要求。

结构扭转效应

从计算结果看本工程Y方向地震作用增加5%偶然偏心时楼层最大层间位移与平均位移之比以及楼层最大位移与平均位移之比不满足规范的1.4要求，但从位移值来看位移量较小，认为不会影响结构安全。其它情况下结构的楼层最大层间位移与平均位移之比的最大值1.37，楼层最大位移与平均位移之比的最大值为1.38，均小于规范要求的1.4，扭转周期与平动周期之比为0.56,小于规范要求的0.85，亦满足规范要求。综合所有位移比值结果看，本工程裙楼部分位移较其它楼层大，故在设计中加强对裙楼部分的构造要求

c) SETWE结果地下一、二层楼层地震剪力系数小于规范要求，TAT结果十五层以下楼层地震剪力系数小于规范要求楼层地震剪力系数计算时程序自动予以调整，使其满足规范要求。

时程分析结果

时程分析结果表明：主体结构无明显的薄弱层，竖向刚度均匀，设计时，除底部加强区外，将建筑的地上第5层按薄弱层再予以加强。

四．结论

通过以上计算分析比较，得出如下结论：在建筑平面不规则的前提下，不仅仅要加强结构计算分析，还要加强结构概念设计和采取切实可行的构造措施以满足建筑功能需求和结构安全；在高层结构设计中，框架柱采用钢骨混凝土柱，柱截面尺寸可减少30%左右，增加了可使用面积。钢骨混凝土结构混凝土结构承载力大，刚度大，抗震性能好。在高层结构设计中将越来越广泛应用。

参考文献：

（1）高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）中国建筑工业出版社

（2）建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中国建筑工业出版社

(3) 刘大海 杨翠如，型钢 钢管混凝土高楼计算和构造中国建筑工业出版社