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前海法治大厦上部结构设计综述

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来源CCDI高成结构 作者李建伟 魏建峰 1 工程概况 前海法治大厦位于深圳市前海深港现代服务业合作区第09开发单元03街坊06地块建成后将成为前海地区标志性抗震设防烈度抗震设防类别型态来源于天平的概念象征法律的公平公正体现现代国际法治理念表达开放创新的前海精神 用地面积8141m2总混凝土结构3.4万m2建筑地上10层高度约54.7m裙房3层高度16.5m地下2层埋深约10m为

来源CCDI高成结构

作者李建伟 魏建峰

1 工程概况


前海法治大厦位于深圳市前海深港现代服务业合作区第09开发单元03街坊06地块建成后将成为前海地区标志性抗震设防烈度抗震设防类别型态来源于天平的概念象征法律的公平公正体现现代国际法治理念表达开放创新的前海精神


用地面积8141m2总混凝土结构3.4万m2建筑地上10层高度约54.7m裙房3层高度16.5m地下2层埋深约10m为钢筋混凝土建筑效果图见图1一层为法制框架结构二三层为300座的通高大法庭中间不设柱形成34.8x21.1m大空间四层以上为中小法庭及服务用房东西二侧端部悬挑17.4m利用楼电梯间形成的二个落地筒体及部分落地框架柱共同支承上部6层结构从而达到建筑效果


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图1 建筑效果图


工程设计使用年限50年结构安全等级二级建筑面积丙类构件截面7度设计地震分组第一组场地类别C类基本风压0.75KN/m2(50年一遇)地面粗糙度类别B类



2 结构体系选型


在方案设计阶段比较了公共建筑节点详图框架-钢拉杆屋顶花园-钢拉杆方案等方案考虑如下

1 钢拉杆材料设计强度高?#24615;?#21147;相同的前提下,钢桁架所需的截面远大于拉杆

2 混凝土框架自重大拉杆的负担大尤其上部主体结构协调变形能力差裂缝较难控制

3 钢框架的楼盖系统采用钢梁组合楼盖能适应张拉需要可节约组合结构临时支撑


综合经济性结构安全度及建筑需求, 最终选用钢框架-钢拉杆-地下车库剖面图结构体系上部结构重力荷载由钢拉杆和各层结构楼盖传递到竖向落地构件水平荷载通过各层楼屋盖传递到落地竖向构件钢拉杆与筒体连接处的核心筒墙体内均埋入型钢前期承受钢拉杆张拉应力后期与混凝土形成办公楼参与工作加强核心筒


悬挑端D~H轴沿竖向设上中下三道钢拉杆分别位于4~6层6~8层8~10层二个核心筒中间由于建筑二层大开间需要在E轴设置二组对?#35780;?#26438;结构平面剖面如图23所示结构主框梁H700x300x20x25H600x200x10x25次梁H600x200x10x17钢桁架600x600x25500x500x25核心筒墙厚600mm400 mm300 mm拉杆?#26412;?20mm150mm屈服强度650N/mm2


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图2 上部结构典型钢结构


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图3 结构主要平面图


3 设计策略



3.1 结构自平衡控制

东西二侧悬挑跨度一致通过调整建筑平面使二个核心筒墙体基本对称调整结构布置使核心筒间的梁板基本对称重力荷载作用下斜拉杆受力巨大为保证不使竖向构件?#34903;?#20135;生过大侧移变形通过上部楼屋盖水平刚度及?#24615;?#21147;使二端斜拉杆拉力的水平分力相互平衡是项目得以实现的关键理念


3.2 加强筒体墙减少抗扭效应

上部结构东西方向三层以上长87m三层以下长52.2m南北方向宽27.8m三层以上长宽比3.12三层以下1.87东西向形体上大下小质量分布上重下轻因此控制扭转效应是本项目的另一关键点采用双核心筒保证筒体的完整性并将Y向墙体加厚至三层以下600mm三层以上400mm增强了结构的抗扭刚度从而减少了水平力作用下结构的抗扭效应


3.3 拉杆应力控制

控?#35780;?#26438;初始张拉应力通过调整上中下三组拉杆初始张拉力保持最终状态下三组拉杆受力均匀保证了梁板受力均匀通过调整不同轴线上同层拉杆初始张拉应力使柱竖向位移基本相同重力荷载下柱两侧梁弯曲产生的弯矩自平衡柱端弯矩小改善了梁柱的受力状态

控?#35780;?#26438;应力水平,小震作用下拉杆应力比最大值小于0.7中震作用下拉杆应力比最大值小于0.78


3.4 结构位移控制

对拉杆施加初始张拉力, 在拉杆张紧同时, 控制第四层钢梁悬臂端上拱变形避免钢梁应力过大随着上部结构施工, 重力荷载不断增加使整体结构逐渐向下弯曲变形混凝土幕墙等全部恒载施加后控制第四层钢梁悬臂端下挠变形<50mm装修幕墙等全部恒载施加后控制筒体的顶部水平位移<5mm落地柱顶水平位移<10mm


4 荷载作用


4.1 重力荷载

梁柱和展览厅等结构构件的自重在计算中由计算程序根据剪力墙?#31570;?#26009;容重直接计算附加静荷载:法庭2.5kN/m2幕墙及遮阳1.5kN/m2活载: 大法庭3.5kN/m2中小法庭2.5kN/m2走廊2.5kN/m2公共区3.5kN/m2钢框架3.0kN/m2


4.2 地震作用

水平地震作用方向取平行垂直结构主要分支方向同时考虑竖向地震作用和单向偶然偏心地震作用竖向地震影响系数最大?#31561;?#27700;平地震影响系数的0.65结构位移和构件?#24615;?#21147;计算考虑三向地震作用三向取值为Sx Sy Sz = 1.00.850.65( 0.851.00.65)阻尼比取0.035


4.3 风荷载

基本风压按深圳地区50年一遇0.75kN/m2地面粗糙度B类体型系数和风振系数按高规取值


5 结构弹性计算结果


工程计算?#27835;?#20027;要采用的软件为ETABS(整体结构?#27835;?ABAQUS(节点?#27835;?#21160;力弹塑性?#27835;?SAFE(底板?#27835;?以一层楼面作为结构嵌固端计算模型采用弹?#26376;?#30422;假定剪力墙连梁楼板采用壳元梁柱采用梁单元考虑楼板壳元接口梁进一?#36739;?#20998;二者变形协调楼面梁板均按偏压或偏拉构件复核配筋计算模型见图4计算结果见表1, 2


微信截图_20190123142038.png

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图4 三维模型图  


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图5竖向地震作用下楼层Z向反力图


竖向地震作用下基底Z向支座反力见图5?#20174;?#35889;计算最大反力8533kN,大于时程?#27835;?#32467;果?#20174;?#35889;作用下基底Z向反力为等效重力荷载(恒载+0.5*活载)作用下的2.2%整体竖向地震作用效应较小选取结构中的主要构件大跨和悬挑部分的钢拉杆构件编号如图6所示?#27835;?#20854;在竖向地震作用下的内力,见表3


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图6 南侧内榀E轴构件编号图


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由上述内力对比结果可知竖向地震引起的内力约为等效重力荷载作用下内力的10%设计时不应忽略


6 弹塑性?#27835;?/strong>


采用ABAQUS软件选用两组天然波和一组人工波进行三向输入的大震动力弹塑性?#27835;?#27169;型中梁柱采用纤维梁单元剪力墙连梁楼板采用四边?#20301;?#19977;角形缩减积分壳单元模拟剪力墙楼板的钢筋通过壳单元内设置钢筋层来模拟剪力墙内置型钢采用梁单元模拟与剪力墙共节点模拟边缘构件连梁纵向钢筋采用杆单元模拟与剪力墙连梁共节点模拟实际地震作用是在施工模拟的装修上施加的施工模拟最终状态为1.0恒载+ 0.5活载并?#28304;?#29366;态作为动力弹塑性?#27835;?#30340;初始状态


?#27835;?#34920;明在考虑重力二阶效应及大变?#38382;保X向最大层间位?#24179;?#20026;1/558Y向最大层间位?#24179;?#20026;1/364均小于施工限值弹塑性?#27835;?#22522;底剪力约相当于?#20174;?#35889;小震的3.04.6倍图7为剪力墙受压损伤云图图中可看出大部分连梁出现明显损伤?#24471;?#22312;罕遇地震作用下连梁形成了铰机制符合屈服耗能的抗震工程学概念X向剪力墙在底层与拉杆连的?#38469;?#23618;顶层有一定损伤;Y向剪力?#20132;?#26412;完好


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图7  X向地震作用?#24405;?#21147;墙受压损伤云图


图8给出三条地震波作用下内力最大的钢拉杆应力时程曲线图中看出钢拉杆最大拉应力为570Mpa小于钢拉杆标准屈服强度650Mpa


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图8  X为主方向输入时钢拉杆应力时程曲线


7 专项?#27835;?/strong>


7.1重力作用下单榀结构?#27835;?

基于大悬挑及大跨等主要结构特点?#27835;?#32467;构在重力作用下的传力机制构件的内力及变?#38382;?#20998;重要以E轴结构为例图9为重力荷载1.35恒载+0.98活载作用下的结构内力与位移


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图9 重力荷载作用下构件内力变形图


从图中可知斜拉杆与核心筒相连位置根部连梁及两个核心筒之间的框架梁内存在较大的轴拉力最大值为5043KN悬挑端框架梁存在较大轴压力压力最大值为-2100KN针对以上两个主要的构件受力特点通过在混凝土连梁内布置型钢验算钢梁?#24615;?#21147;时梁按压弯构件考虑等措施来确保结构满足?#24615;?#21147;要求保证结构安全


7.2楼板受力?#27835;?#21450;配筋

钢拉杆拉力通过楼盖拉压力平衡所以与钢拉杆连接的钢梁及混凝土楼板存在较大轴力设计时不能忽略采用ETABS软件进?#26032;?#26495;受力?#27835;z?#27004;板以壳单元模拟图1011分别为重力荷载恒载+0.5倍活载和X向地震作用下8层楼板轴力图


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图10 重力荷载作用下8层楼板F11轴力图(KN/m)


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图11  X向地震作用下8层楼板F11轴力图(kN/m)


从图中可知楼板与悬臂主梁相交处X向F11存在最大值约为300KN/m的轴压力核心筒中间连梁位置轴拉力最大值约为300kN/mX向地震作用下轴力为60kN/m按压弯构件进行?#24615;?#21147;极限状态和正常使用状态验算,控制裂缝宽度<0.2mm实配板底12150As=1504mm2


7.3节点设计

拉杆节点的?#24615;?#21147;和安全度决定整个结构的?#24615;?#21147;和安全度是整个工程的又一关键拉杆节点?#27835;?#25289;杆上中下节点应进行专门设计FG轴拉杆?#26412;?20mm连接板60mm厚Q390GJC与销钉连接处采用200mm厚以与钢拉杆端头匹配,考虑后期梁柱节点的加工节点?#27573;?#20869;方管柱壁厚由15mm加至25mm采用ABAQUS有限元程序中C3D8R线性减缩积分单元对各类拉杆节点进行了实体模型弹性弹塑性计算?#27835;?


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图12 规范


由图12所示计算结果可知节点区受力复杂阴角区有明显的应力集中下节点与中节点由于钢拉?#22235;?#21147;较大耳板与销轴连接处边缘应力水平较高接近Q390局部承压强度


7.4舒适度?#27835;?

ATC(Applied Technology Council)给出了不同环?#22330;?#19981;同振动频率下竖向峰值加速度限值本项目平?#27604;?#21592;行走起立及单人跳跃竖向振动舒适度评价标准采用ATC钢柱标准偏保守取竖向峰值加速度限值0.16m/s2采用MADIS/GEN软件对结构进?#24515;?#24577;?#27835;z?#27714;得其竖向频率考虑通高隔墙作用结构阻尼比取0.05计算结果表明结构的第4~7阶振型均为竖向振动图13为第4阶振型图振动频率为2.42HZ图中显示主要振动部位位于悬挑端部


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图13 第4阶振型图


对89层悬臂区域施加单人跳跃行走激励时程行走激励时程采用调整过的IBASE连续步行荷载模型假定10人同层同步行走频率2.42Hz人体重0.75KN人跳跃荷载采用BRE半正弦荷载模型图14为单人跳跃加速度响应图15加速度响应频谱计算表明最大激励效应发生在结构竖向主频率区加速度峰值0.15m/s2对应频率为2.34HZ舒适度满足要求


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图14加速度响应时程


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图15加速度响应频谱


7.5施工?#25215;?#36873;择及模拟

悬挑跨度大层数多如果整个施工过程使用临时支撑承受上部结构的施工荷载则所需临时支撑用量大轴力大时间长施工风险增大并引起造价增加


经过不同施工?#25215;?#26041;案对比采用核心筒首先施工二层其?#38382;?#24037;钢框架及安装钢拉杆后施工楼板利用钢框架及钢拉杆拉力支承施工过程中的梁板自重是合理的方?#28014;?#31532;5层至屋顶层施工过程中自重及施工荷载由钢框架及钢拉杆承担充分发挥钢框架及钢拉杆作用施工过程中的关键在于钢拉杆预紧力的施加预紧力对结构变形及内力分配起到了决定性的作用预紧力的大小应根据施工模拟的计算结果图16为张拉施工详图在整个施工过程中需要监测钢拉杆的应力各层结构控制点的竖向变形根据监测结果可以调整钢拉杆施工时的预紧力


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图16 张拉施工详图


施工模拟计算?#34903;?#22914;下

1添加1~3层筒体框架及楼板此时结构自重生成

2添加临时支撑采用缝单元模拟支撑

3添加第4层筒体框架及楼板

4添加5~6层筒体及框架

5添加第一道下层钢拉杆钢拉杆施加预紧力DH轴施加600kNEG轴施加1000kN使悬挑端竖向变形向上约10mm

6拆取临时支撑

7添加7~8层筒体及框架

8添加第二道中层钢拉杆钢拉杆施加预紧力DH轴施加300kNEG轴施加500kN

9添加9~10层筒体及框架

10添加上层钢拉杆钢拉杆施加预紧力DH轴施加300kNEG轴施加500kN

11添加屋顶层筒体及框架

12逐层添加5~屋顶层楼板

13添加建筑做法幕墙等附加恒载

14添加使用活荷载图17为施工模拟下E轴钢拉杆的轴力图图18为E轴四层悬挑端端点及中点位移图图19为E轴四层悬挑部位框架梁支座弯矩图


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图17钢拉杆轴力图单位kN

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图18悬挑端端点及中点位移图单位mm


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图19框架梁支座弯矩图单位kN·m


前海法治大厦采用了带斜拉杆的框架筒体结构体系利用拉杆与上部建筑楼盖屋盖水平刚度?#32479;性?#21147;将上部4~10层基础重力荷载传递至落地筒体框架柱新?#20493;?#29305;有如下结论:

1 结构体系的特殊性决定了主体结构自平衡的施工?#25215;R?#23427;不仅能够保证结构安全, 而且能够节约造价和缩短工期

2 特殊的建筑体型对抗震不利通过调整结构布置增强核心筒完整性等措施较好地减少了扭转效应

3 斜拉杆拉力大楼盖内存在较大的拉压力设计不能忽略

4 成品钢拉杆强度高?#24615;?#21147;大节点设计应重点?#27835;z?#20197;确保结构安全与使用



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