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带多连体的复杂高层结构设计

带多连体的复杂高层结构设计Structral Design of a Comprehensive High-Rise Building with Several Transfer Structures苏项庭,冯永伟,洪渊SU Xiangting,FENG Yongwei,HONG Yuan(浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 310006)摘要:介绍了一幢具有三处连接体的复杂高层结构设计,重点说明了转换桁架的设计要点,横置H型钢在转换桁架中的应用及型钢混凝土节点的设计。介绍了结构整体参数的控制以及小震弹性时程分析。最后总结了此类结构应采取的抗震加强措施。关键词: 转换桁架;横置H型钢;多连体结构现代化建筑不断在追求个性,大悬挑、高空连廊、通高大堂、立面收进等元素得到广泛运用;建筑平面功能分区及相互关系也呈现多样化,大型会议室、宴会厅、运动场等场所在高层建筑内随处可见。得益于大量结构设计软件的开发,各种奇形怪状建筑都可以建模计算并得到结果,并可利用多种软件相互验证。然而,如何在满足建筑师要求的同时,合理利用结构概念设计,化繁为简,对结构设计人员带来各种挑战。本文结合某超限高层结构设计,论述设计中各类问题的解决措施。1 工程概况该建筑位于杭州市武林广场东侧中河高架和环城北路交叉口,总用地面积为24509m2,建筑面积为119500m2。地上由一幢22层高层建筑和一幢2层(局部3层)建筑组成,其中高层建筑结构总高度为99.9m,底部两层层高为5.1m,其余层高为4.2m。主要功能为生产用房、数据中心及会议室等;地下3层外加局部夹层,为地下车库及地块内相关设备用房。图1为其建筑效果图。图1 建筑效果图2结构设计难点本工程主楼平面呈三角形布置,三角形两直角边约为100米和60米,平面形状不规则;平面中部存在两个连体,连体层数较多,分别为15层和9层;为了建筑功能需要,连体之间布置数层中庭,中庭最大跨度约为20米;南边连体在16层结束,导致结构高位收进;另外,还存在个别穿层柱和大开洞等不规则。根据建筑结构抗震设计规范[1],应列为特别不规则建筑。3结构设计根据结构高度及建筑布置,主楼拟采用框架剪力墙结构体系[2],在楼梯电梯及设备间设置闭合剪力墙,并根据扭转参数需要,在外围框架柱之间设置带边框剪力墙。连体层数较多,为了减轻自重并便于施工,拟采用钢结构结合钢筋桁架楼承板,连接体采用平面钢桁架作为转换结构,与主楼连接处设置型钢混凝土柱。连体之间的中庭利用单向钢梁铰接于两侧钢框架。主楼结构模型如图二所示。 a 剪力墙 b 框架柱和钢桁架 c 整体结构图二 主楼结构体系3.1转换结构设计平面中部北入口处设置六层通高大堂,为了保证大堂通透效果,该范围内不布置竖向构件。平面中部南边为室外车道,也不能设置竖向构件。因此形成了南北两个连体结构(见图三),连体跨度为36米。连接体采用平面钢桁架,其中北边连体设置3榀桁架,南边连体设置2榀桁架。在第二中庭处设置大型会议室,导致北边连体第2、3榀桁架平面内钢框柱先后中断,需再设置转换。为了保证结构体系简单,传力路径清晰,将北部连体分为上下两个连接体,并结合局部吊柱,将上下结构彻底隔开。连体之间设置三处中庭北边3榀北边2榀北边1榀南边1榀首层为室外车道六层通高大堂南边2榀图三 转换桁架平面布置示意本工程有桁架转换共八处,根据连体层数及使用荷载的不同,采用了两种桁架形式。第一种为V型桁架结构(图四a),适用于连体层数不大于5层,其上功能为小型会议室,办公等活载较轻房间。第二种为X型桁架结构(图四b),适用于连体层数大于5层,其上房间使用荷载载较大。a V型桁架结构 b X型桁架结构图四 桁架结构形式由于本工程中转换桁架属于特别重要结构构件,除了抗震等级按要求提高一级,考虑竖向地震作用,并按中震弹性进行性能化设计外,还应采取其它软件进行较核,避免单一软件出错影响工程质量。作者在设计过程中采用了Midas Building、YJK和PKPM分别对各工况下桁架的受力性能进行校核,结果显示,三者计算出的支座处桁架腹杆轴力误差不大于10%。为计算桁架层水平构件的轴向力,应将桁架层楼板设为弹性楼板,也可以将板厚设为零并在楼面恒载中考虑板自重[3]。3.2横置 H型钢的应用及节点设计由于连体层数较多,荷载较大,经试算,采用普通H型钢截面,钢桁架腹杆截面很大,翼缘和腹板厚度均较大。作者考虑到桁架杆件均以承受轴向拉压力为主,因此借鉴桥梁工程中常用到的横置H型钢受力形式。使用H型钢有如下优点:a) 正放H型钢,当内力较大时,一般通过增加翼缘宽度和厚度来满足应力比要求,如果翼缘宽度加大,桁架的厚度也变大,进而影响桁架两端型钢混凝土柱的截面。如果柱子与电梯井道、楼梯间等相邻,则翼缘宽度不能随意加大。对于横置H型钢,腹板高度可根据建筑通道要

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