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京武.城市山谷(一期)結構設計
作者 朗戰 字數:3155 來源:城市建設理論研究 2013年3期
摘要:京武·城市山谷(一期)為坡地城市綜合體,包括2層地下室,3層裙樓的大底盤,大底盤上有5棟高層,邊坡上布置7棟聯排別墅以及1棟闊景樓王。其中4棟採用剪力牆結構,2棟採用部分框支剪力牆結構,該工程方案階段包含多處超限,支護為二十幾米的高邊坡,在初步設計和施工圖過程中,通過結構平面、裙樓分縫的手段,成功避免了超限問題,同時解決了支護及基礎問題。
關鍵詞:坡地城市綜合體;大底盤多塔樓;高位轉換;超限高層;多塔
Abstract: Jing Wu, CityValley ( Ⅰ) slope city complex, including 2 basement, 3 storeys high chassis, 5 tall big chassis, slope is arranged on the 7 row villas and 1 broad Jing wang. The 4 building with shear wall structure, 2 by partial frame-supported shear wall structure, phase of the programme the works contain multiple overrun, support for high slope more than 20 meters, in the preliminary design and construction drawing process, through the structural plane, podium parting means, managed to avoid overload problem, and solve the support and basic problems.
Key words: slope city complex; multi-tower; high conversion; multi-tower high-rise;
中圖分類號:TU972 文獻標識碼:A文章編號:2095-2104(2012)
1、工程概況
京武·城市山谷(一期)位於湖南省長沙市雨花區體育新城,總用地面積47233.0 m2, 有效用地面積45785.0 m2,用地呈不規則狀,東西最長處約295 m,南北最長處約225 m,用地沿體育公園山體地勢順勢而下,南高北低(地面黃海標高為42.80~70.0米),最大處高差約27 m,意為「城市山谷」(如圖1、2)。
該城市綜合體包括2層地下室,-2層與長沙市正在修建的地鐵車站連接,該層層高為3.6m,-1層層高為4.2m;地下室負二層局部為平戰結合工程,3個防護單元,1個人防固定電站。人防工程修建面積為7233.0m2,其中核6甲類二等人員掩蔽部建築面積3997.5m2,地下室上麵包括3層裙樓和1~5#棟(高層)住宅。裙樓層高分別為5.6m、5.0m、5.0m。1#棟長X寬X高=65.05x19x91.95/97.95m(含二棟塔樓,分縫脫開),結構層數地上為30/32層;底層層高為6.15m,標准層層高為3m。2#棟長X寬X高=65.05x19x88.95/94.95m(含二棟塔樓,分縫脫開),結構層數地上為29/31層;底層層高為6.15m,標准層層高為3m。3#棟長X寬X高=51.5x19.6X82.65m,結構層數地上27層,底層層高為8.2m,標准層層高為2.9m。4#棟,長X寬X高=34.6x21.2x82.4m,底層層高為8.2m,標准層層高為2.9m。5#棟長X寬X高=32.7x19x94.95m,結構層數地上為31層;底層層高為6.15m,標准層層高為3m。6#棟,長X寬X高=41.8x18.5x96.3m,結構層數地上29+1(一層架空層)層,架空層層高為6.15m,標准層層高為3.15m。該棟建築物在山坡頂上,正負零標高與裙樓頂板標高相同,二層地下室高度與裙樓二、三層層高相同,設縫與大地下室脫開。
建築總高度:地下7.8米,地上15.6+97.95=113.45米。同時邊坡頂上布置7棟聯排別墅,別墅建築高度13.2米。
結構基本條件:基本風壓0.35KN/㎡;基本雪壓0.45 KN/㎡;抗震設防烈度為6度。基本地震加速度值為0.05g。設計地震分組為第一組。場地類別為Ⅱ類。
2 支護方案
該工程由湖南省勘察設計院進行地質勘察及支護設計。地質情況(沿坡地):殘積粘土層厚0.50~7.80m;強風化泥質粉砂岩層厚0.80~8.30m;強風化含礫砂岩-1層厚1.00~37.50m;中風化泥質粉砂岩層厚0.50~24.70m;地下室抗浮。水位為39.0米。
湖南省勘察設計院接到支護設計後,提出該工程支護高度由8~27米,全部採用臨時支護方案。我單位經過與長沙市有關結構專家包括鄒銀生、譚齊、朱懷恩、鄧復華、石祖明進行討論,認為採用臨時支護方案對於主體設計單位的結構設計非常不利。地下室及裙樓承受土壓太大且不均勻,四個方向結構本身無法平衡側壓力,依靠基底摩擦力平衡側壓力非常難以精確計算。
經過與支護設計單位設計人員多次協商,最後決定採取以下方案進行支護設計:43.0米(完整地下室頂板面標高)以下採用臨時支護設計方案(人工挖孔樁+錨索、不放坡);43.0米以上(包括東、西、南三個方向)全部採用永久支護設計方案(表面噴射混凝土+錨索+冠梁、坡度不大於1:0.3),43.0米以上不回填,採用架空處理,我與支護設計人員協調定位使錨索位置避開架空結構柱位置。
該支護方案確定後, 關於地下室、裙樓與支護關系如下:北面室外地面僅比地下室頂面標高低200mm,僅二層地下室承受土壓力,南面地下室頂板(43.00米)從上均為永久支護,同時裙樓南面採用框架架空,不進行回填,東、西兩面裙樓部分的外牆沿室外坡形路面承受土壓力。東面、西面地下室受土壓力7~10m,僅東南角局部受土壓力23~13m。 7~13#棟聯排別墅地下室底板以下與永久支護面之間架空。
3 基礎設計
該工程各棟建築豎向構件由於底標高的原因,落在不同的持力層上,統計如下:
1~5#棟(包括大地下室)持力層為強風化含礫砂岩,地基承載力特徵值320Kpa。
6#棟持力層為強風化泥質粉砂岩,地基承載力特徵值240Kpa;考慮到6#棟無埋深(至地下室底板只有三面埋在土中,不滿足埋深要求),豎向構件埋入土中一層[(3.15X29+6.15+5)/18-0.9(承台)=4.80米],承檯面標高為-14.8米(相對於本棟正負零標高),該標高力層為強風化含礫砂岩,地基承載力特徵值320Kpa。
7~13#棟聯排別墅持力層為強風化泥質粉砂岩,地基承載力特徵值240Kpa。
根據以上情況,我與業主方初步商量(支護方案確定之前),確定1~5#棟(包括大地下室)採用筏板基礎;6~13#棟考慮主體結構不增加支護的附加力,採用人工挖孔樁基礎。
在初步設計過程中,基礎方案進一步深化,經過與支護設計單位和專家討論,同時1~5#棟(包括大地下室)結構試算,發現1~5#棟主塔採用人工挖孔樁+承台+防水板方案每棟基礎費用可以節約150萬左右(1~5#棟主塔採用筏板基礎時筏板需要2.5米厚)。最終該工程基礎方案如下:
1~5#棟主塔採用人工挖孔樁+承台+防水板方案,樁基礎持力層為中風化泥質粉砂岩,樁端承載力特徵值fak=4000 KPa。純地下室採用淺基礎+防水板方案(主塔與地下室間設置沉降後澆帶),持力層為強風化含礫砂岩,地基承載力特徵值320Kpa。
6~13#棟考慮主體結構不增加支護的附加力,採用人工挖孔樁基礎,樁基礎持力層為中風化泥質粉砂岩,樁端承載力特徵值fak=4000 KPa。支護圖紙中的錨桿避開人工挖孔樁。樁底標高控制條件為:穿過支護的滑移面5米(根據支護設計單位要求);入中風化泥質粉砂岩0.4D且不小於0.5米(根據JGJ94-2008《建築樁基技術規范》3.3.3-6條要求);絕對標高低於地下室底板面2米(即黃海高程33.20米,支護設計單位以前偶去)。該部分人工挖孔樁樁身控制條件為:1配筋率要求比JGJ94-2008建築樁基技術規范4.1.1-1條提高0.5%;縱筋配筋長度為全長;箍筋採用Φ10@100螺旋箍全長加密。
採取以上措施後,1~5#棟(包括大地下室)基礎有效避免了塔樓和純地下室間的不均勻沉降,6~13#棟基礎也不會對支護產生附加水平力。
4 結構設計與計算
4.1結構選型
本工程1#、2#、5#、6#棟採用剪力牆結構,7~13#棟採用異形柱-剪力牆結構,3#、4#棟為了滿足下部商業的建築功能,下部的需要採用部分框支剪力牆結構。方案設計中該部分轉換層放在裙樓頂,考慮到下面商業的使用功能的完整性(轉換梁大約1.6米高,裙樓第三層該部分凈高除去設備安裝後僅2.9米高),初步設計階段把框支轉換層設於架空層頂面,保證了該部分裙樓三層商業使用功能。純地下室部分採用框架結構。
4.2結構超限分析
結構選型完成後,結構專業就開始面臨該工程設計中的最大問題--結構超限。作為一個房地產開發項目,業主方要求我單位必須在保證原方案完整的情況下避免超限,為了達到這個目標,我單位做了大量工作。
4.2.1結構超限情況統計
首先確定嵌固層放在地下室頂面(裙樓一層樓面),採用現澆鋼筋混凝土樓面,樓板混凝土厚度300。地下室一層的梁、柱抗震等級滿足GB50011-2010《建築抗震設計規范》6.1.3-3、6.1.14點的要求。
4.2.1.1針對《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點》附錄一中表一提及情況統計:該項目位於長沙市,抗震設防烈度為6度。1、2、5、6#棟中剪力牆結構建築高度最高為1#棟15.6+97.95=113.45米,小於表一中剪力牆結構140米限值,未超限;3#、4#部分框支剪力牆結構,建築高度最高為4#棟15.6+82.65=98.25米,小於表一中部分框支剪力牆結構120米限值,未超限.
4.2.1.2針對《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點》附錄一中表二提及情況統計:1)a扭轉不規則(考慮偶爾偏心的扭轉位移比大於1.2),作為住宅建築,為了保證建築的美觀和住戶的使用功能,本工程6棟塔樓沒有偶爾偏心的扭轉位移比小於1.2的,屬於扭轉不規則。
b偏心布置(偏心率大於0.15,或相鄰層質心相差大於相應邊長15%),與a不重復計算不規則項,為深入研究。
2)a凹凸不規則,b組合平面;該工程在建築進行平面設計時已經重點考慮規避了此條不規則。
3)樓板不連續(有效寬度小於50%,開洞面積大於30%,錯層大於梁高),該工程在建築進行平面設計時已經重點考慮規避了此條不規則。
4)a剛度突變(相鄰層剛度變化大於70%或連續三層變化大於80%),b尺寸突變(豎向構件位置縮進大於25%,或外挑大於10%和4m,多塔)。對4a條根據JGJ3-2010《高層建築混凝土結構技術規程》3.5.5條規定:當結構上部樓層收進部位到室外地面H1(15.6米)不大於房屋高度0.2H(98X0.2=19.6米)時可以不考慮;對4b條多塔本工程存在,屬於不規則。
5)構件間斷(上下牆、柱、支撐不連續,含加強層、連體類),3、4#棟屬於部分框支抗震牆結構,違反了此條規定,屬於不規則。
6)承載力突變和其他不規則本工程無此結構,規避了此二條不規則。
綜合以上分析,該工程存在1a、4、5三項不規則。屬於超限工程,為了達到業主要求,經過仔細考慮,認為主要是3#、4#棟規避表二中三條不規則,在與建築專業和方案設計單位協調後,3、4#棟在地下室頂板(嵌固層)以上設縫脫開,使3、4#棟形成單棟結構,規避多塔這條不規則。
方案修改後,從新對個棟高層針對表二進行分析:
1、2、5#棟存在大底盤多塔樓和扭轉不規則二條不規則,3、4#棟存在構件間斷和扭轉不規則二條不規則,6#棟不存在不規則。
4.2.1.3針對《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點》附錄一中表三提及情況統計;
1)扭轉過大(裙房以上的較多樓層,考慮偶然偏心的扭轉位移比大於1.4),結構計算時進行控制,可以把扭轉位移比調整到小於1.4。
2)抗扭剛度弱(扭轉周期比大於0.9,混合結構扭轉周期比大於0.85),經過計算,結果見下表
各棟結構自振周期
1)層剛度偏小(本層側向剛度小於相鄰上層的50%),僅對3、4#部分框支剪力牆結構有可能存在,經過計算該二棟計算結果如下:
3#棟
4#棟
2)塔樓偏置(單塔或多塔於大底盤的質心偏心距大於底盤相應邊長20%)。在裙樓分縫時,我單位在考慮縫位置過程中進行了大量結構計算工作。保證1、2、5#棟多塔上部結構質心與大底盤的質心的偏心距不大於底盤相應邊長20%,X方向偏差:19.45/258.8X100%=7.5%;Y方向偏差:1.5/67.6X100%=2.2%。3、4#棟單塔上部結構質心與大底盤的質心的偏心距頁不大於底盤相應邊長20%。3#:X方向偏差:6.85/57.6X100%=11.9%,Y方向偏差:6/31.6X100%=18.98%;4#:X方向偏差:10.66/59.6X100%=17.9%,Y方向偏差:4.42/31.6X100%=13.99%。
採取了分縫措施後,成功規避了塔樓偏置不規則。
1)其它項【多重復雜(結構同時具有轉換層、加強層、錯層、連體和多塔等復雜類型的三種)、高位轉換(框支牆體的轉換構件位置:7度超過5層,8度超過3層)、厚板轉換(7~9度設防的厚板轉換結構)、復雜連接(各部分層數、剛度、布置不同的錯層、連體兩端塔樓高度、體型或者沿大底盤某個主軸方向的振動周期顯著不同的結構)】,該工程中均無以上情況。
4.2.1.4針對《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點》附錄一中表四提及情況統計:本工程無此類型結構。
4.2.2結構超限分析結論
經過建築設計師和本人二個月的辛苦工作,終於規避了本工程方案中存在的所有超限問題,為整個設計工作順利完成打下了堅實基礎。
4.3結構整體計算
4.3.1建築分類等級
根據《建築地基基礎設計規范》(GB50007-2002)、《混凝土結構設計規范》( GB50010-2010)、《建築抗震設計規范》(GB50011-2010)、《建築樁基技術規范》(JGJ94-2008)、《高層建築混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)本工程分類如下:
1)建築安全等級均為二級。
2)地基基礎設計等級為甲級(高層住宅)、丙級(多層建築)。
3)商業部分建築抗震設防類別為乙類,其餘建築抗震設防類別為丙類。
4)1#、2#、5#、6#棟高層建築剪力牆抗震等級為三級; 3#、4#棟為框支-剪力牆結構,底部加強部位的框支柱及剪力牆抗震等級為一級,底部加強部位以上的框架柱及剪力牆抗震等級為三級。
5)聯體洋房鋼筋混凝土框架結構抗震等級為四級。
6)地下室防水等級為P6.
7)建築物耐火等級:高層住宅及地下室部分為一級,其餘為二級。
4.3.2結構計算
該工程6~13#棟單獨建模計算,3、4#棟包括本棟所帶裙樓建模計算,1、2、5#按照分體(每棟從主樓向四邊擴散帶三跨裙樓)和整體建模(大底盤三塔樓)計算。該工程施工圖已經經過施工圖審查中心審查,正在進行樁基礎施工。
5 結語
京武·城市山谷(一期)結構形式復雜,超限問題較多,給結構設計者提出了一定挑戰,如何在保證不超限又使結構安全的前提下,通過採用合理的結構形式和構造措施,滿足建築的外形和功能要求,是此次工程結構設計的主要目標。對於此類以住宅為主的城市綜合體工程,在建築和結構專業的共同努力下,採取適宜的手段,是可以避免超限,為業主方交出物美價廉的成功作品。
參考文獻:
[1]《建築抗震設計規范》 GB50011-2010
[2]《高層建築混凝土結構技術規程》 JGJ3-2010
[3]《建築樁基技術規程》 JGJ94-2008
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