深圳青少年活動中心結(jié)構(gòu)設(shè)計

深圳青少年活動中心結(jié)構(gòu)設(shè)計

1建筑結(jié)構(gòu)特點深圳青年培訓中心是一座集展廳、培訓、會議、劇院、體育活動為一體的綜合性文化建筑。位于廣東省深圳市福田區(qū)。該建筑地上6層,地下1層,地下1層層高均為5.4m,1~3層層高均為6m,4~6層層高均為4.5m。主樓南北向尺寸約為87m,東西向尺寸約為126m,建筑高度為32.12m,高寬比為0.38。東北角和西北角分別有18m和11m的鋼結(jié)構(gòu)懸挑。圖1為建筑效果圖,典型建筑剖面圖如圖2所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級,建筑抗震設(shè)防為重點設(shè)防類?？拐鹪O(shè)防烈為7度,場地類別為Ⅱ類,根據(jù)地震安全性評價報告,場地特征周期為0.36s,設(shè)計基本地震加速度為0.10g,基本風壓取值0.75kN/m2預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)結(jié)合建筑使用功能要求,結(jié)構(gòu)主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻體系,基本柱網(wǎng)尺寸為8.4m×8.4m,端部兩跨為9m×9m。1層由于建筑外觀需求,室外柱為圓柱,其余為方柱,直徑或邊長為600~1200mm。根據(jù)建筑要求,混凝土剪力墻主要布置于樓梯及電梯四周,墻厚200~600mm。剪力墻豎向連續(xù),洞口布置基本規(guī)則,平面上自然形成抗震筒體,但考慮到結(jié)構(gòu)高度僅31.5m,故仍按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。建筑物南側(cè)偏東區(qū)域的多功能活動廳上空混凝土主梁跨度為25.2m,此處采用2000mm高的預(yù)應(yīng)力混凝土梁,對正常使用情況下的撓度和裂縫進行控制。結(jié)構(gòu)主體從4層樓面開始設(shè)置防震縫形成雙塔結(jié)構(gòu),縫寬100mm。本工程由于使用功能要求,平面極其復(fù)雜,每一層都不同,以至于造成以下問題:本工程帶有超長懸挑結(jié)構(gòu),并存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、細腰形平面、樓板不連續(xù)、豎向尺寸突變、豎向構(gòu)件不連續(xù)、局部穿層柱及斜柱、塔樓偏置、錯層多項不規(guī)則情況。根據(jù)全國《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》3結(jié)構(gòu)方案比選對結(jié)構(gòu)影響較大的除了平、立面非常不規(guī)則造成復(fù)雜超限外,局部特殊部位是東北角和西北角分別有30m和11m的大懸挑。東北角30m的大懸挑是由于東北角的地下為地鐵換乘通道,該部位建筑無法落地,為增加使用空間,設(shè)計時在2~3層于換乘通道的上空采用桁架結(jié)構(gòu)懸挑30m,懸挑桁架采用純鋼結(jié)構(gòu);建筑物西北角11m的大懸挑是由于1層為地鐵的出口,為增加使用空間,在1層地鐵出口的上空采用鋼結(jié)構(gòu)桁架+鋼次梁形式懸挑11m,另一方向懸挑9m,并在底層加鋼斜撐,形成2~3層的空間。上述結(jié)構(gòu)方案簡稱為方案一?？紤]結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性,在取得建筑師及業(yè)主的認可后,對局部做了如下調(diào)整:1)對于東北角大懸挑部分的懸挑桁架,在完善和加強外側(cè)兩榀桁架的基礎(chǔ)上,取消內(nèi)側(cè)兩榀桁架;大懸挑部分底部分別增加兩根斜柱,從而減小懸挑長度,懸挑長度由方案一的30m減小為18m。懸挑桁架仍采用純鋼結(jié)構(gòu),出挑部分桁架弦桿采用焊接H型鋼H1200(1300)×400×26×40,桁架的豎腹桿采用□400×500×25×25和□400×400×25×25的焊接箱形鋼,桁架的斜腹桿采用□350×350×22×22的焊接箱形鋼。懸挑桁架壓重部分的弦桿及落地的托桁架柱采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu),壓重部分的弦桿截面為H1000×600×20×35,托桁架柱多為ue788900的圓柱;2)減小了東北角純鋼結(jié)構(gòu)桁架+鋼次梁的范圍;3)對于西北角懸挑部分,把1層的斜撐調(diào)整到2層和3層,同時有利于提高建筑使用空間。如此調(diào)整后的結(jié)構(gòu)方案簡稱為方案二。方案一、方案二中,鋼柱、鋼桁架、鋼梁皆采用Q345B鋼。圖8為東北角外側(cè)懸挑桁架調(diào)整示意圖,圖9為東北角內(nèi)側(cè)桁架調(diào)整示意圖,西北角懸挑桁架調(diào)整如圖10所示。方案一、二結(jié)構(gòu)的主要性能指標如表1所示。從表1計算結(jié)果可見,兩種方案下的結(jié)構(gòu)都具有良好的結(jié)構(gòu)性能,兩種方案均合理可行,其中方案二小震彈性分析各項主要結(jié)果指標是趨向有利的。并且方案二的土建總造價比方案一減少了約550萬,節(jié)約了工程造價,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。因此最終采用方案二,以下計算分析都按方案二進行。4績效結(jié)構(gòu)目標和實現(xiàn)4.1性能目標選取結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗震性能目標見表2。根據(jù)該工程的結(jié)構(gòu)特點,為保證結(jié)構(gòu)安全,本次設(shè)計中提高了重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度,以下將構(gòu)件設(shè)計的性能目標提高至中震作用分析:(1)西北角地鐵出口處11m的大懸挑斜撐及相鄰兩框架柱的性能目標:中震彈性;大震抗剪彈性、抗彎不屈服。(2)東北角懸挑桁架的性能目標:中震抗剪彈性、抗彎不屈服;大震抗剪彈性、抗彎不屈服。(3)東北角托桁架柱的性能目標:中震彈性;大震抗剪彈性、抗彎不屈服。(4)東北角外挑桁架根部混凝土墻的性能目標:中震抗剪彈性、抗彎不屈服;大震抗剪彈性、抗彎不屈服。當按中震彈性進行構(gòu)件設(shè)計時,不考慮地震內(nèi)力調(diào)整,荷載作用分項系數(shù)、材料分項系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)均取設(shè)計值,周期折減系數(shù)取1.0、結(jié)構(gòu)阻尼比取5%、特征周期取0.40s、最大地震影響系數(shù)取0.230。在豎向地震作用下,樓層最大豎向位移點并沒出現(xiàn)在大懸挑桁架處,而是位于3層頂梁跨度較大處,大懸挑桁架最外側(cè)豎向位移最大值為9.43mm。4.2層間位移角、y向位移角小震作用下各層的層間位移角如圖11所示。小震作用下,X向最大層間位移角為1/1032,Y向最大位移角為1/991,均小于規(guī)范限值1/800,滿足規(guī)范要求。由表1還可知,小震作用下,X向最大層間位移比為1.33,Y向最大層間位移比為1.44。4.3中地震特殊組件的計算中震作用下特殊構(gòu)件的計算結(jié)果如表3,4所示。由表可知:中震作用下,特殊構(gòu)件都能滿足既定的抗震性能目標。4.4大震后結(jié)構(gòu)損傷的主要情況大震彈塑性計算分析采用ABAQUS軟件,根據(jù)結(jié)構(gòu)在大震下動力彈塑性時程分析結(jié)果,對結(jié)構(gòu)的抗震性能評價如下:(1)結(jié)構(gòu)中塔2(位置示意見圖7)的X向和Y向最大層間位移角分別為1/119和1/110,分別出現(xiàn)在5層和6層頂;塔1的X向和Y向最大層間位移角為1/104和1/104,分別出現(xiàn)在5層和6層頂,說明結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標,且塔2具有較大的富余量,實際上由于塔1的5~6層為框架結(jié)構(gòu),而位移角限值滿足1/100的要求,說明塔1也具有較大的安全富余量,以上結(jié)果說明結(jié)構(gòu)具有較高的可靠度。(2)大震下X向和Y向剪重比平均值分別為19.77%和16.88%,大震與小震剪重比之比最小值分別為4.46和4.77,說明在大震下結(jié)構(gòu)損傷并不嚴重,剛度折減較小。(3)結(jié)構(gòu)中最高的筒體WALL1和WALL2(圖12)中的剪力墻在各工況下的累計損傷多發(fā)生在2層以上的連梁上,其他損傷部位的損傷因子為0.4左右,墻肢截面較高的墻體基本未發(fā)生損傷,說明結(jié)構(gòu)仍具有較高的剩余承載力。除連梁局部應(yīng)力集中部位的塑性應(yīng)變較大外,其他塑性應(yīng)變較大部位的塑性應(yīng)變大部分在0.0015~0.002之間,說明塑性應(yīng)變較大部位的剪力墻塑性發(fā)展并不充分,與剪力墻累積損傷得到的結(jié)論一致。(4)絕大部分樓板未出現(xiàn)受壓損傷,少數(shù)損傷出現(xiàn)在洞口及筒體連接處。大部分樓板鋼筋拉應(yīng)力小于76MPa,說明大震下樓板雖然會開裂,但鋼筋應(yīng)力很小,樓板仍然可以正常工作,并保持連續(xù)性地傳遞水平力。局部靠近洞口及筒體樓板單元由于應(yīng)力集中,鋼筋最大應(yīng)力為333MPa,但未屈服(HRB400鋼筋屈服強度標準值為400MPa),在施工圖階段對洞口及與筒體連接處樓板的配筋予以加強。(5)大部分鋼筋混凝土框架柱均處于彈性階段,個別柱出現(xiàn)輕微塑性,但未達到混凝土峰值強度。鋼筋混凝土柱的剪切應(yīng)力峰值最大值小于1MPa,鋼筋混凝土柱滿足大震性能目標。(6)結(jié)構(gòu)懸挑部位的鋼骨混凝土柱壓應(yīng)變及正應(yīng)力均小于規(guī)范限值,處于彈性工作狀態(tài),滿足型鋼混凝土柱大震下抗彎不屈服、抗剪彈性的抗震性能目標。(7)懸挑鋼桁架的鋼梁部分的vonMises應(yīng)力幅值最大值約為180MPa,均小于345MPa,處于彈性工作階段。綜上,通過超限分析論證,該結(jié)構(gòu)能夠滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)4.5特殊設(shè)備的特殊分析4.5.1小震和中震作用下的應(yīng)力分布本工程存在樓板開大洞及樓板錯層等情況,采用彈性樓板假定補充分析樓板應(yīng)力,揭示樓板傳遞水平荷載時在多向應(yīng)力作用下的工作狀態(tài),確保剪力墻和框架的變形協(xié)調(diào),并根據(jù)分析結(jié)果對樓板的薄弱部位進行加強處理。具體加強方法是在應(yīng)力較大區(qū)域進行適當?shù)丶訌姟２捎肕IDAS/Gen程序計算2~5層樓板在小震(多遇地震)、中震(設(shè)防烈度地震)作用下的應(yīng)力分布,并在設(shè)計中根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果予以加強。圖13代表性地給出了小震、中震作用下2層樓板X向的應(yīng)力云圖。從樓板應(yīng)力云圖可以看出,小震作用下各層大部分區(qū)域樓板面內(nèi)拉應(yīng)力小于0.8MPa,局部樓板拉應(yīng)力稍大,最大為2.42MPa左右,主要集中在核心筒周邊小范圍內(nèi),主要由應(yīng)力集中造成。中震作用下各層大部分區(qū)域樓板面內(nèi)拉應(yīng)力小于1.1MPa,整體上Y向的應(yīng)力比X向應(yīng)力大,此應(yīng)力小于混凝土的抗拉強度標準值,局部樓板拉應(yīng)力較大,最大為3.9MPa,同樣主要集中在核心筒周邊小范圍內(nèi);5層有懸挑的角部樓板和支撐附近的樓板拉應(yīng)力也稍大,最大為2.8MPa。在施工圖設(shè)計時,對以上拉應(yīng)力大的部位加強配筋,使樓板在多遇地震作用下處于彈性狀態(tài),在設(shè)防烈度地震作用下鋼筋不屈服,保證樓板能夠有效地傳遞水平荷載。4.5.2樓板豎向自振頻率根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2010)對樓板振動分析模型進行模態(tài)分析,獲得樓板豎向振動的多階自振頻率,樓板豎向振動的基本頻率為4.60Hz>3Hz,滿足規(guī)范對樓板豎向基本自振頻率的要求。圖14為樓板豎向振動第1階模態(tài)圖。大懸挑桁架的動力彈塑性分析結(jié)果見表5。根據(jù)小震計算結(jié)果、表4、表5可知:主體結(jié)構(gòu)滿足現(xiàn)行規(guī)范對該類結(jié)構(gòu)在小震下的各項控制指標;懸挑桁架滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服,大震抗剪彈性、抗彎不屈服;地鐵出口斜撐及相鄰兩側(cè)框架柱滿足中震彈性,大震抗剪彈性、抗彎不屈服;托桁架柱滿足中震彈性,大震抗剪彈性、抗彎不屈服;外挑桁架根部混凝土墻滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服,大震抗剪彈性、抗彎不屈服,達到了預(yù)定的性能目標。4.6柱、柱、墻的防沖劑完善(1)按照安評報告給出設(shè)計地震動參數(shù)與規(guī)范值作比較,安評結(jié)果高于規(guī)范值,故該工程小震計算采用安評報告提供參數(shù)。(2)對于大懸挑桁架及不連續(xù)柱下支撐及相鄰框架按性能化要求設(shè)計。(3)對大懸挑桁架及不連續(xù)柱下支撐采用鋼結(jié)構(gòu),臨近框架柱采用鋼骨混凝土柱,并控制軸壓比小于0.70,使柱在大震作用下有較大的安全儲備和延性。相鄰混凝土筒剪力墻的部分墻肢采用型鋼加強,提高結(jié)構(gòu)的延性。(4)加強樓板大開洞及筒體連接處的配筋。(5)提高關(guān)鍵構(gòu)件抗震等級,外挑桁架相鄰框架梁及柱均按一級。(6)采用有限元軟件對大懸挑桁架進行補充計算,對不同工況作用下關(guān)鍵構(gòu)件進行應(yīng)力分析及自振頻率計算,保證結(jié)構(gòu)安全及使用舒適性。(7)考慮扭轉(zhuǎn)的不利影響,對邊柱采取適當加大配筋、箍筋加密等加強措施。(8)對厚度大于300mm的剪力墻,跨高比小于1的連梁采取配交叉斜筋等加強措施,增加其抗震延性。(9)要求建筑專業(yè)配合對主體結(jié)構(gòu)外墻采取外保溫等多項措施,減小溫度應(yīng)力的影響。(10)后期使用過程中,應(yīng)加強對托桁架柱的保護,如采取設(shè)置防撞隔離等措施,避免關(guān)鍵構(gòu)件受損,出現(xiàn)結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。5結(jié)構(gòu)體系分析(1)通過對結(jié)構(gòu)方案的調(diào)整,即在東北角大懸挑處增加兩根斜柱支撐,大幅度減小懸挑長度(由懸挑30m減小到18m),有利于結(jié)構(gòu)受力性能的改善。(2)該工程有超長懸挑結(jié)構(gòu),并存在多項平面不規(guī)則及豎向不規(guī)則情況。根據(jù)結(jié)構(gòu)整體彈性分析結(jié)果,結(jié)構(gòu)各項整體指標大部分滿足規(guī)范要求,個別指標超限(如位移比),但仍在規(guī)范可接受范圍內(nèi),表明結(jié)構(gòu)體系可行。結(jié)構(gòu)彈性時程補充驗算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)在地震作用下無潛在的薄弱層。根據(jù)主要構(gòu)件在中震及大震作用下的抗震性能