同济大学土木工程本科毕业设计西安三桥项目某区域裙房的结构选型分析一刘射洪.docx
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同济大学土木工程本科毕业设计西安三桥项目某区域裙房的结构选型分析一刘射洪
西安三桥项目某区域裙房的结构选型分析
(一)
目录
1工程概况1
2选型分析2
2.1混凝土结构方案3
2.1.1建筑效果4
2.1.2整体计算结果4
2.1.3经济性分析7
2.1.4施工特点7
2.1.5综合评价7
2.2钢结构方案7
2.1.1建筑效果9
2.2.2整体计算结果9
2.2.3经济性分析11
2.2.4施工特点11
2.2.5综合评价12
3方案对比及结论12
参考文献13
附录1普通住宅建筑混凝土用量和钢筋用量估算值14
1工程概况
华润置地西安三桥商业一期项目位于陕西省西安市沣渭新区西郊三桥新街与老西户公路丁字口西南角,南与华宇凤凰城一墙相隔,交通便利。
该项目为一特大型城市商业综合体,集商业、办公、餐饮、会议、文娱等于一体,功能齐全、规模庞大。
对于其建筑结构而言,既有高层、超高层办公塔楼,又有大面积、大跨度、大悬挑的商业裙房,传统单一的结构形式显然难以满足要求,因此属典型的大跨度混合结构。
在本工程中,a-8轴至b-7轴交a-A轴至a-F轴区域的商业裙房最具代表性,如图1-1所示。
该区域裙房两侧是商铺,中间为服务大厅,楼层4层,首层高6.0m,其他层高5.4m,建筑平面形状不规则,跨度最大达19m,悬挑最大达9m以上,且两侧均有连廊与周围裙房相连,传统单一的结构形式难以满足要求。
因此,本文选取该区域的商业裙房作为研究对象,分析探讨大跨度混合结构的优化设计。
根据建筑功能等的要求,成都基准方中建筑设计事务所的初步设计结构布置如图1-2所示。
图1-1建筑平面示意图
图1-2结构布置示意图
2选型分析
对于大跨度建筑,传统单一的结构形式通常难以满足要求,而混合结构可以充分发挥各种材料和构件的优势,是一种比较理想的结构形式。
在城市商业综合体这种大跨度混合结构中,钢—混凝土组合楼盖、型钢混凝土梁、型钢混凝土柱等组合构件运用最多,其相互之间的混合及其与混凝土构件、钢构件等的混合也是最为常见的混合结构形式(见表2-1)。
水平构件系统
竖向构件系统
混凝土梁+混凝土板
钢梁+组合板
型钢混凝土梁+混凝土板
混凝土柱
√
√
√
钢柱
√
型钢混凝土柱
√
√
表2-1常见大跨度结构形式
本文对几种常见的混合结构形式进行比较分析,同时与单一的混凝土结构、钢结构进行对比,研究各自的优缺点,最后做出结构最优选型。
建模分析时,构件编号及结构平面布置如图2-1所示(各层平面布置相似,本文构件分析仅以一层为例)。
图2-1构件编号及结构平面布置示意图
2.1混凝土结构方案
普通混凝土结构方案(混凝土柱+混凝土梁+混凝土板)中,混凝土强度等级取C30(
N/mm2,
N/mm2),钢筋强度等级取HRB400(
N/mm2)。
采用PKPM建模分析,楼板厚120mm,主要梁柱尺寸见表2.1-1。
表2.1-1梁柱截面尺寸
类型
编号
截面尺寸(mm×mm)
柱
KZ1
550×550
KZ2
850×850
KZ3
1150×1150
KZ4
1250×1250
梁
主梁
KL1、KL5
250×750
KL2、KL3、KL4
400×1200
KL6、KL8、KL10
350×1050
KL7
600×1500
KL9
500×1500
次梁
L1、L2、L3、L7、L8、L9、L10、L11
250×750
L4、L5、L6
300×1200
L12
200×600
L13
250×900
一层梁柱配筋率示意图如图2.1-1所示,从图中可以看到柱的轴压比大多为0.5~0.6,配筋率为2%~3%,柱的材料性能发挥充分,处于经济配筋率范围。
同理,从图中可以看到主、次梁的配筋率大多为1.1%~1.5%,也处于经济配筋率范围。
因此,表2.1-1中的梁柱尺寸在受力上是比较合理的。
图2.1-1一层梁柱配筋率示意图
2.1.1建筑效果
本工程如果采用单一的混凝土结构方案,柱的尺寸最大为1.25m,主梁高度最大将达到1.5m,这对于建筑功能使用(楼层净高要求首层4.2m,其他层3.8m)、视觉要求等是不利的。
2.1.2整体计算结果
整体计算结果指标分析如下:
(1)结构质量
按照计算模型,结构总质量约为4028吨。
标准层每平方米质量约为1.38吨,处于框架结构重量(恒+活)合理范围之内。
(2)结构规则性
在规定水平地震力作用下,最大位移比为1.02(X向)、1.15(Y向)。
最大位移比满足《建筑抗震设计规范》第3.4.3条位移比不宜大于1.2的规定。
(3)水平位移验算
X方向小震作用下最大层间位移角为1/720,Y方向小震作用下最大层间位移角为1/701,X向风荷载作用下最大层间位移角为1/9860,Y向风荷载作用下最大层间位移角为1/4352,满足《建筑抗震设计规范》第5.5.1条规定的楼层层间位移角限值的要求:
多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比
不宜超过1/550。
最大层间位移角统计如
图2.1.2-1、图2.1.2-2所示。
图2.1.2-1地震作用下最大层间位移角
图2.1.2-2风载作用下最大层间位移角
(4)抗倾覆验算
根据SATWE计算结果,风荷载和地震作用产生的倾覆弯矩小于结构的抗倾覆力矩,抗倾覆弯矩与倾覆弯矩的最小比值(Y向地震)为9.38,倾覆稳定性满足要求。
(5)剪重比复核
根据计算结果,X、Y向最小剪重比分别为8.37%和8.21%,满足《建筑抗震设计规范》第5.2.5条规定的楼层最小剪重比3.20%的要求。
(6)楼层剪力
根据计算结果,楼层框架柱承担地震剪力及风荷载作用下的楼层剪力基本满足规范要求。
楼层剪力分布如图2.1.2-3、图2.1.2-4所示。
图2.1.2-3地震作用下楼层剪力分布
图2.1.2-4风载作用下楼层剪力分布
2.1.3经济性分析
对本方案进行材料用量估算,以评估工程的经济效果,如表2.1.3-1所示。
表2.1.3-1材料用量估算
材料
用量
单价
造价(万元)
混凝土
1086.1m3
310元/m3
33.7
钢筋
130.3t
3800元/t
49.5
合计
83.2
2.1.4施工特点
钢筋混凝土框架结构是最为常见的多层建筑结构形式,其施工技术也是最为简单、成熟的。
按照施工方式的不同,钢筋混凝土框架结构分为现浇整体式、装配式、装配整体式。
其中,采用现浇式混凝土框架时,结构的整体性、刚度较好,具有较好的抗震效果,而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。
而装配式、装配整体式混凝土框架适合大规模工业化施工,效率较高,工程质量较好,但连接处理比现浇式框架复杂,结构整体性较差,且抗震性能不易保证。
本工程中,商业裙房属乙类建筑,抗震设防要求较高,宜采用现浇式混凝土框架。
施工中可能遇到的问题有:
混凝土浇筑前要支模、绑扎钢筋,工作量大;板、梁、柱的混凝土强度等级可能不同,钢筋直径常有变化,施工过程中容易出错;梁、柱节点区要保证“强节点、弱构件”,钢筋密集、纵横交错,绑扎时可能会混乱,或箍筋无法绑扎。
2.1.5综合评价
钢筋混凝土结构是最为普遍的结构形式之一,其将钢筋和混凝土两种材料结合在一起共同工作,利用混凝土抗压和钢筋抗拉,使二者各尽其能、相得益彰,组成性能良好的结构构件。
其除了充分利用混凝土和钢筋的性能外,还具有良好的耐久性、耐火性、整体性、可模性等优点,因此钢筋混凝土结构能在各种不同的工程中得以广泛应用。
但是其自重大、易开裂的缺点始终存在,在一定程度上阻碍了混凝土结构的广泛应用。
就本工程而言,商业裙房属大跨度结构。
如果采用混凝土结构方案,主梁高度将达到1.5m,这对于建筑功能使用、视觉要求等是不利的,略显“笨重”。
利用PKPM建模分析可以看到,混凝土结构方案在力学性能上各指标均能满足规范要求。
就经济效果来说,混凝土结构方案较为经济。
在施工技术上,混凝土结构方案也不存在太大问题。
2.2钢结构方案
采用钢结构方案(钢柱+钢梁+组合板),
钢材强度等级取Q345(当板厚小于16mm时,
N/mm2,当板厚为16~35mm时,
N/mm2,当板厚为35~50mm时,
N/mm2,当板厚为50~100mm时,
N/mm2)。
用PKPM建模分析,楼板采用压型钢板混凝土组合楼板,板厚120mm,主要梁柱尺寸见表2.2-1。
表2.2-1梁柱截面尺寸
类型
编号
截面尺寸(mm×mm)
柱
KZ1
25×400×400×25×400×25
KZ2
25×1000×800×25×800×25
KZ3
50×1200×1000×50×1000×50
KZ4
50×1200×1200×50×1200×50
梁
主梁
KL1、KL5
10×700×300×20×300×20
KL2、KL3、KL4
10×1200×550×20×550×20
KL6、KL8、KL10
10×900×350×20×350×20
KL7
30×1200×600×40×600×40
KL9
30×1200×400×40×400×40
次梁
L1、L2、L3、L7、L8、L9、L10、L11
10×500×150×20×150×20
L4、L5、L6
10×1000×400×20×400×20
L12
10×600×150×20×150×20
L13
10×1000×300×20×300×20
一层梁柱应力比及稳定性验算示意图如图2.2-1所示,从图中可以看到梁柱稳定性均满足要求,最大应力比大多为0.75~0.95,处于经济应力比范围。
因此,表2.2-1中的梁柱尺寸在受力上是比较合理的。
图2.2-1一层梁柱应力比及稳定性验算示意图
2.1.1建筑效果
本工程如果采用单一的钢结构方案,钢梁最大高度可以控制在1.2m,这对于建筑功能使用、视觉要求等是有利的。
但由于承重较大,实腹式H型钢柱的尺寸最大也将达到1.2m,而腹板、翼缘厚度达到50mm,钢板厚度较大。
2.2.2整体计算结果
整体计算结果指标分析如下:
(1)结构质量
按照计算模型,结构总质量约为2409吨。
标准层每平方米质量在0.81吨,与普通混凝土框架结构相比显得“轻巧”。
(2)结构规则性
在规定水平地震力作用下,最大位移比为1.02(X向)、1.17(Y向)。
最大位移比满足《建筑抗震设计规范》第3.4.3条位移比不宜大于1.2的规定。
(3)水平位移验算
X方向小震作用下最大层间位移角为1/619,Y方向小震作用下最大层间位移角为1/858,X向风荷载作用下最大层间位移角为1/4691,Y向风荷载作用下最大层间位移角为1/3620,满足《建筑抗震设计规范》第5.5.1条规定的楼层层间位移角限值的要求:
多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比
不宜超过1/250。
最大层间位移角统计如图2.2.2-1、图2.2.2-2所示。
图2.2.2-1地震作用下最大层间位移角
图2.2.2-2风载作用下最大层间位移角
(4)抗倾覆验算
根据SATWE计算结果,风荷载和地震作用产生的倾覆弯矩小于结构的抗倾覆力矩,抗倾覆弯矩与倾覆弯矩的最小比值(Y向地震)为7.90,倾覆稳定性满足要求。
(5)剪重比复核
根据计算结果,X、Y向最小剪重比分别为7.72%和9.74%,满足《建筑抗震设计规范》第5.2.5条规定的楼层最小剪重比3.20%的要求。
(6)楼层剪力
根据计算结果,楼层框架柱承担地震剪力及风荷载作用下的楼层剪力基本满足规范要求。
楼层剪力分布如图2.2.2-3、图2.2.2-4所示。
图2.2.2-3地震作用下楼层剪力分布
图2.2.2-4风载作用下楼层剪力分布
2.2.3经济性分析
对本方案进行材料用量估算,以评估工程的经济效果,如表2.2.3-1所示。
表2.2.3-1材料用量估算
材料
用量
单价
造价(万元)
焊接H型钢
472.4t
6000元/t
283.5
压型钢板
2924.0m2
38元/m2
11.1
混凝土
350.9m3
310元/m3
10.9
合计
305.5
2.2.4施工特点
随着钢结构的大量推广,其施工技术也是非常成熟的。
钢构件都为工厂制作,具备成批大件生产和成品精度高等特点。
采用工厂制造、工地安装的施工方法,有效地缩短工期,为降低造价、发挥投资的经济效益创造了条件。
钢构件或部件之间的连接形式一般有焊接、铆钉连接、普通螺栓连接和高强螺栓连接。
焊接是使用最普遍的方法,该方法对几何形体适应性强,构造简单,省材省工,易于自动化,工效高。
但是焊接属于热加工过程,对材质要求高,对于工人的技术水平要求也高,焊接程序严格,质量检验工作量大。
对于铆接,该方法传力可靠,韧性和塑性好,质量易于检查,抗动力荷载好。
但是由于铆接时必须进行钢板的搭接,相对来讲费钢、费工,现已基本不用。
普通螺栓连接这种方式,装卸便利,设备简单,工人易于操作。
但是对于该方法,螺栓精度低时不宜受剪,螺栓精度高时加工和安装难度较大。
而高强螺栓连接,加工方便,对结构削弱少,可拆换,能承受动力荷载,耐疲劳,塑性、韧性好摩擦面处理,安装工艺略为复杂,造价略高。
因此,本工程在施工中可能遇到的问题有:
需要大量焊接工作,现场焊接质量难以控制;螺栓连接时,对构件加工精度要求较高,否则会出现螺栓对不上孔等安装不到位的现象;框架杆件截面除满足材料的强度要求外,尚需保证杆件的整体稳定性和局部稳定性,因而会出现数量繁多的加劲肋和支撑;钢柱与基础的连接较复杂。
2.2.5综合评价
钢结构作为一种目前比较推崇的建筑结构形式,其具有强度高、材性好、可靠性高、工业化程度高、抗震性能良好、节能环保等得天独厚的优势,但其价格昂贵,且耐火性、耐腐蚀性较差,尤其是钢材易腐蚀的特点在很大程度上限制了钢结构的应用。
就本工程而言,商业裙房属大跨度结构。
如果采用钢结构方案,梁高可以控制在比较满意的范围,但钢柱仍显“巨大”。
利用PKPM建模分析可以看到,钢结构方案在力学性能上各指标均能满足规范要求。
就经济效果来说,钢结构方案经济性较差。
在施工技术上,钢结构方案的难点就在于构件之间的现场连接质量难以控制,但总体上技术较为成熟。
3方案对比及结论
针对上述两种结构方案,从建筑效果、力学性能、经济性和施工技术等方面进行比较分析,对比结果如表3-1所示。
表3-1方案对比结果
指标
方案
混凝土结构方案
(混凝土柱+混凝土梁+混凝土板)
钢结构方案
(钢柱+钢梁+组合板)
建筑效果
梁高最大达1.5m,难以满足建筑功能、视觉美观要求。
梁高最大可控制在1.2m,但实腹式的H型钢柱尺寸也将达到1.2m,而腹板、翼缘厚度达到50mm,钢板厚度较大。
力学性能
各指标均满足规范要求,但整体结构略显“笨重”。
各指标均满足规范要求,整体结构较为“轻巧”。
经济性
材料费估算为83.2万元,较经济。
材料费估算为305.5万元,较昂贵。
施工技术
技术成熟。
技术成熟。
从表3-1可以看到,混凝土结构方案和钢结构方案都各有优缺。
参考文献
[1]GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].北京:
中国建筑工业出版社,2012.
[2]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京:
中国建筑工业出版社,2010.
[3]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:
中国建筑工业出版社,2010.
[4]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].北京:
中国建筑工业出版社,2003.
[5]JGJ3-2010.高层建筑混凝土技术规程[S].北京:
中国建筑工业出版社,2010.
[6]李国强,黄宏伟,吴迅等.工程结构荷载与可靠度设计原理[M].北京:
中国建筑工业出版社,2011.
[7]顾祥林.混凝土结构基本原理[M].上海:
同济大学出版社,2011.
[8]顾祥林.建筑混凝土结构设计[M].上海:
同济大学出版社,2011.
[9]沈祖炎,陈扬骥,陈以一.钢结构基本原理[M].北京:
中国建筑工业出版社,2005.
[10]马人乐,罗烈,邓洪洲等.建筑钢结构设计[M].上海:
同济大学出版社,2008.
[11]吕西林,周德源,李思明等.建筑结构抗震设计理论与实例[M].上海:
同济大学出版社,2011.
[12]中国建筑科学研究院.多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE用户手册及技术条件[M].北京:
中国建筑工业出版社,2010.
附录1普通住宅建筑混凝土用量和钢筋用量估算值
(1)多层砌体住宅:
钢筋:
30kg/m2
砼:
0.3~0.33m3/m2
(2)多层框架:
钢筋:
38~42kg/m2
砼:
0.33~0.35m3/m2
(3)小高层11~12层:
钢筋:
50~52kg/m2
砼:
0.35m3/m2
(4)高层17~18层:
钢筋:
54~60kg/m2
砼:
0.36m3/m2
(5)高层30层:
钢筋:
65~75kg/m2
砼:
0.42~0.47m3/m2
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