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1、葫芦岛某住宅项目结构分析及岩石锚杆设计 张岩 石记松 宋代军 中国建筑东北设计研究院有限公司 中铁第五勘察设计院集团有限公司 摘 要： 葫芦岛剪力墙结构高层住宅, 建筑高度 99.9m, 高宽比为 9.5, 高宽比超限。采用平板式筏板基础, 基础持力层为中风化砾岩, 该层岩石坚硬, 极不易破碎, 基础埋深不能满足规范要求, 对结构稳定性不利。采用 SATWE 和 ETABS 两种结构计算软件, 对风荷载、中震及大震作用下结构的各参数进行分析。结果表明, 在风荷载及中震作用下结构的承载力满足规范要求, 保证了上部结构的刚度;在大震作用下, 通过在基底增设抗拔锚杆, 使结构满足“大震不倒”的要求。
2、最终按地基反力作用的力学平衡方法计算了锚杆的拔力。关键词： 岩石锚杆; 高宽比超限; 剪力墙结构; 基础埋深不足; 结构稳定性; 作者简介：张岩, 本科, 高级工程师, 一级注册结构工程师, Email:。Structural analysis and rock bolt design of a residential project in HuludaoZhang Yan Shi Jisong Song Daijun China Northeast Architectural Design & Research Institute Co., Ltd.; China Railway Fifth
3、 Survey and Design Institute Group Co., Ltd.; Abstract： A residential project in Huludao is a high-rise residential building with shear-wall structure.The building height is 99.9 m and aspect ratio is 9.5, the aspect ratio runs out of codes.The plate raft foundation is adopted.The foundation bearing
4、 layer consists of weathering conglomerate, and the rock is hard, so it is difficult to be broken.The embedded depth of the foundation is impossible to meet the codes requirements, and it is disadvantageous to the structural stability.The structural calculation software SATWE and ETABS were used to
5、analyze the parameters of the structure under wind load, fortification earthquake and the rare earthquake action.The calculation results illustrate that the structure satisfies the requirements of the codes under wind load and fortification earthquake action which ensures the rigidity of the upper s
6、tructure; and the requirements of “not collapsing under the rare earthquake”is achieved through setting the rock-anchor system in the foundation under the action of rare earthquakes.Finally, mechanical balanced approach is used to calculate the tension force of the rock-anchor.Keyword： rock-anchor;
7、out-of-code aspect ratio; shear-wall structure; embedded depth of the foundation; structural stability; 1 工程概况及地质条件山海听涛项目位于辽宁省葫芦岛市龙岗商务中心北区, 东侧紧邻龙背山公园, 南侧为中央商务区环路, 北侧紧邻海军基地, 距离海滨浴场 2km。总建筑面积110 万 m, 一期建筑面积 23 万 m, 其中地上 21.5 万 m, 地下 1.5 万 m;主要功能为住宅、商业、车库、社区用房等, 建筑效果图见图 1。本工程结构安全等级为二级, 设计使用年限为 50 年, 抗震
8、设防烈度为 6 度, 设计基本地震加速度为 0.05g;设计地震分组为第一组, 场地特征周期为 0.35s。地面粗糙度为 A 类, 50 年重现期基本风压为 0.6k N/m。以具有代表性的 5#楼作为分析对象 (位置见图 1) , 该楼地下 1 层, 地上 34 层, 为剪力墙结构住宅, 层高 2.9m, 女儿墙高 1.3m, 建筑高度为 99.9m, 宽 10.5m, 高宽比约 9.5。该楼剪力墙厚度为:内墙 200mm, 东西外墙 250mm, 南北外墙350mm。墙的混凝土强度等级为:地下 1地上 8 层采用 C50 混凝土, 912 层采用C45 混凝土, 1316 层采用 C40
9、混凝土, 1734 层采用 C30 混凝土。标高0.00m 处楼板厚 160mm, 采用 C30 混凝土, 其他层楼板厚 100mm, 采用 C25 混凝土。标准层结构平面布置图见图 2。图 1 山海听涛项目效果图 下载原图图 2 5#楼标准层结构平面布置图 下载原图工程场地属于山地, 地势东北高, 西南低, 南北方向长 1 100m, 高差 30m;东西方向长 500m, 高差 20m。场地类别为类场地, 局部为类场地, 地层情况见图 3, 各土层承载力特征值、压缩模量及变形模量见表 1。本工程基础设计等级为甲级, 采用平板式筏板基础, 基础持力层为 (4) 层中风化砾岩, 要求基础嵌入 (
10、4) 中风化砾岩0.5m;基坑采用级配砂石回填, 夯实系数0.94;锚杆的抗拔承载力特征值应通过现场试验检测来确定。图 3 5#楼地层情况及其地质位置示意 下载原图表 1 地基承载力特征值及变形参数 下载原表 2 主要超限项目及审查意见该楼建筑高度为 99.9m, 宽 10.5m, 高宽比约 9.5, 严重超出高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ 32010) 1第 3.3.2 条的规定限值 6。在风荷载和中震作用下, 需要验算上部建筑物墙肢是否出现拉应力或拉应力是否小于混凝土抗拉强度标准值。持力层 (4) 层中风化砾岩的岩石坚硬, 极不易破碎, 基础埋深不能满足规范要求的 1/15H (H
11、为建筑物高度) 1-2。最初的处理方案是采用爆破方法进行地基处理, 使基础埋深满足规范要求, 但由于工程东侧毗邻海军基地, 不能采用爆破方法, 基础只能浅埋;加之该地区风荷载较大, 建筑物高宽比较大, 更加剧了对结构稳定性的不利影响;且当地没有类似工程经验。因此, 需要计算结构是否满足“大震不倒”的设防要求。综合以上原因, 经当地行政主管部门同意, 组织了省级专家委员会对本工程的超限问题进行论证。超限审查意见如下:1) 主体结构采用筏板基础, 需在筏板下设抗倾覆锚杆, 同时建议采用预应力锚杆;2) 建筑物埋置深度保证至少 3m;3) 增加上部结构及基础的刚度, 在风荷载及中震作用下, 上部建筑
12、物墙肢不出现拉应力或即使出现拉应力, 拉应力值要小于混凝土抗拉强度标准值;4) 结构应满足大震作用下抗倾覆、抗滑移验算, 实现“大震不倒”的设防目标。本工程于 2012 年 4 月通过了专家审查。3 结构整体分析本工程埋深不足, 标高0.00m 处不能作为嵌固端, 以基础顶作为嵌固端。采用 SATWE 和 ETABS 两种软件对风荷载及小震、中震、大震作用下的结构承载力进行分析, 并对基底的零应力区大小进行分析。3.1 风荷载作用分析因本工程各建筑物相距较近, 根据建筑结构荷载规范 (GB 500092012) 3考虑风力相互干扰的群体效应, 按风荷载体型系数放大 1.1 倍进行计算。复核墙肢
13、受拉时, 材料强度取标准值, 其余参数均取设计值, 连梁刚度不折减, 同时考虑活荷载组合4。计算结果表明, 仅结构底部 6 层的部分墙肢受拉, 其余墙肢均受压;但墙肢拉应力没有超过混凝土抗拉强度标准值, 满足要求;且结构在风荷载作用下基底无零应力区。风荷载作用下出现拉应力的墙肢位置见图4 中圈起部位, 风荷载作用下结构整体计算结果见表 2。从表 2 中可以看出, 两种软件计算结果比较接近, 最大偏差不超过 15%, 在基底均不存在零应力区, 其中 SATWE 软件计算的内力偏大, 刚度偏小, 结果偏保守。图 4 风荷载作用下受拉墙肢位置 下载原图表 2 风荷载作用下主要计算结果 下载原表 3.
14、2 小震作用分析小震作用下, 取地震影响系数最大值 max=0.042,5, 结构的抗震等级按三级计算, 材料强度取设计值, 连梁刚度折减系数取 0.7, 计算时考虑重力二阶效应, 计算结果见表 3。由表 3 可见, 结构剪重比、刚重比、侧向刚度等各项指标均满足规范要求, 两种软件的计算结果比较接近, 偏差比较小。表 3 小震作用下计算结果 下载原表 3.3 中震作用分析中震作用下, 取地震影响系数最大值 max=0.122,5, 结构抗震等级按四级计算, 材料强度取标准值, 连梁刚度折减系数取 0.5, 不考虑活荷载及风荷载。计算结果表明, 仅结构底部 3 层的部分墙肢受拉, 其余墙肢均受压
15、;但墙肢拉应力没有超过混凝土抗拉强度标准值, 满足要求;且结构在中震作用下基底无零应力区。中震作用下出现拉应力的墙肢位置见图 5 中圈起部位, 中震作用下结构整体计算结果见表 4。由表 4 可见, 结构剪重比、侧向刚度等各项指标均满足规范要求;除个别情况外, 两种软件计算结果比较接近, 最大偏差不超过 15%, 基底均不存在零应力区。图 5 中震作用下受拉墙肢位置 下载原图表 4 中震作用下主要计算结果 下载原表 3.4 大震作用分析大震作用下, 取地震影响系数最大值 max=0.282,5, 结构抗震等级按四级计算, 材料强度取标准值, 连梁刚度折减系数取 0.3, 不考虑活荷载, 计算结果
16、见表 5。由表 5 可见, 在大震作用下虽然力矩比 Mr/Mov=1.65, 但是结构基底零应力区的占比为 48%, 接近一半面积出现零应力区, 考虑上部结构刚度退化、建筑质心的改变及模型假设条件相应改变, 很难保证“大震不倒”目标的实现, 经专家委员会建议, 采取增设抗拉锚杆的措施, 保证结构整体稳定性。表 5 大震作用下主要计算结果 下载原表 4 岩石锚杆设计本工程筏板厚 1m, 沿建筑物外围挑出 1.2m, 基础及锚杆平面布置见图 6。图 6 基础底板抗拔锚杆平面布置 下载原图受当地施工条件限制, 只能采用普通钢筋混凝土锚杆。锚杆孔直径 150mm, 锚孔深 46m, 锚杆采用 3 根 HRB500 级28 钢筋或 3 根 HRB500 级32 的钢筋并筋而成, 见图 7。根据现场试验, 取单根锚杆最大抗拔承载力特征值 Rt1=700k N (最外排) , 最小抗
