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多层混合木结构在办公建筑中的应用

多层混合木结构在办公建筑中的应用

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无锡浪潮大数据产业园地处无锡市滨湖区尚贤河湿地公园西畔,分为A, B两区,涉及木结构的建筑共4栋,均采用上部木结构框架+下部混凝土框架结构形式。由上海交通大学设计研究总院木结构所负责木结构部分的方案深化、施工图设计及施工现场技术指导等工作。


1  方案概况


本项目采用框架结构,以满足办公建筑的功能需求,在空间划分上也更具有灵活性。为满足GB 50016—2014《建筑防火设计规范》及GB/T 51226—2017《多高层木结构建筑技术标准》的要求,将多层办公楼中上部的木结构的层数控制在3层以内,垂直交通核采用混凝土结构,其他办公区域楼盖及屋顶均采用木结构。木结构涉及的建筑面积约5 900 ㎡,包括A1-1约2 900㎡、A1-2约600 ㎡、A1-3约2 200 ㎡及B1约200 ㎡。各木结构单体下有1~2层混凝土框架及一层混凝土地下室。木结构框架梁柱均采用同等组花旗松胶合木,强度等级为TCT32,楼面搁栅及轻木墙体采用进口云杉–松–冷杉(S-P-F)规格材。外立面主要采用玻璃幕墙,办公楼内部温和的木结构氛围与外部湿地公园的自然环境融合,淡化了玻璃冷峻的现代感。采用连续的金属瓦坡顶造型,用现代手法体现了江南意境。


2  结构体系


以A1-1楼为例,该楼地下1层,地上2层,采用混凝土框架+3层木结构框架结构。上部木结构框架沿用混凝土8.4 m×8.4 m为主的柱网,标准层高4.2 m。垂直交通核采用混凝土框架升至屋顶,一方面可满足防火疏散等规范要求;另一方面对结构抗侧而言,相当于提供了具有较强抗侧能力的核心筒(图1)。


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(a)

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(b)


图1  A1-1楼结构模型


(a)整体模型;(b)混凝土框架模型


考虑材料性能及连接特点,木结构梁柱间的连接若采用完全的刚接节点不易实现,故采用铰接连接,以尽可能使竖向构件处于轴向受力状态,利用木材顺纹受压性能好的特点,减少受弯、受剪等相对不利的受力状态。当然,铰接节点也会带来木结构榀的抗侧体系稳定问题。不直接依附于混凝土核心框架的木结构榀自身需具有抗侧能力且不能太低,否则易导致低阶振型扭转;楼板平面内也需要具有一定刚度,使木结构的水平力也能部分传递到刚度较大的混凝土核心框架上。


木结构榀优先考虑采用轻型木结构剪力墙做抗侧体系。轻型木结构剪力墙的抗侧刚度主要依靠定向刨花板(OSB)的平面内刚度。刨花板本身平面内刚度较大,但剪力墙刚度与固定刨花板的钉连接刚度紧密相关。


经模型分析,若完全采用轻木剪力墙,需满足设计要求的剪力墙数量过多,无法满足室内空间需求,故需调整剪力墙提高其单位长度刚度而尽可能减少数量。与轻型木结构剪力墙相比,在剪力墙面板后设置胶合木暗撑可大幅提高剪力墙抗侧刚度,从而减少剪力墙数量和长度。支撑的特点是传力路径清晰,构件受力明确,能为结构体系提供必要的刚度。另一种方案是考虑采用正交胶合木(CLT)做剪力墙,但考虑到目前国内木结构的相关设计规范对以CLT作为剪力墙时平面内抗剪强度及刚度的数值取用规定尚不完善,相关生产厂家也难以提供可靠的设计参数,故本项目未采用此方法。


楼面搁栅搁置于框架梁之上,因楼板与框架梁不直接连接,故不考虑楼板在其平面内的刚度贡献,而是通过在框架梁间设置短角撑,使楼层平面内也具有一定的刚度,确保了即使木结构自身竖向抗侧体系失效,水平力仍可通过楼层平面内的刚度传递到混凝土核心框架上,而作为第二道防线的混凝土核心框架可确保结构在极限状态下不至于形成机构。


3  设计要点


由于混凝土核心框架抗侧刚度较大,且其刚度中心与建筑平面形心有一定的偏心,故控制扭转位移比和振型周期比是结构设计的主要目标。


与混凝土结构相比,在木结构设计中合理考虑楼板面内变形和刚度尤为重要。非完全刚性楼板会使水平力在相邻剪力墙或支撑抗侧体系间并非完全按抗侧构件刚度分配。


因混凝土框架抗侧刚度比四周木结构框架剪力墙大,故在荷载从属面积接近的情况下,木结构框架会产生相对更大的侧移。在振型周期比控制方面,外围刚度偏弱也更易产生低阶扭转振型。


通过反复尝试、比较和优化后,本项目通过合理布置剪力墙达到了结构控制目标(图2、表1、表2)。


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(a)                      (b)

图2  A1-1楼结构布置示意


(a)结构平面(阴影区域为混凝土结构);(b)剪力墙布置(粗线为木结构剪力墙)


表1  扭转位移比


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表2  振型和周期


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GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》3.4.4 条及GB/T 51226—2017《多高层木结构建筑技术标准》6.2.5条规定,对平面不规则的建筑,楼层两端抗侧力构件弹性水平位移或层间位移的最大值与平均值的比值不宜大于1.5。按此规定计算结果均能满足要求。


基本周期T1=1.25 s;第一扭转周期Tt=0.96 s。2个正交方向质量参与度均达到90%,周期比Tt/T1=0.77<0.9,可满足GB/T 51226—2017《多高层木结构建筑技术标准》6.3.1条及6.2.6条要求。


在弹性层间位移角的分析中,木结构框架和混凝土框架的位移角限值并不相同。


依据GB/T 51226—2017《多高层木结构建筑技术标准》6.1.7条,前者为1/350,后者为1/550。设计结果见表3、表4。


表3  整体弹性层间位移角


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表4  混凝土框架弹性层间位移角


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作为第二道防线的混凝土核心框架应具有承担所有水平荷载的能力,故设计时将木结构框架中的抗侧构件移除,重新对混凝土结构进行复核。


4  节点设计


本项目在节点设计方面,梁柱连接及支撑节点均采用铰接,上下层柱采用每层分段连接形式(图3)。将柱分段虽对整体的稳定性有所削弱,导致每层均需具有抗侧体系,但其显著优点可使框架梁的连接受力更合理。梁端连接件与柱可通过更可靠的柱端顺纹受压传力,避免仅靠螺栓在柱侧面受剪传力。上下柱分段并将节点设计为铰接,也避免了支撑在节点处对柱产生剪力和弯矩。木结构的节点区域由于连接的特性,通常截面都受到不同程度的削弱,故应避免节点区内力过于复杂。在施工方面,柱较短时有利于校准定位和维持施工中的稳定性,且在安装位置较低的梁或其他构件时有更大的操作空间。


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(a)

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(b)                    (c)


图3  梁柱及支撑连接节点


(a)节点大样;(b)1-1剖面;(c)2-2剖面


在木结构与混凝土框架的连接中,锚板在混凝土施工过程中预埋。由于预埋锚板和混凝土结构本身可能存在施工误差,而木结构构件为预制件,调整余地不大,所以与木结构连接的钢垫板可根据现场放样并校准位置后再确定尺寸并与锚板焊接(图4)。由于木结构需要借助混凝土抗侧,木结构框架梁中会有轴向力,木构件应按压弯或拉弯构件进行设计,节点设计中也应考虑轴向力的影响。


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(a)

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(b)                          (c)


图4  梁与混凝土连接节点


(a)节点大样;(b)1-1剖面;(c)2-2剖面


柱顶与主次梁连接的部位,采用结构螺钉的连接方式(图5)。与常用的螺栓连接相比,螺钉连接本身对木材是加固而不是削弱,其与木材间也不存在螺栓连接的空隙,消除了初始变形。


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(a)

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(b)


图5  螺钉连接节点


(a)木梁与木梁连接;(b)木梁与木柱连接


在加工和施工方面,采用结构螺钉降低了对木材加工精度的要求,节省了螺栓连接在现场对孔的过程,消除误差更方便。


本项目螺钉经欧洲技术标准(European Technical Assessment)评估测试报告认证,并根据厂家的指导方法使用,性能可靠,可保证连接的承载力。


5  结束语


无锡浪潮大数据产业园办公楼是国内首次采用下部混凝土框架+上部木结构框架的混合结构体系建筑。在上层木结构中有混凝土核心框架通至顶层,外围木结构框架本身具有自身的抗侧体系,也借助混凝土框架形成整体抗侧,混凝土核心框架还可对结构整体起二道防线的作用。


在整体设计中,通过合理布置木结构剪力墙限制结构扭转,节点设计力求利用木材本身强度各向异性的特点并考虑施工的可操作性。本项目设计和实践过程中尚有值得研究之处,将在木结构产业发展和设计体系完善过程中加以改进。


(责任编辑:何雯丽)



延伸阅读:

超高层装配式木结构大楼如何建造?(一) 木结构必须知道的50个词条 现代木结构在超高层建筑中的应用(基础篇)

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