某城市政府機關辦公大樓工程結構設計

摘 要：通過洛陽市某政府機關辦公共大樓的結構設計，對高層框架——剪力墻結構的基礎方案選取、結構計算、設計構造等方面進行了討論，并提出了設計中的一些體會和建議。

關鍵詞：結構設計；筏板基礎；框架—剪力墻

中圖分類號：TU208 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2007）07-0200-02

1 工程概況

辦公大樓建筑總高84.30米，總長180.3米（高層主體長130.2米，寬22.8米），總建筑面積62390平方米。大樓地上21層，其中一層為架空停車場，可停車126輛，二層為入口大廳，三層以上為政府辦公用房。群樓為會議用房，設400人大型報告廳2個，200人會議廳2個，容納80人的電視電話會議廳和200平方米的貴賓接待廳各一個。大樓設地下室一層，為后勤服務及設備用房。大樓二層及標準層平面圖見圖一、圖二。

2 地基基礎設計

場地工程地質條件：

根據巖土工程勘察報告，場地地形基本平坦，相對高差1.20米，場地地貌為洛河一級階地。建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s。建設場地及附近地段不存在全新活動斷裂帶及滑坡、崩塌、泥石流、震陷等不良地質作用，場地地基也不存在地震液化土層，場地穩定，適宜建筑。

場地表層為耕土及雜填土，下部土層自上而下分為：

黃土狀粉土及黃土狀粉質粘土，可塑，為新近堆積土，具中-高壓縮性，偶具濕陷性，層厚2.5-5.1米，層面埋深0.2-1.5米。

卵石及中粗砂，稍濕，稍密。卵石次圓狀、次棱角狀，直徑3-5cm，含量50-60%，有泥沙填充，厚0-2.6m，呈透鏡體狀，主要分布在場區中部；中粗砂渾圓中等，較為均一，厚0-1.2m，呈透鏡體狀，主要分布在場區東部。該層層面埋深2.8-5.6米。

卵石，呈次圓狀、次棱角狀，分選中等，直徑一般3-7cm，含量60-80%，有沙礫填充，稍密-中密，在場地內均勻分布，本層含水透水，層面埋深3.8-5.6米。

基礎方案選擇：

高層建筑基礎方案和持力層的確定，是整個結構設計的一個重要組成部分，直接關系到投資額度，施工難度和工期，因此應認真研究場地巖土性質和上部結構特點，通過綜合技術經濟比較確定。

根據以上工程地質情況，該場地地基為均勻地基，承載力高，埋深適中，且無軟弱夾層，是較好的地基持力層。主樓采用框架-剪力墻結構，基礎埋深6.50m，經試算基底壓力約為380Kpa，以第③-2層卵石層為筏板基礎持力層，承載力特征值為550Kpa，經深度修正后的地基承載力特征值為1025 Kpa，可滿足天然地基的設計要求。

由于主樓結構為框架-剪力墻結構，上部結構層數較多，剪力墻相對較少，且軸網尺寸較大，故底層剪力墻和框架柱的豎向荷載較大，如采用板式筏板基礎，通過試算為滿足沖切計算要求，混凝土強度為C40時筏板厚度約為2米，且筏板頂部受力鋼筋較大。因此在確定基礎方案時，本著安全、經濟、適用的原則，通過反復的計算比較，決定采用梁式筏板基礎（詳見插圖）。此種基礎形式更適合本工程要求，不僅使基礎受力更加明確，并且大大節約了基礎的土建投資，加快了施工進度，獲得甲方的一致好評。

裙房為五層框架結構，柱下荷載較小，且無地下室，如采用第③-2層卵石層為持力層的柱下獨立基礎，基礎開挖深度約為6.0米，基礎土方開挖及邊坡支護工程量較大；如采用樁基礎，以第③-2層卵石層為樁端持力層則樁長僅有4.5米，不滿足最小樁長要求。如果增加樁長則進入第③-2層卵石層后施工難度很大，工期和安全都很難保證。經分析比較后采用作業人工挖孔擴底墩基礎，墩徑800mm，墩長4.5m，以第③-2層卵石層為基礎持力層即可滿足設計要求。人工挖孔擴底墩基礎把獨立基礎的設計方法和樁基礎人工成孔的施工方法有機的結合起來，綜合了樁基和柱下獨立基礎的工程特點，特別適用于本工程持力層承載力較高但埋置深度相對較深的工程地質情況，且在洛陽地區人工成孔有豐富的施工經驗，既能保證施工質量又大大減少了基礎土方開挖量，非常適合本工程實際，是一種經濟實用的基礎形式。

3 上部結構設計

3.1 結構選型及斷面尺寸初選

高層建筑結構設計中應重視結構的選型，擇優選用抗震及抗風性能好而經濟合理的結構體系和平立面布置方案。在抗震設計中，應保證結構的整體抗震性能，使整個結構有足夠的承載力，剛度和延性。

該建筑層數較多，高達85.8m，抗震設防烈度為7度，而且因為本建筑物為一綜合性建筑，使用要求大空間及靈活隔斷，所以決定采用框架——剪力墻結構體系。

剪力墻盡量均勻設置于建筑物四周和中部樓電梯處，以便剪力墻布置基本均衡，減少偏心。剪力墻從下到上厚度由300~200mm， 剪力墻在框架——剪力墻體系中受力大，又是主要的抗側力構件，為使剪力墻避免平面外撓屈，應采取一定措施。試驗證明，設置邊緣構件的剪力墻與矩形截面的剪力墻相比，極限承載力約提高40%，極限層間位移角可增加一倍，耗能能力增大20%左右，且有利于剪力墻的穩定性，因此抗震規范和混凝土規范中規定“一，二級抗震等級的剪力墻，其截面的端部應設置暗柱，端柱或翼緣。”本工程結合建筑功能要求，在剪力墻的斷部設置了暗柱，端柱；并在樓層處設有暗梁。

框架柱的斷面尺寸主要由柱的軸壓比控制，本工程柱的軸壓比均控制在0.8以下，最大處為0.76。由于標準層主要為辦公用房，層高較低，因此在中間一部分層出現短柱，在這些層的柱箍筋沿柱全長加密。柱截面，混凝土強度等級見表1。為避免剛度突變，各種變化相互錯開。

框架梁也是主要的受力構件，本工程主要為辦公用房，樓面使用荷載不大，斷面高度控制在L/12~L/14之間，并結合門窗高度統一考慮。對于局部地方為了滿足其它專業要求，梁斷面較小，跨高比較大處，斷面盡量作寬，并進行了裂縫和撓度驗算。

為了保證樓板可靠傳遞水平荷載，使計算模型符合結構計算軟件PKPM及預埋管線的要求，最小板厚取100mm。

3.2 結構計算分析

本工程抗震設防烈度為7度，框架，剪力墻抗震等級均為二級。按照高規的要求，基本風壓按100年重現期的風壓值取0.45Mpa。

高層建筑由水平荷載控制，除滿足承載力要求外，還必須滿足頂點水平位移和層間位移的要求。對此，《高規》中作了詳細的規定，本工程采用了中國建筑科學研究院高層建筑技術開發部開發的多高層建筑結構分析程序PKPM-SATWE進行內力及位移分析。選取考慮偶然偏心及剛性樓板假定時建筑物前三個自震周期見表1，建筑物位移見表3。

從表中可以看出，第一，二，三周期均在經驗公式范圍之間：T1=(0.08~0.12)n，T2=(1/3~1/5)T1，T3=(1/5~1/7)T1(式中：n建筑物層數)，且以扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期紙比不大于0.9，說明建筑物的剛度比較適當。

從表中可以看出，頂點水平位移與層間位移均能滿足規范要求。計算完成后對結果進行了分析，框架柱，剪力墻的軸力設計值均為壓力，大部分為構造配筋，梁除了局部存在截面抗剪，抗扭不滿足要求外，基本上無超筋。因此可以認為計算結果正常，可以用于工程設計。

3.3 結構計算中的一些問題

(1)高層建筑結構底部固定端的選取。

就高層建筑而言，基礎大多數為箱形基礎或筏形基礎地下室結構。對于箱形基礎，因其內墻多，剛度大，上部結構固定端可選于箱基頂板，但對于筏形基礎地下室，應根據“高層規程”第5.3.7條規定，由地下室與上部結構的側向剛度比是否大于2來確定固定端的位置。對本工程而言，地下一層為后勤用房和設備用房，縱橫墻較多，試算結果地下室與上部結構的側向剛度比大于2，因此將固定端取在地下室頂板處。

(2)關于樓板開洞過大的問題。

現今高層建筑結構的計算程序，幾乎都假定樓板剛度無限大作為計算的依據，結構設計必須創造條件，滿足剛度無限大的假定。如果在樓板上開洞，不管開洞面積多大，不管斷多少根梁，現有的計算程序仍按樓面剛度無限大的假定給出計算結果，有時會導致嚴重后果。

本工程二層入門大廳位置，由于建筑要求設置中庭，設三層共享空間，于一層頂板處開了一個14×26m左右的洞。開洞以后，必須考慮樓板變形對計算結果的影響。本工程樓板開洞用概念設計的辦法解決。關于樓板變形的影響，無非是造成各榀抗側力構件剪力分配上的差異。具體到本工程，由于中間開了一個洞，樓板變形的結果造成中部抗側力構件所分配剪力的增加，邊上的減少。因此我們將一層中間部位豎向構件（墻，柱）采取加強措施。同時將旁邊未開洞處樓板適當加厚，采用雙層配筋，以利于傳遞水平力。

(3)梁斷負彎矩調幅系數的選取。

為滿足強柱弱梁的抗震要求，也為了減少梁端負鋼筋的數量，便于施工，豎向荷載作用下梁端負彎矩調幅系數取0.85，梁端負鋼筋嚴格按計算結果配置，不隨意加大，否則將可能不滿足強柱弱梁的抗震要求，對抗震不利。

(4)周期折減系數的選取。

結構電算中，只有梁，柱，剪力墻參與了結構的剛度計算，以此來求得結構的自振周期，再進一步計算地震作用。實際上，框架結構，框架——剪力墻結構常有剛度很大的填充墻，使其實際剛度遠大于計算剛度，實際周期比計算周期短。如果不考慮這一因素，計算出的地震力小于實際值，偏于不安全；因此計算地震作用之前，必須考慮填充墻剛度對周期的影響，對計算周期予以折減。根據本工程的結構類型和填充墻的數量，計算時取折減系數為0.85。

參考文獻

［1］建筑抗震設計規范GB50011-2001［M］.北京：中國建筑工業出版社，2001.

［2］混凝土結構設計規范GBJ50010-2002［M］.北京：中國建筑工業出版社，2002.

［3］鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程JGJ3-2002［M］.北京：中國建筑工業出版社，2002.