安徽某小區8號樓結構設計

陳昭陽

(福建省林業勘察設計院 福建福州 350001)

1 工程概況

安徽某小區位于該省六安市中心附近的新城區，小區總建筑面積約40萬m2，整個小區由22座高層和4座多層建筑組成，層數2～32層不等，按規劃要求，設地下室1層(外圍局部區域不設地下室)，部分設有6級人防，如圖1所示。8號樓地下室(不設人防)及1至2層為商場，3至28層為公寓，檐口高度90m， 該建筑屬A級高度的高層建筑，I-I剖面圖如圖2所示。主樓與地下室頂板及地上裙房間設置沉降后澆帶。

圖1 總平面圖局部

2 設計參數

2.1 工程地質概況

根據業主提供的巖土工程勘察報告(詳勘)，主要土層自上而下的分布依次為：①素填土→②淤泥質粘土→③粘土1→④粘土2→⑤粉質粘土→⑥粉土→⑦礫砂→⑧強風化砂巖(整個場地土層描述，各單體處土層有缺項)。建筑場地類別為Ⅱ類，為中硬場地土類型，場地特征周期為0.35S，為對建筑抗震一般地段。

建議地下室基礎以埋深作為膨脹土防治措施，基礎埋深不小于1.5m。地下室抗浮設防水位取值，建議取設計室外地坪標高下1.5m進行設防。場地地下水及場地土對混凝土結構和鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性，場地環境類型屬Ⅱ類。

圖2 1-1剖面圖

2.2 抗震設防標準

按《建筑抗震設計規范(2016年版)》(下文簡稱《抗規》)，該工程所在地區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g。設計地震分組為第一組，多遇水平地震影響系數最大值0.08。工程抗震設防類別為丙類[1]。

2.3 風荷載的取值

該工程基本風壓按50年重現期取值，基本風壓值0.35kN/m2，并按《高層建筑混凝土結構技術規程》(下文簡稱《高規》)[2]4.2.2條規定，承載力計算取基本分壓的1.1倍，為0.385kN/m2，風荷載體型系數1.4，地面粗糙度為B類。

3 結構布置

根據建筑平面布局，結構平面布置采用集中和分散布置剪力墻，即在中央區域結合樓梯間電梯間布置剪力墻，形成剛度較大的核心筒，在外圍區域適當布置一定數量的剪力墻和框架，形成框架-剪力墻結構體系，滿足商場的使用要求。設計時，優化剪力墻的布置，使剛度中心和重心接近，同時適當加高主體結構外圍框架梁或連梁的截面高度，減少扭轉效應顯著。該工程有效樓板寬度大于該層樓板典型寬度的50%，開洞面積小于該層樓面的30%，按《抗規》第3.4.2條[2]，屬平面規則，從計算結果的總信息看，也屬豎向規則。典型平面布置如圖3～圖4所示。

圖3 三層結構平面布置

圖4 標準層結構平面布置

豎向設計，根據剪力墻和框架柱的軸壓比及豎向剛度的變化情況，設計時優化墻和柱的截面尺寸，剪力墻的長度不變，僅改變厚度。豎向構件的截面尺寸從下到上分4次變截面(與混凝土強度等級變化錯開)，主樓剪力墻和框架柱混凝土強度等級從下到上作4次變化，即C50、C45、C40、C35，相應的梁板混凝土強度等級分別為C35、C30、C30、C30，裙房及相應的地下室墻柱梁板混凝土強度等級均為C35。

4 結構整體分析及主要控制指標

該工程主體結構采用中國建筑科學研究院的PKPM-SATWE軟件作結構整體計算。按《高規》第5.1.14，“當塔樓周邊的裙樓超過兩跨時，分塔樓模型宜至少附帶兩跨的裙樓結構”，該工程結合總平面布置和上部結構裙房建筑布置，地下室取外圍或三跨，上部結構裙房全部參與計算模型。并取嵌固端以上樓層模型和嵌固端以上樓層連同地下室模型分別計算，施工圖設計取二者的包絡值配筋。

結構計算時，按《高規》第5.3.7條，“地下一層與首層側向剛度比不宜小于2”的規定，該工程設計時，利用計算區域地下室的部分外墻和內墻作為剪力墻輸入計算，滿足剛度要求。

SATWE主要計算指標如表1所示。

表1 SATWE主要計算指標

第1扭轉周期與第1平動周期比值為0.803。 X方向地震作用下的樓層最大位移角為1/1167，Y方向地震作用下的樓層最大位移角為1/1265。X+偶然偏心地震作用規定水平力下的樓層最大水平位移與平均位移的比值為1.13，X-偶然偏心地震作用規定水平力下的樓層最大水平位移與平均位移的比值為1.09。Y+偶然偏心地震作用規定水平力下的樓層最大水平位移與平均位移的比值為1.13，Y-偶然偏心地震作用規定水平力下的樓層最大水平位移與平均位移的比值為1.11。 X方向風荷載作用下的樓層最大位移角為1/2299，Y方向風荷載作用下的樓層最大位移角為1/2564。以上指標均滿足《高規》的相關要求。

按《高規》第8.1.3條，該工程在規定的水平力作用下，結構底部框架部分承受的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值為：X向36.76%，Y向36.24%，按框架-剪力墻結構體系進行設計。按《高規》第3.9.3條，確定框架的抗震等級為2級，剪力墻的抗震等級為2級。底部加強部位的范圍取地下室至第4層樓面，約束邊緣構件取地下室至第5層樓面，滿足《高規》第7.1.4條和第7.2.14條規定。

5 構造做法

該工程局部樓層個別框架柱，剪跨比小于1.5(近似按柱凈高與截面比值小于3)，參照《高規》第6.4.2條設置配筋芯柱，且箍筋全高加密，提高柱的延性性能，如圖5所示。

該工程核心筒部位個別連梁采用雙連梁做法，如圖6所示。

圖5 芯柱配筋大樣 圖6 雙連梁配筋大樣

6 基礎設計

根據工程地質資料(該工程不存在②淤泥質粘土層及③粘土層)建議，主樓基礎采用預應力混凝土管樁，型號PHC500-AB-125，樁端持力層為⑦礫砂層(該土層厚度5.0m以上，重型動力觸探擊數N63.5=40擊，土層分布穩定，工程性質好，埋深較深)，樁端全截面進入持力層的深度≧1.0m，樁長為19m～20m。單樁豎向抗壓承載力特征值為2500kN，單柱最大軸力標準值12 866kN，外圍L型剪力墻最大軸力標準值23 922kN。裙房地下室基礎采用鋼筋混凝土獨立基礎，持力層為④粘土2層，為中等壓縮性土，地基承載力特征值fak=300kPa，主樓與裙房間設一道沉降后澆帶，基礎設計等級為甲級。

樁基礎設計，采用PKPM-JCCAD軟件，通過讀取上部荷載，合理調整樁群形心，使上部荷載重心(長期效應組合)與樁群形心接近。該工程布樁在滿足樁距的條件下，為傳力直接，盡量不作聯合承臺，樁距按規范取3.0d和3.5d。柱下或剪力墻下分別設有5～11樁多種承臺，組合墻下部分作聯合承臺，設有12樁和18樁。樁基承臺計算，除軟件計算外，根據各承臺樁位布置特點，對角樁沖切作手工補充計算。手算中，運用求解極值的方法，對角樁的沖切復核，如圖7承臺角樁的沖切驗算如下:

圖7 承臺沖切驗算

沖切破壞錐體及圓樁等效為方樁后，相關尺寸詳圖7中虛線注出，承臺混凝土強度等級C35，承臺有效高度h0=1600，按 《建筑樁基設計規范》(下文簡稱《樁基規范》)[3]5.9.8條:

先以α1x=400求Qpcmin

λ1x=α1x/h0=400/1600=0.25

λ1y=α1y/h0=y/1600

β1x=0.56/(λ1x+0.2)=0.56/(0.25+0.2)=1.25

β1y=0.56/(λ1y+0.2)=0.56/ (y/1600+0.2)=896/(y+320)

抗沖切值：

Qpc=[1.25×(700+0.5y)+896/(y+320)×(700+0.5×400)]×1600×1.57×0.93/1000

求極值，令Qpc′=0得y2+640y-1187840=0，解得y=816，代入Qpc式

Qpcmin=[1.25×(700+0.5×816)+896/(816+320)×900]×1600×1.57×0.93/1000=4894kN

同理，再以α1y=250求Qpcmin，經計算，x=650，Qpcmin=5545kN

按《樁基規范》計算λ1x=400/1600=0.25

λ1y=250/1600=0.15625

β1x=0.56/(0.25+0.2)=1.25

β1y=0.56/(0.15625+0.2)=1.572

Qpc=[1.25×(700+0.5×250)+1.572×(700+0.5×400)]×1600×1.57×0.93/1000=5714kN

比較上述結果二者抗沖切值較大差值為：

(5714-4894)/5714=14.35%

以上計算，僅依據規范給定的公式，用數學方法作推導，真正計算模型有待進一步的研究，作為探討，不妥之處請同行指正。

樁基水平承載力驗算，該工程地下室周邊、承臺周邊均不存在軟弱土層且不存在液化土層。按《樁基規范》第5.7.2和第5.7.3條，根據工程勘察報告，取地基土水平抗力系數的比例系數m=10MN/m4，水平位移允許值10mm，樁的換算深度αh≧4.0，樁與承臺連接按鉸接；經計算單樁水平承載力特征值為78.5kN，群樁基礎(以8樁承臺，X向兩行，Y向4列為例)的基樁水平承載力特征值為Rhx=164kN，Rhy=226kN，驗算結果，樁基水平承載力均能滿足規范要求。

地下室抗浮設計，地下室頂板設置0.6m～1.0m的覆土層，經計算能滿足整體和局部抗浮要求，底板配筋采用雙向雙層通長鋼筋，支座不足部分另設附加鋼筋。

7 結語

該工程乃至整個小區的各單體結構設計，對結構方案作了多次的比選和優化設計，特別對剪力墻的設置進行了多次優化，滿足業主要求，從各項計算指標看，均能較好地滿足規范要求。施工圖設計對框架短柱及連梁等一些構件或節點采取加強構造措施的方法，對樁基承臺沖切剪切驗算及樁基水平承載力驗算也作了必要的手算補充，確保結構安全可靠。

參考文獻

[1] GB50011-2010 建筑抗震設計規范(2016年版)[S].2016.

[2] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].2010.

[3] JGJ94-2008 建筑樁基設計規范[S].2008.