某高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周戈梅

（中鐵華鐵工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京100071）

1 工程概況

本工程是某科技大廈項(xiàng)目，總建筑面積29823.36m2，其中地下3537.37m2, 地上26285.99m2。 建筑層數(shù)為地下1 層車庫，地上27 層（其中地上3 層為裙房商業(yè)用途，4～26 層為辦公區(qū)，27 層為電梯機(jī)房及水箱間），地下室層高5.1m，裙房層高4.5m，上部辦公區(qū)層高均為3.6m，建筑總高度98.70m（建筑女兒墻）。建筑物的剖面圖見圖1，一層平面布置圖見圖2。本工程包括無障礙設(shè)計(jì)、消防設(shè)計(jì)、人防設(shè)計(jì)（本工程地下1 層局部設(shè)計(jì)為人防，采取平時戰(zhàn)時結(jié)合方式。平時為汽車庫，戰(zhàn)時用途為人員掩蔽，由專業(yè)的人防設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)）。

基礎(chǔ)采用平板式筏形基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)體系采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)防烈度6 度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，地震基本加速度0.05g。場地土類別ⅢA 類，特征周期0.45s，建筑物抗震類別為丙類。結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計(jì)使用年限為50a?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的抗震等級為三級，核心筒結(jié)構(gòu)的抗震等級為二級。本工程上部結(jié)構(gòu)的嵌固端為地下室頂板，地下室的抗震等級為框架三級，核心筒二級。

圖1 建筑剖面圖

圖2 一層平面布置圖

2 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

場地地勢較平坦，地貌單元屬長江沖積I 級階地。場地?zé)o全新活動斷裂帶通過，不存在滑坡、崩塌、巖溶等不良地質(zhì)作用，可不考慮場地土層液化問題，因此，擬建場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性良好，適宜工程建設(shè)。其水位變化受長江水位變化影響，水量較豐富，抗浮設(shè)計(jì)水位為室外地面標(biāo)高。綜合考慮場地的情況及建筑物荷載大的特點(diǎn)，需要將基礎(chǔ)置入第（5-2）層中粗砂夾礫石或（6）層半膠結(jié)砂礫巖為持力層。根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，采用鉆孔灌注樁筏板基礎(chǔ)，樁直徑φ800mm，樁長約42m，進(jìn)入中粗砂夾卵石層大于2.4m，單樁豎向承載力特征值為3700kN。鉆孔灌注樁既可以承壓，又可以抗拔，設(shè)計(jì)、施工都比較容易保證，擠土效應(yīng)不明顯。本工程樁基為甲級建筑樁基，混凝土樁的樁身完整性檢測數(shù)量不低于總樁數(shù)的30%。工程樁的平面布置圖見圖3。

基礎(chǔ)計(jì)算考慮上部結(jié)構(gòu)、樁及筏板三者的共同作用，設(shè)計(jì)時由于上部結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，將上部結(jié)構(gòu)剛度考慮到基礎(chǔ)頂面進(jìn)行共同作用，計(jì)算結(jié)果會更加貼近事實(shí)。采用樁筏有限元分析法，選用彈性地基梁模型。根據(jù)基礎(chǔ)荷載的分布情況，核心筒墻體下均勻布置承壓樁，裙房框架柱下、汽車坡道柱下集中布置抗拔樁，起抗浮作用。核心筒部分基礎(chǔ)筏板厚1.8m，其余部分筏板厚0.9m。為減少相對差異沉降、溫度影響及混凝土硬化過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，設(shè)計(jì)時將地下室設(shè)置了2 道后澆帶，后澆帶寬800mm，設(shè)置在塔樓與裙房交接處，來解決因荷載、施工時間不同而引起的不均勻沉降，后澆帶需上部4 層結(jié)構(gòu)施工完后再澆筑?；A(chǔ)筏板后澆帶的布置見圖4。

圖3 樁位平面布置圖

圖4 筏板基礎(chǔ)平面布置圖

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 結(jié)構(gòu)布置

采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒為主要的抗側(cè)力構(gòu)件。利用建筑物中部的電梯井、樓梯間設(shè)置核心筒剪力墻，核心筒的底部尺寸為14.5m×9.0m，滿足JGJ 3—2002《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《高規(guī)》）要求的核心筒寬度不宜小于筒體高度的1/12。筒體剪力墻最大墻厚350mm，墻厚根據(jù)每層受力狀況逐級減薄至200mm，并滿足軸壓比的要求小于0.6，混凝土強(qiáng)度等級為C60～C40。底層框架柱截面尺寸為1100mm×1000mm，向上逐步收至700mm×700mm，混凝土強(qiáng)度等級為C60～C40。主框架梁與鋼筋混凝土核心筒墻體剛接，次梁與主梁的連接采用鉸接。由于甲方的使用要求，不允許房間內(nèi)出現(xiàn)次梁，所以樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土大厚板（h=180mm）。筒體結(jié)構(gòu)的樓蓋外角樓板鋼筋為雙層雙向配筋，且每層單項(xiàng)配筋率不小于0.3%。

裙房的頂層為330m2的大會議室，跨度16m×21m，屋頂還是冷卻塔設(shè)備的安置區(qū)，荷載大、分布密，設(shè)計(jì)時采用了密集布置的井字梁，板跨為2m，梁高900mm。冷卻塔的設(shè)備支墩均勻地安置在井字梁頂，避免了設(shè)備壓在屋面板上，減小了板的荷載，從而使屋面板的配筋量減小，裂縫減小，做到了既經(jīng)濟(jì)又安全。

地下室頂板覆土厚度900mm，上部按消防車荷載設(shè)計(jì)，荷載大。雙向柱距均為8m，如果梁按單向布置方式，截面尺寸會很大，除承載力外，其撓度和裂縫寬度也難以控制，會使相關(guān)梁的配筋很不合理。設(shè)計(jì)時按雙向井字梁布置，柱距內(nèi)的梁高僅為600mm，既節(jié)約了空間，又減少用鋼量，還能滿足梁的變形要求。以地下室外墻為支座的梁，為了減小梁端彎矩對外墻的不利影響，設(shè)計(jì)時將該處梁端按鉸接處理，此處只傳遞軸力，沒有彎矩。

3.2 樓板開洞

本工程體型較規(guī)則，樓蓋整體性較好，僅樓梯間、電梯井等局部開洞。裙房局部區(qū)域2 層通高，2 層樓板開大洞，開洞面積占本層面積的15%，設(shè)計(jì)時考慮樓板削弱，并采取加強(qiáng)措施：（1）局部開洞處樓板補(bǔ)充板有限元計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對薄弱處進(jìn)行局部加強(qiáng)；（2）開洞樓層及上1 層的樓板，板厚適當(dāng)加厚為150mm，配筋雙層雙向通長布置，洞邊設(shè)置邊梁。

3.3 嵌固端板標(biāo)高差異

本工程以地下室頂板-0.060m 作為嵌固端，因-0.060m 處的標(biāo)高差異較大（相差H=900mm），采用將板有高差處的框架梁加大高度，同時，將此處的頂板加腋至H/2 處，以此方法來保證水平力的傳遞。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

整體結(jié)構(gòu)小震彈性分析，采用SETWE 剛性樓板假定計(jì)算，考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)以及施工模擬加載3 的作用，保證整體結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，從而確定所有構(gòu)件的尺寸、整體結(jié)構(gòu)承載力和變形滿足國家現(xiàn)行規(guī)范的要求，保證各部位結(jié)構(gòu)的安全可靠。計(jì)算指標(biāo)匯總見表1。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)匯總

按照《高規(guī)》的要求：對于高度不大于150m 的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，按彈性方法計(jì)算的風(fēng)荷載或多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間最大水平位移與層高之比Δu/h宜不大于1/800；結(jié)構(gòu)在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移，宜不大于該樓層平均值的1.2 倍，應(yīng)不大于該樓層平均值的1.5 倍。從表1 中結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)周期、位移比、位移角、剛度比、剪重比、剛重比等參數(shù)均滿足規(guī)范要求，各構(gòu)件的尺寸及結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)語

本工程塔樓的平面為矩形，Y向跨度短，尺寸較小，剛度較弱，為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度，適當(dāng)增加了弱軸Y向框架梁剛度，框架柱在弱軸Y向加大尺寸，就能有效地增大弱軸結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，減小側(cè)移，同時，還能對核心筒剪力墻平面外剛度有幫助。對于這種結(jié)構(gòu)沿X、Y2 個方向剛度差異較大的問題，可以采取調(diào)整2 個方向框架梁高度及框架柱截面尺寸的方法來提高弱軸剛度，降低強(qiáng)軸剛度，使2 個方向剛度趨于均衡，避免因剛度和承載力局部突變或結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而形成薄弱部位。

在剪力墻約束邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，利用墻體的水平分布筋作為部分約束邊緣構(gòu)件的箍筋，可以減少用鋼量，節(jié)約材料，方便了施工。