瑞華高科二期研發(fā)中心大樓結構設計

摘要：瑞華高科二期研發(fā)中心大樓為一棟99.4 m、A級高度的高層建筑，建筑立面為螺旋形旋轉造型。該結構采用懸挑空腹桁架的形式，實現建筑造型。文章介紹該工程結構設計特點，從結構抗震性能化設計、樓板應力分析和樓板舒適度分析這3個方面闡述懸挑空腹桁架結構設計思路和分析過程。結果表明：該結構安全合理，抗震性能良好。

[作者簡介]吳鎮(zhèn)江（1977—），男，本科，高級工程師，一級注冊結構工程師，從事建筑結構設計工作。

瑞華高科二期研發(fā)中心大樓位于廈門市，建筑高度99.4 m，由5層裙房、18層主樓（標準層）和28 m出屋面造型鋼構組成，主要層高4.2 m，設2層地下室。上部結構使用功能為研發(fā)辦公，地下室主要作為設備用房和車庫，地下2層局部區(qū)域作為戰(zhàn)時6級甲類防空地下室。本工程建筑方案特點是主樓7～21層采用標準層平面（35 m×35 m）外輪廓按其中心點每層旋轉6°，達到建筑立面的旋轉效果（圖1～圖3）。

本工程為丙類建筑，抗震設防烈度為7度，設計基本加速度值為0.15g，場地類別Ⅱ類，基本風壓為0.80 kN/m2。

1 結構布置

1.1 結構的承重及抗側力體系

根據建筑方案，本工程結構水平抗側力體系采用現澆鋼筋混凝土框架-核心筒結構，利用樓、電梯間及設備用房布置鋼筋混凝土剪力墻，圍合成核心筒。沿建筑周邊布置鋼筋混凝土框架柱，形成外框架柱，核心筒與外框架柱間通過框架梁聯(lián)系成整體，共同組成承重和抗側力體系。

1.2 大懸挑樓面結構豎向承載體系

本工程建筑設計采用主樓標準層核心筒外平面層旋轉6°的獨特形式，使得結構除12根中部外框柱可貫通至頂外，建筑四角無法設置角柱，在樓層不同位置、不同標高均出現尺度不同的較大懸挑（最大懸挑長度約10.6 m）。為便于設備管道安裝和取得建筑最大凈高，懸挑梁高度也受到限制。如采用傳統(tǒng)懸挑桁架，因桁架斜腹桿嚴重影響建筑使用，不予采用。經過反復論證計算，結構設計最終采用懸挑空腹桁架方案作為大懸挑樓面的豎向承載體系。在樓層大懸挑部位隨著建筑平面旋轉由下而上均勻設置帶豎桿的空腹桁架，桁架高度為單層（標準層）及雙層（18～20層），將建筑美學和結構合理受力有機結合。

2 地基基礎

綜合考慮上部建筑物荷載、工程詳勘報告及周邊環(huán)境，本工程采用PHC預應力管樁基礎，采用第5層全風化花崗巖為樁端持力層，由于2層地下室水浮力較大，對純地下室部分柱下布置抗壓樁兼抗拔樁。本工程主樓與裙房之間不設縫，二者差異沉降采用施工后澆帶解決。

3 上部結構設計

3.1 上部結構整體計算結果

工程采用SATWE軟件進行計算分析，框架-核心筒結構外圍筒體剪力墻厚度由500 mm逐次收至300 mm，核心筒內部剪力墻厚度為300～200 mm。外框柱由1 100 mm×1 100 mm和1 300 mm逐次收為750 mm×750 mm和800 mm。主要框架梁截面為（450～600） mm×700 mm，受力最大處截面為700 mm×700 mm。混凝土強度等級：梁板均為C30，核心筒由C45逐次收至C30，框架柱由C55逐次收至C35。多遇地震及風荷載作用下整體計算結果如表1、表2所示。

3.2 懸挑空腹桁架設計

本工程典型單、3層高度懸挑空腹桁架平面布置及立面見圖4～圖7，其中桁架1為單層高度，桁架2為3層高度。

因懸挑桁架受力較大，根據計算結果，桁架弦桿及豎桿均采用型鋼混凝土構件。上、下弦桿一般截面為：650 mm×700 mm，采用Q235型鋼H500×250×16×32;豎桿一般截面為600 mm×600 mm，采用Q235型鋼H-350×250×16×32。經對比分析可知，桁架豎桿上下端采用固接強制上下弦桿整體協(xié)同受力，豎向荷載下結構承載能力及整體剛度比純懸挑梁大為增加。懸挑空腹桁架與同等條件懸挑梁體系恒+活工況下端部撓度對比如表3所示。由表3可知，桁架采用施工預起拱后，撓度限制均可滿足規(guī)范要求，而懸挑梁即使采取起拱，撓度仍超出規(guī)范限制。

3.3 裝飾性鋼結構球體及斜撐設計

為加強建筑效果，建筑師在出屋面正上方7 m處設置一個約8 m直徑的鋼結構球體，從大屋面起在建筑四角分別設置斜撐伸向球體，在標高111.3 m處用圓環(huán)匯合，鋼結構球體外表面為玻璃，形成托起明珠的整體效果。結構設計在不影響建筑效果的前提下，從球體下方設置鋼筋混凝土柱，直接將球體重量傳遞至核心筒。本工程頂部造型采用3d3s軟件進行計算分析，結構軸測如圖8所示。

4 懸挑結構專項分析和設計

4.1 豎向地震計算及結構抗震性能目標

針對本工程懸挑桁架跨度較大，高度較高，結構設計時按規(guī)范補充豎向地震作用的計算，并考慮以豎向地震作用為主的工況組合。對空腹桁架根部弦桿及豎桿的抗震性能目標設定為中震彈性、大震不屈服。

4.2 懸挑部位樓板應力分析

懸挑桁架結構彈性設計時，采用彈性膜樓蓋假定計算，樓板和桁架協(xié)同工作，樓板需承擔較大軸力。樓板主拉內力最大處13層（桁架上弦）樓板在多遇地震包絡工況下樓板主拉內力標準值及設計值如圖9、圖10所示。

通過應力計算可得桁架上弦樓板拉應力標準值峰值153/120=1.27 MPa，小于混凝土抗拉強度標準值2.01 MPa，理論上樓板不會出現裂縫。桁架上弦樓板拉應力設計值峰值186/120=1.55 MPa，大于混凝土抗拉強度設計值1.43 MPa，受拉區(qū)域的樓板需要根據其受力狀態(tài)增加配筋。

通過分析可知，懸挑桁架樓板內力主要由恒、活荷載作用引起，多遇地震作用下樓板內力占比較小。另考慮樓板裂縫開展情況，在中震及大震工況承載力驗算時，不再考慮樓板剛度對懸挑桁架上下弦桿的有利作用。

4.3 樓板舒適度分析

采用MIDAS Gen軟件對懸挑桁架層進行樓板自振頻率的計算，可得前3階自振頻率分別為3.79 Hz、3.80 Hz和5.55 Hz，如圖11～13所示。大懸挑部位樓板自振頻率均大于3.0 Hz，滿足JGJ 3-2020《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第3.7.7條要求。

5 結束語

（1）本工程承重及抗側力體系采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構，大懸挑樓面豎向承載采用型鋼混凝土空腹桁架結構，能滿足建筑效果和使用功能要求。

（2）針對本工程的超限情況，采用了合理的結構體系、結構布置以及各項有效措施，計算分析表明，結構能滿足既定的抗震性能目標，結構有效合理。

（3）通過對樓板的多遇地震包絡工況應力分析，采用增加配筋等方式來保證空腹桁架樓板在受拉區(qū)域的抗拉能力;對中震及大震工況，抗震性能設計不再考慮樓板剛度的有利影響。

參考文獻

[1] 肖麗娟，肖從真，徐自國，等.懸挑結構豎向地震作用分析及設計要點[J].土木工程學報， 2008，41（3）：65-70.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 建筑抗震設計規(guī)范：GB 50011—2010（2016年版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程：JGJ 3—2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.