某高層建筑的結構設計

周戈梅

（中鐵華鐵工程設計集團有限公司，北京100071）

1 工程概況

本工程是某科技大廈項目，總建筑面積29823.36m2，其中地下3537.37m2, 地上26285.99m2。 建筑層數為地下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計、消防設計、人防設計（本工程地下1 層局部設計為人防，采取平時戰(zhàn)時結合方式。平時為汽車庫，戰(zhàn)時用途為人員掩蔽，由專業(yè)的人防設計院設計）。

基礎采用平板式筏形基礎，結構體系采用框架-核心筒結構。抗震設防烈度6 度，設計地震分組為第一組，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。結構安全等級為二級，設計使用年限為50a?？蚣芙Y構的抗震等級為三級，核心筒結構的抗震等級為二級。本工程上部結構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 地基基礎設計

場地地勢較平坦，地貌單元屬長江沖積I 級階地。場地無全新活動斷裂帶通過，不存在滑坡、崩塌、巖溶等不良地質作用，可不考慮場地土層液化問題，因此，擬建場區(qū)地質構造穩(wěn)定性良好，適宜工程建設。其水位變化受長江水位變化影響，水量較豐富，抗浮設計水位為室外地面標高。綜合考慮場地的情況及建筑物荷載大的特點，需要將基礎置入第（5-2）層中粗砂夾礫石或（6）層半膠結砂礫巖為持力層。根據當地的實際情況，采用鉆孔灌注樁筏板基礎，樁直徑φ800mm，樁長約42m，進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，設計、施工都比較容易保證，擠土效應不明顯。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量不低于總樁數的30%。工程樁的平面布置圖見圖3。

基礎計算考慮上部結構、樁及筏板三者的共同作用，設計時由于上部結構的剛度貢獻，將上部結構剛度考慮到基礎頂面進行共同作用，計算結果會更加貼近事實。采用樁筏有限元分析法，選用彈性地基梁模型。根據基礎荷載的分布情況，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構內力，設計時將地下室設置了2 道后澆帶，后澆帶寬800mm，設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 層結構施工完后再澆筑?；A筏板后澆帶的布置見圖4。

圖3 樁位平面布置圖

圖4 筏板基礎平面布置圖

3 結構計算分析

3.1 結構布置

采用框架-核心筒結構體系，核心筒為主要的抗側力構件。利用建筑物中部的電梯井、樓梯間設置核心筒剪力墻，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，不允許房間內出現次梁，所以樓板采用現澆鋼筋混凝土大厚板（h=180mm）。筒體結構的樓蓋外角樓板鋼筋為雙層雙向配筋，且每層單項配筋率不小于0.3%。

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

地下室頂板覆土厚度900mm，上部按消防車荷載設計，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，會使相關梁的配筋很不合理。設計時按雙向井字梁布置，柱距內的梁高僅為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，設計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%，設計時考慮樓板削弱，并采取加強措施：（1）局部開洞處樓板補充板有限元計算分析，根據計算結果對薄弱處進行局部加強；（2）開洞樓層及上1 層的樓板，板厚適當加厚為150mm，配筋雙層雙向通長布置，洞邊設置邊梁。

3.3 嵌固端板標高差異

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 計算結果與分析

整體結構小震彈性分析，采用SETWE 剛性樓板假定計算，考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、扭轉耦聯以及施工模擬加載3 的作用，保證整體結構的各項指標均滿足規(guī)范要求，從而確定所有構件的尺寸、整體結構承載力和變形滿足國家現行規(guī)范的要求，保證各部位結構的安全可靠。計算指標匯總見表1。

表1 結構計算指標匯總

按照《高規(guī)》的要求：對于高度不大于150m 的框架-核心筒結構，按彈性方法計算的風荷載或多遇地震標準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；結構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，應不大于該樓層平均值的1.5 倍。從表1 中結果可以看出，結構周期、位移比、位移角、剛度比、剪重比、剛重比等參數均滿足規(guī)范要求，各構件的尺寸及結構方案設計合理。

4 結語

本工程塔樓的平面為矩形，Y向跨度短，尺寸較小，剛度較弱，為加強結構整體抗側剛度，適當增加了弱軸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構抗側剛度，減小側移，同時，還能對核心筒剪力墻平面外剛度有幫助。對于這種結構沿X、Y2 個方向剛度差異較大的問題，可以采取調整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構扭轉效應而形成薄弱部位。

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