沈国健
浙江天和建筑设计有限公司 313000
摘要：对某高层建筑的结构设计进行了全面的分析，详细介绍整幢27层高层的结构平面布置、基础设计、整体结构设计、抗震计算结果的数据分析、特殊部位的加强构造措施，以及高层结构设计中应该注意的问题及解决方法等。建筑物平面和竖向的规则性决定着结构抗震计算的安全性，对于薄弱部位应采取相对的措施来解决。
关键词：桩筏基础；框架-核心筒；楼板开洞
1工程概况
本工程是某科技大厦项目，总建筑面积29823.36m2，其中地下3537.37m2,地上26285.99m2。建筑层数为地下1层车库，地上27层（其中地上3层为裙房商业用途，4~26层为办公区，27层为电梯机房及水箱间），地下室层高5.1m，裙房层高4.5m，上部办公区层高均为3.6m，建筑总高度98.70m（建筑女儿墙）。建筑物的剖面图见图1，一层平面布置图见图2。本工程包括无障碍设计、消防设计、人防设计（本工程地下1层局部设计为人防，采取平时战时结合方式。平时为汽车库，战时用途为人员掩蔽，由专业的人防设计院设计）。
基础采用平板式筏形基础，结构体系采用框架-核心筒结构。抗震设防烈度6度，设计地震分组为第一组，地震基本加速度0.05g。场地土类别ⅢA类，特征周期0.45s，建筑物抗震类别为丙类。结构安全等级为二级，设计使用年限为50a。框架结构的抗震等级为三级，核心筒结构的抗震等级为二级。本工程上部结构的嵌固端为地下室顶板，地下室的抗震等级为框架三级，核心筒二级。
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图 1 建筑剖面图
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图 2 一层平面布置图
2地基基础设计
场地地势较平坦，地貌单元属长江冲积I级阶地。场地无全新活动断裂带通过，不存在滑坡、崩塌、岩溶等不良地质作用，可不考虑场地土层液化问题，因此，拟建场区地质构造稳定性良好，适宜工程建设。其水位变化受长江水位变化影响，水量较丰富，抗浮设计水位为室外地面标高。综合考虑场地的情况及建筑物荷载大的特点，需要将基础置入第（5-2）层中粗砂夹砾石或（6）层半胶结砂砾岩为持力层。根据当地的实际情况，采用钻孔灌注桩筏板基础，桩直径准800mm，桩长约42m，进入中粗砂夹卵石层大于2.4m，单桩竖向承载力特征值为3700kN。钻孔灌注桩既可以承压，又可以抗拔，设计、施工都比较容易保证，挤土效应不明显。本工程桩基为甲级建筑桩基，混凝土桩的桩身完整性检测数量不低于总桩数的30%。工程桩的平面布置图见图3。
基础计算考虑上部结构、桩及筏板三者的共同作用，设计时由于上部结构的刚度贡献，将上部结构刚度考虑到基础顶面进行共同作用，计算结果会更加贴近事实。采用桩筏有限元分析法，选用弹性地基梁模型。根据基础荷载的分布情况，核心筒墙体下均匀布置承压桩，裙房框架柱下、汽车坡道柱下集中布置抗拔桩，起抗浮作用。核心筒部分基础筏板厚1.8m，其余部分筏板厚0.9m。为减少相对差异沉降、温度影响及混凝土硬化过程中的结构内力，设计时将地下室设置了2道后浇带，后浇带宽800mm，设置在塔楼与裙房交接处，来解决因荷载、施工时间不同而引起的不均匀沉降，后浇带需上部4层结构施工完后再浇筑。基础筏板后浇带的布置见图4。
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图3桩位平面布置图
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图4筏板基础平面布置图
3结构计算分析
3.1结构布置
采用框架-核心筒结构体系，核心筒为主要的抗侧力构件。利用建筑物中部的电梯井、楼梯间设置核心筒剪力墙，核心筒的底部尺寸为14.5m×9.0m，满足JGJ3—2002《高层建筑混凝土技术规程》（以下简称《高规》）要求的核心筒宽度不宜小于筒体高度的1/12。筒体剪力墙最大墙厚350mm，墙厚根据每层受力状况逐级减薄至200mm，并满足轴压比的要求小于0.6，混凝土强度等级为C60~C40。底层框架柱截面尺寸为1100mm×1000mm，向上逐步收至700mm×700mm，混凝土强度等级为C60~C40。主框架梁与钢筋混凝土核心筒墙体刚接，次梁与主梁的连接采用铰接。由于甲方的使用要求，不允许房间内出现次梁，所以楼板采用现浇钢筋混凝土大厚板（h=180mm）。筒体结构的楼盖外角楼板钢筋为双层双向配筋，且每层单项配筋率不小于0.3%。
裙房的顶层为330m2的大会议室，跨度16m×21m，屋顶还是冷却塔设备的安置区，荷载大、分布密，设计时采用了密集布置的井字梁，板跨为2m，梁高900mm。冷却塔的设备支墩均匀地安置在井字梁顶，避免了设备压在屋面板上，减小了板的荷载，从而使屋面板的配筋量减小，裂缝减小，做到了既经济又安全。
地下室顶板覆土厚度900mm，上部按消防车荷载设计，荷载大。双向柱距均为8m，如果梁按单向布置方式，截面尺寸会很大，除承载力外，其挠度和裂缝宽度也难以控制，会使相关梁的配筋很不合理。设计时按双向井字梁布置，柱距内的梁高仅为600mm，既节约了空间，又减少用钢量，还能满足梁的变形要求。以地下室外墙为支座的梁，为了减小梁端弯矩对外墙的不利影响，设计时将该处梁端按铰接处理，此处只传递轴力，没有弯矩。
3.2楼板开洞
本工程体型较规则，楼盖整体性较好，仅楼梯间、电梯井等局部开洞。裙房局部区域2层通高，2层楼板开大洞，开洞面积占本层面积的15%，设计时考虑楼板削弱，并采取加强措施：（1）局部开洞处楼板补充板有限元计算分析，根据计算结果对薄弱处进行局部加强；（2）开洞楼层及上1层的楼板，板厚适当加厚为150mm，配筋双层双向通长布置，洞边设置边梁。
3.3嵌固端板标高差异
本工程以地下室顶板-0.060m作为嵌固端，因-0.060m处的标高差异较大（相差H=900mm），采用将板有高差处的框架梁加大高度，同时，将此处的顶板加腋至H/2处，以此方法来保证水平力的传递。
3.4计算结果与分析
整体结构小震弹性分析，采用SETWE刚性楼板假定计算，考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、扭转耦联以及施工模拟加载3的作用，保证整体结构的各项指标均满足规范要求，从而确定所有构件的尺寸、整体结构承载力和变形满足国家现行规范的要求，保证各部位结构的安全可靠。计算指标汇总见表1。
表1结构计算指标汇总
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按照《高规》的要求：对于高度不大于150m的框架-核心筒结构，按弹性方法计算的风荷载或多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比Δu/h宜不大于1/800；结构在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，宜不大于该楼层平均值的1.2倍，应不大于该楼层平均值的1.5倍。从表1中结果可以看出，结构周期、位移比、位移角、刚度比、剪重比、刚重比等参数均满足规范要求，各构件的尺寸及结构方案设计合理。
4结语
本工程塔楼的平面为矩形，Y向跨度短，尺寸较小，刚度较弱，为加强结构整体抗侧刚度，适当增加了弱轴Y向框架梁刚度，框架柱在弱轴Y向加大尺寸，就能有效地增大弱轴结构抗侧刚度，减小侧移，同时，还能对核心筒剪力墙平面外刚度有帮助。对于这种结构沿X、Y2个方向刚度差异较大的问题，可以采取调整2个方向框架梁高度及框架柱截面尺寸的方法来提高弱轴刚度，降低强轴刚度，使2个方向刚度趋于均衡，避免因刚度和承载力局部突变或结构扭转效应而形成薄弱部位。
在剪力墙约束边缘构件的设计中，利用墙体的水平分布筋作为部分约束边缘构件的箍筋，可以减少用钢量，节约材料，方便了施工。