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某综合办公楼结构设计

发表时间：2020/11/13 来源：《基层建设》2020年第21期作者：史俊亮游本勇

[导读] 摘要：本文介绍了某综合办公楼结构设计的主要内容，包括结构布置、计算结果分析、地基基础设计等问题。

        中国五洲工程设计集团有限公司北京 100053
        摘要：本文介绍了某综合办公楼结构设计的主要内容，包括结构布置、计算结果分析、地基基础设计等问题。并进一步指出了高层建筑结构设计时应注重结构的抗侧力构件布置和抗震构造措施，从而更好的发挥结构构件的延性。
        关键词：结构工程；高层建筑；框架-剪力墙结构；抗震构造措施
        1.工程概况
        某厂综合办公楼位于某市国家科技创新型试点示范区中央，建筑占地面积3114.8m2，总建筑面积16789 m2，其中地下建筑面积1995 m2，地上14494 m2。该建筑物由主楼与裙楼组成，主楼为办公、会议用房，裙楼为厨房、餐厅及报告厅用房。主楼地下1层，地上10层，主要层高为4.5m，总高度48m；裙楼无地下室，地上3层，高度15m。地下室为车库，由于需要较多停车位，所以地下室比上部结构多出一跨；一层入口为跃层大厅，三层为完整楼板，标准层四至十层楼板在中间部位开洞，形成中庭，见图1。（本文主要论述主楼部分）

        图1标准层平面图
        2.结构整体分析
        2.1 结构设计基本概况
        1）本工程设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级；
        2）抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.35s，建筑抗震设防类别为丙类；
        3）基本风压w0=0.35kN/ m2（50年一遇），地面粗糙度为B类；
        4）楼面主要活荷载标准值：地下室顶板5.0kN/ m2（考虑施工荷载）；办公室2.0kN/ m2；会议室2.5 kN/ m2；档案室12.0kN/ m2（第三层整层）。
        2.2 结构体系
        主楼高度48m接近框架结构的最大适用高度50m，故选用框架-剪力墙结构。框架-剪力墙结构是一种经济有效的抗侧力结构体系，它作为一种抗震结构体系，具有多道防线的抗震性能。多遇地震时，剪力墙起着主要作用；在设防烈度的地震作用下，剪力墙的刚度有一定的退化，地震作用由框架与剪力墙共同承担；当遭受高于本地区设防烈度预估的罕遇地震影响时，剪力墙刚度大幅退化，但仍然具有一定的耗能作用，结构刚度降低将会减小地震作用，此时框架起保持结构稳定及防止倒塌的作用。由于建筑使用功能要求，剪力墙布置在建筑物一端的楼梯间及另一端的两个角部，剪力墙间距为39m，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称“规程”）要求的50m及4.0x28.2=112.8m。
        2.3 主要构件截面
        剪力墙是本工程主要抗侧力结构构件，承担主要的水平荷载，剪力墙厚度自下至上变化分别为350、300mm。框架柱底层主要截面为800x800mm，上部各层分段减至700x700mm、600x600mm。墙、柱混凝土强度等级由C40沿高度变化分别减至为C35、C30，其与构件截面变化的楼层错开，使结构竖向刚度均匀、连续无突变。框架梁主要截面为350x750mm。
        2.4 结构计算
        本工程采用“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE”进行结构计算，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。本工程为有中庭建筑物，即楼板有开洞，开洞面积比为22.5%，满足规程要求的开洞面积≤30%（楼梯间由于有混凝土井筒存在，具有较强的空间约束作用，故不计入楼梯间开洞面积）；有效楼板宽度为57.5%大于规程要求的50%；平面凹进尺寸为8.4m，8.4/50.6=16.6%小于投影方向总尺寸的30%，满足规程要求；计算结果见表1、表2。

        由表1可见：前两个阵型分别为X、Y向平动，第三阵型为扭转振动，且以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比小于0.90。这说明结构的抗侧力构件布置比较适宜，结构具有必要的抗扭刚度。
        由表2及前分析可知：
        1）该建筑平面为凹凸规则、楼板连续，但扭转不规则；侧向刚度规则，楼层承载力无突变且竖向抗侧力构件连续，所有该建筑为平面不规则而竖向规则的建筑，且不规则项为一项。在设计中采用空间结构模型，楼板采用符合平面内实际刚度变化的弹性板进行计算。
        2）楼层最大层间位移角为1/957，说明结构的抗侧刚度是合适的。一个合理的高层建筑主体抗侧力结构刚度应以满足和略大于规范限值即可，因为结构的延性和安全储备主要来源于合理的结构构造和精心设计，单纯靠加大结构截面尺寸来加大刚度有时会适得其反，如果必须注意的配筋构造措施等没有相应跟上，反而会造成结构的隐患，多花了材料、成本，反而损坏了结构的延性和安全度。
        3.抗震构造措施
        抗震构造措施是抗震设计的一项重要内容，是保证延性、塑性耗能能力及维持结构不发生严重损毁或倒塌的重要措施。
        1）中庭部分在楼板有较大的开洞，除在计算时考虑了楼板变形影响外，也采取了加强措施：加大楼板厚度，配筋适当加大并配置双向双层的通长受力钢筋。通过这些措施使楼板能更有效的传递风荷载及水平地震作用，使结构中各抗侧力构件能协同工作。
        2）剪力墙设置为带边框剪力墙。在楼层标高处设置框架梁（或暗梁）与框架端柱（或暗柱）形成剪力墙的边框，边框对剪力墙提供有效的约束，使剪力墙具有较好的延性，地震发生时，即便剪力墙发生裂缝，边框柱仍能承受竖向荷载的作用，从而防止结构倒塌。
        3）中庭楼板开洞后，在中庭两侧各形成两榀单跨框架。虽然该结构不属于单跨框架结构，但仍对单跨框架采取了加强措施，框架柱沿柱全高设置了芯柱，以使单跨框架柱在周期反复水平荷载作用下能具有良好的延性和耗能能力，能够有效改善钢筋混凝土柱的抗震性能。高层建筑中不应采用冗余度低的单层框架结构，规范中是指整栋建筑某个主轴方向全部或绝大部分采用单跨框架的结构，不包括仅局部为单跨框架的结构，框架-剪力墙结构可局部采用单跨框架。
        4.基础设计
        本工程场地内无不良地质作用，适宜工程建设。根据岩土工程勘察报告，基础持力层选择第②层粘土，地基承载力特征值fak=260kPa。主楼采用梁式筏板基础，裙楼采用独立基础。由于主楼与裙楼的高度、荷载差异过大、基础类型不同，基础会产生较大的沉降差异，故采用沉降缝将主楼与裙楼分开。由于筏板基础长度较大，为减小筏板基础在混凝土硬化过程中的收缩应力，在基础中部预留一道施工后浇带，缝宽800mm，梁、板钢筋贯通不断，带两侧采用钢筋支架加钢丝网或单层钢板网隔断，以利于新旧混凝土接槎粘结。后浇带待筏板混凝土浇筑后两个月采用高一级的补偿收缩混凝土进行灌填并加强养护。
        5.结语
        本文介绍了该建筑的主要结构设计，包括结构布置、计算结果分析、地基基础设计等问题。并进一步指出了高层建筑结构设计时应注重结构的抗侧力构件布置和抗震构造措施，从而更好的发挥结构构件的延性。
        参考文献：
        【2】GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震设计规范[S].
        【2】JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
        【3】GB 50010-2010（2015年版）混凝土结构设计规范[S].
        【4】傅学怡.实用高层建筑结构设计（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.