某城市政府機關(guān)辦公大樓工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘 要：通過洛陽市某政府機關(guān)辦公共大樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對高層框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)方案選取、結(jié)構(gòu)計算、設(shè)計構(gòu)造等方面進行了討論，并提出了設(shè)計中的一些體會和建議。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計；筏板基礎(chǔ)；框架—剪力墻

中圖分類號：TU208 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3198（2007）07-0200-02

1 工程概況

辦公大樓建筑總高84.30米，總長180.3米（高層主體長130.2米，寬22.8米），總建筑面積62390平方米。大樓地上21層，其中一層為架空停車場，可停車126輛，二層為入口大廳，三層以上為政府辦公用房。群樓為會議用房，設(shè)400人大型報告廳2個，200人會議廳2個，容納80人的電視電話會議廳和200平方米的貴賓接待廳各一個。大樓設(shè)地下室一層，為后勤服務(wù)及設(shè)備用房。大樓二層及標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見圖一、圖二。

2 地基基礎(chǔ)設(shè)計

場地工程地質(zhì)條件：

根據(jù)巖土工程勘察報告，場地地形基本平坦，相對高差1.20米，場地地貌為洛河一級階地。建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s。建設(shè)場地及附近地段不存在全新活動斷裂帶及滑坡、崩塌、泥石流、震陷等不良地質(zhì)作用，場地地基也不存在地震液化土層，場地穩(wěn)定，適宜建筑。

場地表層為耕土及雜填土，下部土層自上而下分為：

黃土狀粉土及黃土狀粉質(zhì)粘土，可塑，為新近堆積土，具中-高壓縮性，偶具濕陷性，層厚2.5-5.1米，層面埋深0.2-1.5米。

卵石及中粗砂，稍濕，稍密。卵石次圓狀、次棱角狀，直徑3-5cm，含量50-60%，有泥沙填充，厚0-2.6m，呈透鏡體狀，主要分布在場區(qū)中部；中粗砂渾圓中等，較為均一，厚0-1.2m，呈透鏡體狀，主要分布在場區(qū)東部。該層層面埋深2.8-5.6米。

卵石，呈次圓狀、次棱角狀，分選中等，直徑一般3-7cm，含量60-80%，有沙礫填充，稍密-中密，在場地內(nèi)均勻分布，本層含水透水，層面埋深3.8-5.6米。

基礎(chǔ)方案選擇：

高層建筑基礎(chǔ)方案和持力層的確定，是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要組成部分，直接關(guān)系到投資額度，施工難度和工期，因此應(yīng)認(rèn)真研究場地巖土性質(zhì)和上部結(jié)構(gòu)特點，通過綜合技術(shù)經(jīng)濟比較確定。

根據(jù)以上工程地質(zhì)情況，該場地地基為均勻地基，承載力高，埋深適中，且無軟弱夾層，是較好的地基持力層。主樓采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深6.50m，經(jīng)試算基底壓力約為380Kpa，以第③-2層卵石層為筏板基礎(chǔ)持力層，承載力特征值為550Kpa，經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值為1025 Kpa，可滿足天然地基的設(shè)計要求。

由于主樓結(jié)構(gòu)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)層數(shù)較多，剪力墻相對較少，且軸網(wǎng)尺寸較大，故底層剪力墻和框架柱的豎向荷載較大，如采用板式筏板基礎(chǔ)，通過試算為滿足沖切計算要求，混凝土強度為C40時筏板厚度約為2米，且筏板頂部受力鋼筋較大。因此在確定基礎(chǔ)方案時，本著安全、經(jīng)濟、適用的原則，通過反復(fù)的計算比較，決定采用梁式筏板基礎(chǔ)（詳見插圖）。此種基礎(chǔ)形式更適合本工程要求，不僅使基礎(chǔ)受力更加明確，并且大大節(jié)約了基礎(chǔ)的土建投資，加快了施工進度，獲得甲方的一致好評。

裙房為五層框架結(jié)構(gòu)，柱下荷載較小，且無地下室，如采用第③-2層卵石層為持力層的柱下獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)開挖深度約為6.0米，基礎(chǔ)土方開挖及邊坡支護工程量較大；如采用樁基礎(chǔ)，以第③-2層卵石層為樁端持力層則樁長僅有4.5米，不滿足最小樁長要求。如果增加樁長則進入第③-2層卵石層后施工難度很大，工期和安全都很難保證。經(jīng)分析比較后采用作業(yè)人工挖孔擴底墩基礎(chǔ)，墩徑800mm，墩長4.5m，以第③-2層卵石層為基礎(chǔ)持力層即可滿足設(shè)計要求。人工挖孔擴底墩基礎(chǔ)把獨立基礎(chǔ)的設(shè)計方法和樁基礎(chǔ)人工成孔的施工方法有機的結(jié)合起來，綜合了樁基和柱下獨立基礎(chǔ)的工程特點，特別適用于本工程持力層承載力較高但埋置深度相對較深的工程地質(zhì)情況，且在洛陽地區(qū)人工成孔有豐富的施工經(jīng)驗，既能保證施工質(zhì)量又大大減少了基礎(chǔ)土方開挖量，非常適合本工程實際，是一種經(jīng)濟實用的基礎(chǔ)形式。

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)選型及斷面尺寸初選

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的選型，擇優(yōu)選用抗震及抗風(fēng)性能好而經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系和平立面布置方案。在抗震設(shè)計中，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，使整個結(jié)構(gòu)有足夠的承載力，剛度和延性。

該建筑層數(shù)較多，高達85.8m，抗震設(shè)防烈度為7度，而且因為本建筑物為一綜合性建筑，使用要求大空間及靈活隔斷，所以決定采用框架——剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

剪力墻盡量均勻設(shè)置于建筑物四周和中部樓電梯處，以便剪力墻布置基本均衡，減少偏心。剪力墻從下到上厚度由300~200mm， 剪力墻在框架——剪力墻體系中受力大，又是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，為使剪力墻避免平面外撓屈，應(yīng)采取一定措施。試驗證明，設(shè)置邊緣構(gòu)件的剪力墻與矩形截面的剪力墻相比，極限承載力約提高40%，極限層間位移角可增加一倍，耗能能力增大20%左右，且有利于剪力墻的穩(wěn)定性，因此抗震規(guī)范和混凝土規(guī)范中規(guī)定“一，二級抗震等級的剪力墻，其截面的端部應(yīng)設(shè)置暗柱，端柱或翼緣。”本工程結(jié)合建筑功能要求，在剪力墻的斷部設(shè)置了暗柱，端柱；并在樓層處設(shè)有暗梁。

框架柱的斷面尺寸主要由柱的軸壓比控制，本工程柱的軸壓比均控制在0.8以下，最大處為0.76。由于標(biāo)準(zhǔn)層主要為辦公用房，層高較低，因此在中間一部分層出現(xiàn)短柱，在這些層的柱箍筋沿柱全長加密。柱截面，混凝土強度等級見表1。為避免剛度突變，各種變化相互錯開。

框架梁也是主要的受力構(gòu)件，本工程主要為辦公用房，樓面使用荷載不大，斷面高度控制在L/12~L/14之間，并結(jié)合門窗高度統(tǒng)一考慮。對于局部地方為了滿足其它專業(yè)要求，梁斷面較小，跨高比較大處，斷面盡量作寬，并進行了裂縫和撓度驗算。

為了保證樓板可靠傳遞水平荷載，使計算模型符合結(jié)構(gòu)計算軟件PKPM及預(yù)埋管線的要求，最小板厚取100mm。

3.2 結(jié)構(gòu)計算分析

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，框架，剪力墻抗震等級均為二級。按照高規(guī)的要求，基本風(fēng)壓按100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值取0.45Mpa。

高層建筑由水平荷載控制，除滿足承載力要求外，還必須滿足頂點水平位移和層間位移的要求。對此，《高規(guī)》中作了詳細的規(guī)定，本工程采用了中國建筑科學(xué)研究院高層建筑技術(shù)開發(fā)部開發(fā)的多高層建筑結(jié)構(gòu)分析程序PKPM-SATWE進行內(nèi)力及位移分析。選取考慮偶然偏心及剛性樓板假定時建筑物前三個自震周期見表1，建筑物位移見表3。

從表中可以看出，第一，二，三周期均在經(jīng)驗公式范圍之間：T1=(0.08~0.12)n，T2=(1/3~1/5)T1，T3=(1/5~1/7)T1(式中：n建筑物層數(shù))，且以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期紙比不大于0.9，說明建筑物的剛度比較適當(dāng)。

從表中可以看出，頂點水平位移與層間位移均能滿足規(guī)范要求。計算完成后對結(jié)果進行了分析，框架柱，剪力墻的軸力設(shè)計值均為壓力，大部分為構(gòu)造配筋，梁除了局部存在截面抗剪，抗扭不滿足要求外，基本上無超筋。因此可以認(rèn)為計算結(jié)果正常，可以用于工程設(shè)計。

3.3 結(jié)構(gòu)計算中的一些問題

(1)高層建筑結(jié)構(gòu)底部固定端的選取。

就高層建筑而言，基礎(chǔ)大多數(shù)為箱形基礎(chǔ)或筏形基礎(chǔ)地下室結(jié)構(gòu)。對于箱形基礎(chǔ)，因其內(nèi)墻多，剛度大，上部結(jié)構(gòu)固定端可選于箱基頂板，但對于筏形基礎(chǔ)地下室，應(yīng)根據(jù)“高層規(guī)程”第5.3.7條規(guī)定，由地下室與上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比是否大于2來確定固定端的位置。對本工程而言，地下一層為后勤用房和設(shè)備用房，縱橫墻較多，試算結(jié)果地下室與上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比大于2，因此將固定端取在地下室頂板處。

(2)關(guān)于樓板開洞過大的問題。

現(xiàn)今高層建筑結(jié)構(gòu)的計算程序，幾乎都假定樓板剛度無限大作為計算的依據(jù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須創(chuàng)造條件，滿足剛度無限大的假定。如果在樓板上開洞，不管開洞面積多大，不管斷多少根梁，現(xiàn)有的計算程序仍按樓面剛度無限大的假定給出計算結(jié)果，有時會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

本工程二層入門大廳位置，由于建筑要求設(shè)置中庭，設(shè)三層共享空間，于一層頂板處開了一個14×26m左右的洞。開洞以后，必須考慮樓板變形對計算結(jié)果的影響。本工程樓板開洞用概念設(shè)計的辦法解決。關(guān)于樓板變形的影響，無非是造成各榀抗側(cè)力構(gòu)件剪力分配上的差異。具體到本工程，由于中間開了一個洞，樓板變形的結(jié)果造成中部抗側(cè)力構(gòu)件所分配剪力的增加，邊上的減少。因此我們將一層中間部位豎向構(gòu)件（墻，柱）采取加強措施。同時將旁邊未開洞處樓板適當(dāng)加厚，采用雙層配筋，以利于傳遞水平力。

(3)梁斷負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)的選取。

為滿足強柱弱梁的抗震要求，也為了減少梁端負(fù)鋼筋的數(shù)量，便于施工，豎向荷載作用下梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)取0.85，梁端負(fù)鋼筋嚴(yán)格按計算結(jié)果配置，不隨意加大，否則將可能不滿足強柱弱梁的抗震要求，對抗震不利。

(4)周期折減系數(shù)的選取。

結(jié)構(gòu)電算中，只有梁，柱，剪力墻參與了結(jié)構(gòu)的剛度計算，以此來求得結(jié)構(gòu)的自振周期，再進一步計算地震作用。實際上，框架結(jié)構(gòu)，框架——剪力墻結(jié)構(gòu)常有剛度很大的填充墻，使其實際剛度遠大于計算剛度，實際周期比計算周期短。如果不考慮這一因素，計算出的地震力小于實際值，偏于不安全；因此計算地震作用之前，必須考慮填充墻剛度對周期的影響，對計算周期予以折減。根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)類型和填充墻的數(shù)量，計算時取折減系數(shù)為0.85。

參考文獻

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