辦公樓結構設計

［摘 要］該設計為辦公樓，要求考慮抗震設防的需要。該設計共分為九大部分，分別為工程概況、建筑設計、結構設計、荷載計算、荷載組合、梁柱設計、樓板設計、樓梯設計和基礎設計。在結構設計過程中，對于樓面的荷載考慮的是雙向板，按規(guī)范要求要進行荷載轉化，即把梯形、三角形荷載轉化為矩形荷載；對于荷載的分配按彎矩二次分配法；基礎采用獨立基礎。

［關鍵詞］建筑設計 結構設計 雙向板 彎矩二次分配法 獨立基礎

［中圖分類號］TU3 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1009－5489(2008)10－0223－04

多高層框架結構可為建筑提供靈活布置的室內空間，適合多層工業(yè)廠房以及民用建筑中的多高層辦公樓、旅館、醫(yī)院和商店。從安全、適用、經濟綜合比較，鋼筋混凝土結構不論是目前還是今后它將仍是高層建筑的主要結構材料。框架結構體系是以由梁、柱組成的框架作為豎向承重和抗水平作用的結構體系。本設計的辦公樓，采用現澆鋼筋混凝土框架結構，建筑物總高度為36.600m，共八層，局部七層。建筑面積為8100.7m2，底層層高5.400m，第八層層高3.300m，其余層高3.600m，室內外高差0.450m。

一、建筑設計

1.現代辦公樓的設計趨向

國外辦公樓的發(fā)展趨勢：(1)向高層發(fā)展；(2)向綜合性發(fā)展；(3)向靈活性發(fā)展；(4)向智能性發(fā)展。

2.國內辦公樓的發(fā)展

隨著我國經濟的發(fā)展，城市用地日趨緊張。城市中的辦公樓建筑也有不斷向高空發(fā)展的趨勢，鋼筋混凝土體系的發(fā)展為高層辦公樓建筑的發(fā)展提供了新的平面布局條件。其中大開間的布置方式，即采用較大柱網，少設分割墻，內部辦公區(qū)域可自由分割。這種形式成為近年來國內中高層辦公樓建筑的主要布局模式。這種布局不但增大了使用面積，而且縮短了交通面積，同時有利于結構的計算。

3.辦公樓建筑的功能分析

辦公樓建筑功能首先表現為滿足使用要求。其要求主要表現在三個方面：一是要有一個適合人體尺寸和人的活動范圍的空間，使人們能夠在其中布置居住使用設備，從事生產或其他活動；二是要滿足人們的生理要求，包括良好的朝向，充足的日照；三是要有合理的空間布局，要滿足安全、衛(wèi)生等的基本條件。

4.建筑設計

(1)建筑防火與安全疏散

因底層和第二層采用大開間形式，隔斷墻體極少，不利于防火，故須劃分防火分區(qū)。本設計采用防火卷簾分割防火分區(qū)，底層門庭以左為第一防火分區(qū)，門庭為第三防火分區(qū)，門庭以右為第二防火分區(qū)，二層底層門庭以左為第四防火分區(qū)，門庭以右為第三防火分區(qū)。上部各層因隔墻較密，不利于火災的蔓延，可不劃分防火分區(qū)。

(2)安全疏散

本設計門庭兩邊分別設電梯一部，安全疏散梯一部，建筑左上角設疏散樓梯一部，滿足安全疏散的要求。

(3)建筑節(jié)能

本工程采取的節(jié)能措施：

1)屋面：40厚擠塑板保溫隔熱層。

2)窗戶：全部采用鋼塑復合節(jié)能門窗、中空玻璃窗。

3)外墻：聚苯顆粒保溫隔熱材料30厚。

二、結構設計

設計之初先要收集如下資料，并作詳細研究：(1)工程名稱；(2)建設地點；(3)工程概況；(4)基本風壓；(5)地面粗糙類型；(6)雨雪條件；(7)抗震設防；(8)工程地質條件；(9)設計使用年限和環(huán)境類別；(10)材料選用情況。

三、結構選型及結構平面布置方案

1.結構體系選型

采用鋼筋混凝土現澆框架結構體系。

2.樓面結構

采用現澆鋼筋混凝土雙向板肋梁樓蓋方案，框架主梁沿橫向布置，橫向框架為主要承重骨架。畫出結構平面布置圖。

四、構件截面尺寸的確定

1.基礎頂面設計標高的確定

根據地質勘查報告的建議，地基持力層可設在粉質粘土層上，根據基礎頂面與室外地坪的關系和持力層位置，若選擇獨立基礎(上有基礎梁)，基礎頂面標高可選為絕對標高45.00m處；若選擇條形基礎(取高度為柱距的1/4～1/6)，則基礎頂面標高可選擇為45.20±0.10m位置。

2.樓板厚度的確定

現澆板的厚度一般為10mm的倍數，其厚度選擇應根據使用環(huán)境、受力情形、跨度等綜合條件確定。

3.井字梁截面尺寸的確定

井字梁可按整體肋形梁的次梁選擇截面尺寸，因其支座介于連續(xù)和簡支之間，可查規(guī)范選取截面。

4.框架梁截面尺寸的確定

橫向框架梁，考慮抗震，選h=l/10=7300/10=730mm，考慮建筑高度受限，設計為雙筋梁，取h=600mm，b=300mm，此時h/b=2.0；中跨梁，因跨度較小截面尺寸取為300mm×300mm；縱向框架梁，考慮抗震，選l/10=4000/10=400mm，又考慮與橫向框架梁的交接，h=600mm，b=300mm，h/b=2.0。橫向框支梁，亦考慮設計為雙筋梁且與縱向框架梁的交接，取h=550mm，b=250mm，h/b=2.2。

5.框架柱截面尺寸的確定

柱截面尺寸的初步選擇

對于多層框架，無論從受力的角度和柱的凈高而言，都以底層最為不利。按bc=H/15及柱截面寬度不小于300mm，初選截面的高度和寬度。

6.材料選擇

(1)混凝土強度等級

除基礎墊層混凝土選用C10外，基礎及以上各層混凝土強度等級均選為C25。

(2)鋼筋級別

框架梁、柱等主要構件縱向受力鋼筋選擇HRB335級鋼筋；構造鋼筋、箍筋及板內鋼筋等，選擇HPB235級鋼筋。

五、框架計算簡圖及梁柱線剛度

1.確定框架計算簡圖

本設計只取(4)軸線上的一榀框架計算。假定框架柱嵌固于基礎頂面，框架梁與柱剛接。由于各層柱的截面不變，故梁跨等于柱截面形心軸線之間的距離。地層柱高度為6.250m，其余各層柱高為3.600m，第八層為3.300m。由此可繪出框架的計算簡圖。

2.框架梁柱的線剛度計算

計算簡圖中的柱高取值原則是：對樓層可取層高；對底層柱，則取基礎頂面至二層樓板頂面間的高度。

截面慣性矩和線剛度計算時，對于中框架梁取I＝2.00I

畫出框架梁柱的相對線剛度，作為計算各節(jié)點桿端彎矩分配系數的依據。

六、荷載計算

1.恒荷載標準值計算

按選擇的計算單元范圍，根據該范圍內的構件及設計尺寸，建筑裝修的做法層次及相應材料比重(如鋼筋混凝土，可取25KN/m3；水磨石面層，可取0.65KN/m3等)即可算出。

一般從屋頂面層開始算起，由上而下進行。

2.活荷載標準值計算

按《荷載規(guī)范》的相應值選用。

(1)屋面和樓面活荷載標準值。

(2)雪荷載。

3.豎向荷載下框架受荷總圖

屋面板傳荷載：板為雙向板，故傳至梁上的三角形或梯形荷載均需化為等效均布荷載，荷載的傳遞長邊按梯形傳遞。

七、水平地震作用下的框架計算

1.水平地震作用標準值的計算

框架的抗震等級，抗震設防烈度為7度，查規(guī)范知本設計抗震等級為三級。

2.場地的特征周期

由場地類別和地震分組可查得特征周期值gT

3.重力荷載代表值

取每層的總重力作為質點。

4.水平地震作用下框架的側移驗算

(1)計算簡化

為了簡化計算，框架梁慣性矩增大系數取1.2。

(2)柱的線剛度

(3)框架柱的側移剛度D值

(4)框架自振的計算

按公式計算

T1＝0.33+0.000692H3B

八、荷載效應組合

1.概述

考慮到鋼筋混凝土結構系彈塑性體，在豎向荷載作用下宜考慮梁端塑性變形內力重分布而對梁端負彎矩進行調幅，根據《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)程》，現澆整體式框架β＝0.8～0.9，將梁端負彎矩乘以0.8折減，梁跨中正彎矩應按平衡條件相應增大。

恒荷載與活荷載作用下的框架彎矩圖須進行調幅。

在恒荷載和活荷載作用下，跨間maxM可近似取跨中的M代替。

在豎向荷載與地震力組合時，跨間最大彎矩GEM采用數解法計算：

右震時，公式中的EAM、EBM反號。

2.框架柱的內力組合

本設計只考慮恒荷載、活荷載、地震荷載，故只須對三者進行組合。

1.2×恒+1.4×活

1.2(恒+0.5×活)±1.3×地震

九、截面設計

1.承載力抗力調整系數REg

考慮地震作用時，結構構件的截面設計采用下面的表達式：

S￡R/gRE

正截面承載力計算時，REg對于梁取0.75，對于偏心受壓柱取0.8，斜截面承載力計算時各類構件及框架節(jié)點取0.85；

2.框架橫梁配筋

采用單筋截面，均按矩形截面計算，偏于保守。

(1)梁的正截面強度計算

(2)梁的斜截面強度計算

截面剪力取柱邊緣處的剪力值。

(3)梁的斜截面強度計算

3.框架柱截面配筋計算

(1)軸壓比計算

(2)正截面受彎承載力計算

柱同一截面分別承受正反向彎矩，故采用對稱配筋。

(3)斜截面受彎承載力

4.板式樓梯的配筋計算

本設計采用現澆鋼筋混凝土板式樓梯。包括以下內容：

(1)平臺板的計算

(2)平臺梁的計算

(3)斜截面承載能力計算

5.單向板及雙向板的配筋計算

按塑性理論計算

求各中間支座最大負彎矩時，按恒荷載及活荷載均滿布各區(qū)格計算。

在g′作用下，各支座可視作固定，在q′作用下，各支座可視作簡支。

框架柱取每層柱頂和柱底兩個控制截面。

6.框架柱的內力組合

本設計只考慮恒荷載、活荷載、地震荷載，故只須對三者進行組合。

1.2×恒+1.4×活

1.2(恒+0.5×活)±1.3×地震

十、截面設計

1.承載力抗力調整系數REg

考慮地震作用時，結構構件的截面設計采用下面的表達式：

S￡R/gRE

正截面承載力計算時，REg對于梁取0.75，對于偏心受壓柱取0.8，斜截面承載力計算時各類構件及框架節(jié)點取0.85；

2.框架橫梁配筋

采用單筋截面，均按矩形截面計算，偏于保守。

(1)梁的正截面強度計算

(2)梁的斜截面強度計算

截面剪力取柱邊緣處的剪力值。

(3)梁的斜截面強度計算

3.框架柱截面配筋計算

(1)軸壓比計算

(2)正截面受彎承載力計算

柱同一截面分別承受正反向彎矩，故采用對稱配筋。

(3)斜截面受彎承載力

4.板式樓梯的配筋計算

本設計采用現澆鋼筋混凝土板式樓梯。包括以下內容：

(1)平臺板的計算

(2)平臺梁的計算

(3)斜截面承載能力計算

十一、框架的基礎設計

1.概述

根據工程地質報告提供的資料，場地為Ⅱ類，在主要受力層范圍內不存在軟粘性土層，上部框架結構超過八層，高度在25m以上，故該房屋要進行抗震承載力驗算，底層柱傳至基礎頂部的作用效應取抗震設計時的作用效應。本設計基礎按獨立基礎設計。

2.基礎底面積和底面尺寸的確定

基礎應盡量淺埋，但在任何情況下基礎或基礎梁的頂面標高不得高于室內設計地坪或室外設計地面，且一般至少應低于設計地坪50mm～100mm。

基礎底板一般采用矩形或正方形，底板尺寸為100mm的倍數；矩形的長短邊尺寸之比一般為1.5～2.0，最大不超過3。

基礎高度h＞600mm時，宜采用階梯形基礎，每階高度宜為300～500mm，階高和階寬均為100mm的倍數，且最下一階的階寬宜為11b＜1.75h，1h為最下一階階高，其余各階階寬不大于相應階高。如若大于階高須進行該階的抗沖切驗算。

(1)A柱基礎

由于邊柱彎矩較大，先按軸心受壓計算時，將軸力值擴大1.3倍。

(2)B柱基礎

由于內柱基礎彎矩小而軸力大，故按軸心受壓初步選定基礎面積時，將軸力擴大1.2倍。

考慮到D、E軸線柱距較近，可合并為一個基礎。

經驗算：各柱內力組合值均滿足，max1.2kaP＜f的要求。

3.基礎抗沖切承載力的計算

已按柱縱向鋼筋錨固要求初步選定基礎高度h＝1300mm，可確定為階梯形基礎。

(1)A柱抗沖切承載力的計算

按初步確定的基礎尺寸，因各階階寬均小于相應的階高，故不必驗算即可滿足抗沖切承載力。

(2)B柱抗沖切承載力的計算

1)基礎底板凈反力

2)按初步確定的基礎尺寸，應考慮兩個沖切面

十二、節(jié)點設計

1.概述

根據地震震害分析，不同烈度地震作用下鋼筋混凝土框架節(jié)點的破壞程度不同，7度地震時，未按抗震設計的多層框架結構節(jié)點較少破壞，8度地震時，部分節(jié)點，尤其時角柱節(jié)點產生嚴重震害。因此，對不同的框架，應有不同的節(jié)點承載力和延性要求。《建筑結構抗震規(guī)范》(GBJ11－89)規(guī)定，對一、二級抗震等級的框架節(jié)點必須進行受剪承載力計算，而三級抗震等級的框架節(jié)點，僅按構造要求配筋，不再進行受剪承載力計算。

2.構造要求

(1)梁的構造

框架梁的截面一般由三個條件確定：1)最小構造截面尺寸要求；2)抗剪要求；3)受壓區(qū)高度的限值。

(2)柱的構造

框架柱截面尺寸一般由三個條件確定：1)最小構造截面尺寸要求；2)軸壓比的要求；3)抗剪要求。

十三、抗震構造措施

1.框架梁、柱的節(jié)點錨固、搭接要求查抗震構造規(guī)范，可求得框架中間層節(jié)點的縱向鋼筋錨固構造。

2.框架梁、柱端加密區(qū)構造要求

(1)梁端箍筋加密

加密長度：取1.5h或500mm中較大者。

箍筋最大間距：取縱向鋼筋直徑的8倍、梁高的1/4或100mm三者中的較大值。

箍筋最小直徑選用8

(2)柱端箍筋加密

加密長度：取矩形截面邊長尺寸、層間柱高的1/6或500mm中較大者箍筋最大間距：取縱向箍筋直徑的8倍或100mm中的較小值。

箍筋最小直徑選用8

即在梁端1100mm、600mm或550mm范圍內采用8@100加密。(±0.000上下500mm范圍內也同樣加密)。

3.梁腰筋的配置

梁的截面高度大于450mm，故在梁的兩側每200mm處分別設置212縱向構造鋼筋，采用8@400的拉結筋拉結。

4.柱縱向構造

邊柱偏心距較大，考慮到抗震，在兩側面分別配212縱向構造鋼筋。

中柱軸力較大，在柱兩側面分別配220縱向構造鋼筋。

箍筋采用井子型復合箍。

5.柱縱向鋼筋在柱底的搭接

搭接長度l31.2la

6.板構造鋼筋

按規(guī)范采用。

［參考文獻］

［1］中華人民共和國國家標準：《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》(GB50068-2001)，中國建筑工業(yè)出版社2001年版。

［2］中華人民共和國國家標準：《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2001)，中國建筑工業(yè)出版社2001年版。

［3］中華人民共和國國家標準：《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010-2002)，中國建筑工業(yè)出版社2002年版。

［4］中華人民共和國國家標準：《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2001)，中國建筑工業(yè)出版社2001年版。

［5］中華人民共和國國家標準：《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB5007-2002)，中國建筑工業(yè)出版社2002年版。

［6］彭少民：《混凝土結構》(第2版)，武漢工業(yè)大學出版社2003年版。

［7］《混凝土結構設計規(guī)范算例》編委會：《混凝土結構設計規(guī)范算例》，中國建筑工業(yè)出版社2003年版。

［8］《建筑結構靜力計算手冊》編寫組：《建筑結構靜力計算手冊》，中國建筑工業(yè)出版社2005年版。

［9］《混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構造詳圖》，中國建筑標準設計研究所2003年。