中齐塑化大厦结构设计简介

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摘要：本文结合工程实例，简要介绍了中齐塑化大厦结构设计方案的整体构思，并对基础部分和上部结构的设计方案进行了对比，依据相关规范对计算结果进行分析并总结出框架―核心筒结构的设计要点。

关键词：框架―核心筒结构桩筏基础后注浆工艺墙式转换芯柱

引言

框架―核心筒结构是由核心筒与的稀柱框架组成的常用于高层建筑的结构体系。其周边柱子的柱距较大，一般为8m~12m，它和沿周边的梁构成了外框架，中间为电梯井、楼梯间、管道井等构成的核心筒，受力变形特点与框架―剪力墙结构相同，并与框架―剪力墙结构一样，具有协同工作的许多优点。由于其外框架间距大，而且布置方式多变，建筑立面灵活，可以获得良好的外观。因此框架―核心筒体系是高层公共建筑中理想的结构体系。

1 工程概况

中齐塑化大厦其主要功能为写字楼，结构主体高度99.700m，地上二十八层，地下两层，其上部为电梯机房和消防水箱间。结构平面布置为正方形，标准层平面布置图详见图1（a），结构模型轴侧图详见图1（b），建筑效果图详见图1（c）。

依据《建筑结构可靠度设计统一标准》［3］主楼建筑结构安全等级为二级，设计使用年限及耐久性设计年限均为50年。依据《建筑工程抗震设防分类标准》［4］3.0.2条本工程建筑抗震设防类别为标准设防类。其抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，依据《抗规》［2］6.1.2条框架、剪力墙抗震等级均为二级，由于其场地类别为Ⅲ类，依据《抗规》［2］3.3.3条，其抗震构造措施应按一级。

基本雪压为0.45KN/m2。主楼高度大于60米，基本风压取值0.45KN/m2。地基基础设计等级为甲级，地面粗糙度为B类。

图1（a）标准层平面布置图

图1（b） 模型轴侧图图1（c）建筑效果图

2 主要构件截面及材料

核心筒墙厚由400mm至上部楼层减小为250mm,内部墙后为300mm和200mm。框架柱截面底层为1000X1000，墙、柱的混凝土强度等级如下：

-2层~13层C50

14层~17层C45

18层~27层C40

28层以上C35

商业部分梁截面为350X650，办公部分梁截面为400X500和500X450，走廊部分梁截面为450X300和400X300。梁、板的混凝土强度等级如下：

有覆土地下室顶板：C40 （抗渗等级P6）

-1层~5层C40

6层以上C35

钢筋材料为HRB400 和HRB335。

3 结构选型与方案对比

3.1基础部分

基础部分采用桩筏基础，桩型选用机械成孔灌注桩，桩身直径1m，桩长约20m。混凝土强度C35。单桩承载力设计值约为5000kn,（应以单桩承载力静载试验的检测报告为依据）。桩基持力层为第8层或第9层卵石层 ，桩身进入持力层深度大于1m。筏板厚度：核心筒周边部分为2.5米，其余部分为1.8米。机械成孔灌注桩可采用后注浆工艺以进一步提高单桩承载能力，并有效减少和调整沉降值。桩端持力层为第8层或第9层卵石层，后注浆工艺效果明显。

采用桩筏基础优点如下：施工费用相对较低，施工进度快；钢筋用量相对小，现场绑扎工作量较少，基坑较浅，支护费用低。

3.2上部结构。

3.2.1抗侧力体系

本工程地上部分含屋面设备层共31层结构层，采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。平面布置为正方形，五层以上北侧中部楼板开洞，保证了建筑的采光、通风的要求。由于建筑布置的需要，中间核心筒基本位于中心，东西对称，偏北1.0米，对结构的整体性虽有影响，但基本保证了刚心与重心的重合；依据高规第9.1.6条 核心筒或内筒的外墙与外框柱间的中距，非抗震设计大于12m、抗震设计大于10m时，宜采取另设内柱等措施。由于芯筒与外框柱距离为12.9m，所以在核心筒与外框柱之间结合建筑平面布置在不影响建筑功能的条件下增设了内柱。

同时第二层楼盖开洞，形成较大的门厅，有效的降低了该层结构的整体刚度和抗侧力能力，通过调整周边框架柱、框架梁的断面尺寸，限制了南北两部分在地震和风荷载作用下的水平相对位移与扭转效应，降低了端部构件的变形量，从而控制了造价。

3.2.2楼盖体系

考虑本工程具体特点，由于层高和总高的限制，有效降低楼盖结构高度成为关键，但是，太小则刚度不足，对建筑物的抗震、抗风性能将产生较大的不利影响，并且造价一般会增加；经对楼盖结构方案比较，井字梁楼盖结构刚度较大，但模板量大，而现浇板结构，模板量小，施工方便。为了合理利用空间，有效降低层高，楼盖结构办公及商业部分采用宽扁梁加次梁，角部网格为井子梁的现浇板楼盖，做到合理利用结构空间，调整结构刚度，有效降低层高，降低造价的目的。

3.2.3 墙式转换

实现屋顶部分内收建筑效果的方式，一种可采用将框筒结构中的外排柱内移，标准层中楼板外挑,这样核心筒距外框柱的距离小于10m，内柱可取消，但此时外框柱影响了建筑的使用空间，所以未被采用;另一种可采用将框筒结构中的外排柱外移，保留内柱，（内柱位于卫生间处，不影响建筑功能的使用）框架柱进行位置转换的方式，转换方式可采用托梁，即在A~C轴之间设一道大梁，但这样影响建筑的空间使用，所以本设计依据柱位的变化采用墙式转换，既满足了建筑功能要求，也保证了结构的合理性。墙式转换节点详图3（c）。

墙式转换结构是整个工程的关键构件，对此进行了有限元的节点分析，SATWE整体分析，并以深牛腿方式进行了手算复核。

图3（c）

4 计算结果分析

本工程计算分析采用SATWE软件。

4.1 自振周期与振型

结构的前3阶周期如表1所示，分析过程中计算振型数为15个，而且两者的质量系数均满足《高规》［1］5.1.13条要求的90%以上。

表1

振型号 周期 （s） 平动系数 扭转系数

1 3.0560 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00

2 2.8309 1.00( 0.01+0.99 ) 0.00

3 1.9711 0.00( 0.00+0.00 ) 1.00

T3/T1=0.645

4.2 主要控制参数 表2

作用方向 X Y 规范限值

楼层最小剪重比 2.45% 2.69% 满足《抗规》［2］5.2.5条不小于2.40%的要求

刚重比 4.62

大于1.4 5.51

大于2.7 通过《高规》［1］5.4.4的整体稳定验算

不考虑重力二阶效应

地震力下楼层最大层间位移与该楼层平均值的最大比值 1.20 1.20 1.20

风荷载下楼层最大水平位移与该楼层平均值的最大比值 1.19 1.07 1.20

地震力作用下楼层层间最大位移与层高之比的最大值 1/879

19层 1/965

19层 1/800

1.5Vxmax 6461.54 6123.15

框架柱的倾覆弯矩百分比各层均小于50%,基本在10%~40%之间，这说明剪力墙的数量满足《高规》［1］的要求。

4.3 框架和核心筒之间剪力分配

由于在外框柱和核心筒之间增设了内柱，所以框架部分承担的剪力值满足《抗规》［2］第6.2.13.1条以及新增条文第6.7.1.2条框架部分各层地震剪力的最大值不宜小于结构底部总地震剪力的10%的要求。

5 抗震加强措施

5.1底部加强部位

依据《抗规》［2］第6.1.10，底部加强区取底部两层和总高的1/10的较大值，由于地下一层存在车库出入口大开洞，不利于高层嵌固端的整体性。所以地下一层顶板作嵌固层不合适，将嵌固层调至地下二层顶板，但加强部位的高度仍从地下室顶板算起。底部加强部位需从嵌固层向下延伸一层。因此，该结构主体抗震墙底部加强区部分取地上三层并延伸至地下二层。

5.2二层门厅跨层柱的加强措施

5.2.1楼盖的加强措施

指定一二层为薄弱层。由于第二层楼盖开洞面积已接近30%，计算时将此层楼板定义为弹性楼板，并对洞口周边板及开洞对应的上层楼板处进行加强，构造上比正常楼板厚度加厚30mm，取120mm，双层双向拉通配筋，并适当加大洞口的边梁截面，增强抗扭腰筋。

5.2.2跨层柱的配筋

在框架―核心筒结构中，核心筒是结构中的主要抗侧力构件。在大震作用下，筒体先损伤，其抗侧刚度降低，框架承担的剪力也相应有所增加。因此框架应具有足够的承载力，以充分发挥框架―核心筒结构的多道抗震防线作用。所以这几根跨层柱是本工程设计的一个重点，必须加大措施提高其强度和刚度使框架―核心筒的多道抗震防线发挥作用。在计算时将一二层合为一层并把梁板抽掉，与分层计算结果包络配筋。由于包络配筋后的面积约为分层计算结果的2倍，故采用芯柱来满足柱的配筋要求。

5.2.3判定是否为特别不规则

在将一二层合并为一层时，合并成一层后的刚度应不小于上一层刚度的50%。根据《抗规》［2］新增条文说明3.4.1表一特别不规则的项目举例中，本层侧向刚度小于相邻上一层的50%时建筑的抗震性能为特别不规则。经验算,合并成一层后的刚度大于上一层刚度的50%，故本工程不属于特别不规则。

6 结语

合理的结构设计是多方面因素综合考虑的结果，设计过程中应根据建筑功能要求、地理环境条件及所构思的结构总体系，先有一个多道防线、刚柔结合的理想刚度目标。然后根据这个目标，再从具体的结构整体设计中通过不断的探索、比较得到最优方案。结合本工程实际情况,上部结构我们选择了增设内柱的框架―核心筒¬结构,屋顶内收部分采用墙式转换，基础形式选用桩筏基础并采用后注浆工艺。本工程设计既满足了建筑的立面效果和使用功能,又满足了结构的安全性和经济性的要求。

参考文献

［1］JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［2］GB50011-2010建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［3］GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001

［4］GB50223-2008建筑工程抗震设防分类标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008

［5］高立人.高层建筑结构概念设计.中国计划出版社，2005

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