六安市城投大厦结构设计

　　摘要：本文描述在特定场地条件下高层建筑的基础设计方案，同时对上部结构超限提出可靠、合理的抗震措施，在满足结构安全的前提下，尽可能符合建筑功能需求和节约工程造价。
　　关键词：高层结构，基础设计，结构分析，结构超限抗震措施，可行性
　　一、工程概况
　　本工程地处安徽省六安市七里站圆盘东南角地块内，北临皖西大道，西临长安南路。总建筑面积为46249.54m2，其中地上38667.74m²，地下7581.80m²。地下1~2层为汽车库及设备用房，地上1~3层为商业用房，4~27层为办公用房，该办公楼总高为99.3m。地下一层层高4.2m，地下二层层高4.2m；地上一层层高4.5m，二、三层层高4.2m，三层以上层高3.6m。目前该项目已竣工。
　　本工程主体结构设计使用年限为50年，基本风压为0.40KN/m²（n=100），基本雪压为0.55KN/m²（n=50），抗震设防烈度为7度(0.10g)，设计地震分组为第一组，特征周期值（Tg=0.35），水平地震影响系数最大值为0.08，结构阻尼比为0.05，建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类。
　　本工程采用框架-剪力墙结构体系，框架和剪力墙结构抗震等级除地下二层为三级以外，其余均为二级，地下室防水等级为二级，建筑防火分类等级为一类高层建筑，耐火等级为一级。本工程不考虑人防，地基基础设计等级为甲级。
　　二、上部及地下室结构设计
　　本工程地下室部分共二层，用作停车场和设备房间使用，采用钢筋混凝土梁板体系。主楼为27层，另有屋面设备层一层。主楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，剪力墙墙厚为200~400mm,框架柱截面尺寸为800×800~1200×1000(mm×mm),框架梁截面尺寸为400×650~500×750(mm×mm)；裙房共三层，采用钢筋混凝土框架结构，框架柱截面尺寸为600×600~700×700(mm×mm),框架梁截面尺寸为400×650~500×800(mm×mmm)。本工程将地下室顶板作为上部结构的嵌固端，地下室顶板采用钢筋混凝土梁板体系，板厚为180mm.经计算地下室部分的楼层侧向刚度大于相邻的底层侧向刚度的2倍以上，满足作为上部结构嵌固端的条件。
　　由于本工程裙楼和地下室超长至77米，且裙楼和主楼连为一体，为了减小建筑物的不均匀沉降及温度应力和混凝土的前期收缩影响，拟采用以下措施：1、在主楼和裙楼之间设置施工后浇带，后浇带可在主楼封顶后封闭；2、主楼中部设置温度后浇带，后浇带可在本楼层浇筑2个月后封闭；3、加强地下室的底板、顶板和地下室外墙的水平向配筋和超长部分楼层和屋面层结构的配筋，以抵抗温度作用产生的拉力；4、减少水泥用量和降低水灰比，掺入合适的外加剂，以减少混凝土的收缩徐变；5、加强对混凝土的养护措施。
　　三、地基基础设计
　　本工程基础设计依据：地质勘探报告《六安市七里站经济适用房岩土工程勘察报告》(勘察编号:2008-kc-2)。±0.000相当于绝对标高69.850米，地下室底板顶面相对标高为-8.500。根据地勘报告，抗浮水位按场地整平标高下1.0m考虑。场地地层，自上而下分别叙述如下：①层杂填土(Q4ml):层厚0.30～6.60m，灰褐、杂色，上部主要成分为建筑垃圾，下部粘性土，松散～稍密，稍湿。②-1层粉质粘土(Q4al+pl)：层厚0.60～4.00m，层顶埋深2.20～6.60m，层顶高程59.68～64.71m。青灰、灰黄色，呈可塑状态、局部硬塑，含铁、锰质浸染，光泽反应稍有光滑，无摇振反应，干强度中，韧性中，本层分布不广泛。②层粘土(Q3al+pl)：层厚0.20～6.30m，层顶埋深0.30～4.60m，层顶高程62.27～71.41m。褐黄色、黄色，呈硬塑～坚硬状态，含铁、锰质结核（局部富集），光泽反应光滑，无摇振反应，干强度高，韧性高，本层分布较广泛。③层粘土夹砾石(Q3al+pl)：层厚0.50～3.60m，层顶埋深2.00～7.60m，层顶高程60.17～67.30m。褐黄色、黄色，呈硬塑～坚硬状态，含铁、锰质结核（局部富集），光泽反应光滑，无摇振反应，干强度高，韧性高，夹砾石，以角砾为主，含量5%～20%，局部富集，成分为石英、长石，本层分布不广泛。④层强风化砂岩（J2z）：层厚1.70～8.70m，层顶埋深1.20～10.0m，层顶高程57.78～66.25m，紫红色，稍湿，密实，结构、构造大部分破坏，矿物成份明显改变，风化呈泥质砂土状、块状，节理、裂隙发育，本层分布广泛。⑤层中风化砂岩（J2z）：最大揭露层厚12.30m，层顶埋深3.90～14.00m，层顶高程55.23～63.55m，紫红色，致密，粉细粒结构，中厚层状构造，主要矿物成份为长石、石英，泥钙质胶结，胶结程度较好，岩芯呈块状、短柱状、柱状，节理裂隙不发育，砂岩为软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级，本层分布广泛。
　　本工程采用天然岩石地基,基础型式为柱下钢筋混凝土独立基础及墙下钢筋混凝土条形基础，楼梯、电梯部位局部采用钢筋混凝土筏形基础。基础持力层为⑤层中等风化砂岩，地基承载力特征值为fak=1000kpa。基础埋深大部分为-9.600和-10.000，局部落深至-12.900。施工时应将岩石表面以上的各层土全部清除,如遇局部超深，C15素混凝土垫层加厚至设计标高。地下室的底板采用600mm厚防水板，为钢筋混凝土无梁平板，独基兼柱帽。裙房抗浮采用岩石抗拔锚杆基础。
　　四、结构分析
　　本工程结构计算采用由中国建筑科学研究院编制的SATWE“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）”和CSI公司开发研制的ETABS两种计算程序，并对其进行分析比较，同时还应用SATWE进行了地震的弹性时程分析，以对方案进行校核。结构计算主要结果详见下表：
　　名称 SATWE ETABS
　　振型个数 30 30
　　周期折减系数 0.8 0.8
　　T1（S）（扭转成份） 2.3431（0.00） 2.2381
　　T2（S）（扭转成份） 2.2980（0.00） 2.1836
　　T3（S）（扭转成份） 1.6390（0.86） 1.4494
　　扭转周期与最大平动周期比值 0.699 0.648
　　结构总质量（T） 74025.156 72408.8
　　层间最大弹性位移角 风 X向 1/3906 1/5400
　　  Y向 1/3567 1/4434
　　 地震 X向 1/1631 1/2578
　　  Y向 1/1669 1/2367
　　最大层间位移与平均层间位移的比值 地震 X向 1.20 1.181
　　  Y向 1.27 1.183
　　墙倾覆弯矩百分比 地震 X向 80.71% 72.3%
　　  Y向 81.22% 72.3%
　　剪重比 X向 1.95% 1.8%
　　 Y向 1.97% 1.9%
　　参与地震分析有效质量系数 X向 99.58% 91%
　　 Y向 99.57% 90%
　　本层与下一层最大抗侧移刚度比 Ratx 0.9573 0.956
　　 Raty 0.9549 0.962
　　柱、墙最大轴比 柱 0.82 0.81
　　 墙 0.37 0.39
　　弹性时程分析结果和振型分解反应谱法（SATWE）之比较（见下表）
　　时程波形 RH2TG035 TH3TG035 TH4TG035 三条时程波平均值 反应
　　谱法
　　层间最大弹性位移角 X向 Max-Dx/h 1/2126 1/4180 1/3021 1/2938 1/1779
　　 Y向 Max-Dy/h 1/2008 1/4136 1/2552 1/2714 1/1735
　　最大层间位移与平均层间位移的比值 X向 Max/Ave 1.12 1.26 1.16 1.16 1.12
　　 Y向 May/Ave 1.15 1.17 1.19 1.15 1.15
　　底部最大剪力（与反应谱法底部剪力的比值）KN X向  11779
　　(102%) 8216
　　(72%) 10294
　　(90%) 10096
　　(88%) 11495
　　(100%)
　　 Y向  11934
　　(103%) 8434
　　(72%) 10626
　　(92%) 10331
　　(89%) 11639
　　(100%)
　　五、针对超限情况的抗震措施
　　因受到建筑物平面及立面的限制，本工程存在竖向、平面均不规则的情况。另经过结构计算后，计算结果显示偶然偏心作用下的最大层间位移与平均层间位移的比值大于1.2，从而判断为扭转不规则。为了减小建筑物竖向、平面、扭转不规则产生的不利影响，结构设计时采取了以下措施：调整抗侧力结构构件布置，使质心和刚心尽量重合，以减小结构扭转效应，使结构弹性最大位移比值不超过1.3倍；在局部楼板缺失处，加大梁、板截面尺寸及有关结构构件的配筋，且板钢筋采用双向双层设置，配筋率不小于0.25%，以保证楼层剪力的有效传递；加大平面缩进较大的楼层及其上一层的楼板厚度和配筋，且板钢筋采用双向双层设置，配筋率不小于0.25%。另外，注意采用合理、合适的箍筋形式，底部加强区，墙体边缘构件采用约束边缘构件，并严格控制框架柱、剪力墙轴压比，短柱及角柱箍筋采取全长加密，主楼框架柱设置了芯柱，以提高其延性。
　　六、采用的主要结构材料
　　1、混凝土强度等级
　　名称 C50 C45 C40 C35 C30 C20 C15
　　主楼 地下2~4层柱 5~12层柱 13~19层柱
　　地下2~12层剪力墙 13~19层剪力墙 其余结构构件 柱构造、圈梁等 基础垫层
　　裙楼   柱  其余结构构件 柱构造、圈梁等 基础垫层
　　2、钢筋：采用HPB235级钢及HRB400。
　　3、填充墙：内外墙均为混凝土轻质砌块。
　　七、可行性分析
　　从结构选型，平面构件布置，基础布置和基础形式的选择，到结构的初步计算，并进行了从整体到局部的复核验算，各楼层层间位移、位移比、剪重比、振型质量参与系数等电算结果均满足规范要求，故本工程的结构抗震设计是安全可行的。
　　备注：
　　本工程结构设计承蒙建学冯康曾总经理和建学上海分公司徐长海工程师二位给予多次具体指导和协助，在此深表感谢。

《六安市城投大厦结构设计》

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