中关村大合庄苑办公楼1

试论中关村大河庄苑办公楼结构设计魏利金（中国有色工程设计研究总院北京100038）[提要]本文详细介绍了大河庄苑办公楼结构设计计算，同时就一些特殊问题的特殊处理进行了探讨。[关键词]结构体系，安全经济，构造措施，一.概况本设计为中关村大河庄苑办公楼设计，该工程是中关村西区配套唯一的商业设施，也是小区边缘的标志性建筑，其中：地下三层，平面尺寸为124.40mx54.90m，地下二、三为汽车库，地下一为商业用房；地上16层，平面尺寸为90.00mx38.60m，地上一、二为商业用房、其他为办公用房。见附图1~6二.设计依据1.基本风压0.45KN/m2(按50年一遇的风压采用)2.基本雪压0.40KN/m2(按50年一遇的雪压采用)3.土壤冻结深度80cm4.地震设防烈度8度(设计基本地面加速度为0.20g,设计地震分组为第一组)5.工程地质,根据（建设综合勘察研究设计院）2002年7月所作中关村大河庄苑《岩土工程勘察报告》可知：(1)地基土层分部由上至下分别为：1杂填土层，11素填土层，2新近沉积粉质粘土层，3粘质粉土层，4粉质粘土层，5粘质粉土层6粉质粘土层，7卵石粉细砂互层，8粉质粘土层，9粘土层，10粉质粘土层，11卵石层，12粉质粘土层，13卵石层，(2)结论和建议a.各层土天然地基承载力标准值fka如下：地层名称承载力标准值fk（kPa）2新近沉积粉质粘土803粘质粉土层1404粉质粘土层1405粉质粘土层1606卵石粉细砂互层2407粉质粘土层1808粘土层2009粉质粘土层20010卵石层35011粉质粘土层22012卵石层400b.场地土类型为中软场地土，建筑场地类别为III类c.办公楼天然地基土承载力难以满足设计要求。另外，因6层卵石粉细砂互层在场区内分布不均，于场区东北部缺失，将对建筑物沉降产生不利影响。因此，基础设计时，应充分考虑地基土的不均匀性产生的差异沉降对建筑物的影响。综合以上因素，建议对建筑物地基进行处理以提高其承载力，同时减小建筑物的不均匀沉降。地基处理建议采用CFG桩复合地基方案.但设计经过计算认为采用天然地基基础能满足设计要求，为此要求业主对地基是否要进行处理进行专家论证会.经过专家论证认为采用天然地基基础完全满足设计要求。为此为业主节约400多万元地基处理费三.结构设计标准建筑安全等级为二级建筑抗震设防类别为丙类建筑抗震等级：剪力墙：一级框架：一级本建筑结构设计使用年限为50年四.结构设计1.地下结构地下为三层,柱网为8.4mx8.4m,层高为3.4m+3.4m+5.1m,底板考虑受力及防水要求采用板式筏板基础，筏板厚为1200mm,柱冲切不够时，利用建筑地面厚度向上做柱帽。地下楼板经过方案比较认为采用井字梁较为合理，主梁断面400x600;次梁断面300mmx500mm;板厚：地下二、三顶板厚为150mm;地下一层顶板厚取200mm;地下柱：上部有主体结构部分柱为：1100mmx1100mm；仅有地下部分的柱为：800mmx800mm,外墙厚为350mm,中心楼电梯间筒体墙厚为400mm。地下结构采用C40混凝土，底板及外墙均采用防水混凝土，抗渗等级要求2.0Mpa。2.上部结构选型：本工程结构根据不同的建筑使用功能要求及抗震设计的要求,经方案优化，认为采用框架剪力墙结构较为合理，力争做到既安全又经济的目的，现分别简述如下：本建筑地上部结构平面尺寸为84.00mx33.60m,16层，地面上总高为60m,柱网为8.4mX8.4m,采用钢筋混凝框架剪力墙结构，地上一~五层：框架柱为1000mmx1000mm,剪力墙厚为400mm,地上一框架梁为400X600mm;地上二~五框架梁400x500mm,地上六~十层：框架柱为800mmx800mm,剪力墙厚为350mm,框架梁为400X500mm；地上十~十六层：框架柱为600mmx600mm,剪力墙厚为300mm,框架梁为400X500mm。地上一~六层混凝土采用C40；地上七~十一层混凝土采用C35；其它层混凝土采用C30。地上各层楼板均采用8.4mX8.4m（BDF高强薄壁管）现浇钢筋混凝土空心楼盖,空心板厚为250mm,由于平面尺较长，再考虑建筑配置，设缝较为困难，因此结构不设缝，但要采取构造措施和施工措施减少温度和混凝土收缩对结构的影响，详见新技术采用部分。五.结构计算本工程选用中国建筑科学研究院编制的《高层建筑结构空间有限元分析软件》（墙元模型）SATWE(2002年1月)进行计算；基础选用中国建筑科学研究院编制《JCCAD》基础计算软件进行计算，对于筏基分别采用倒楼盖和弹性地基进行计算。另外对于复杂的大跨度异型板分别采用SATWE复杂楼板有限元分析与设计(slabCAD)软件及STAAD/Pro(结构设计分析软件)对其进行复杂楼板有限元分析。现将主要结构的计算结果汇总如下表：周期:转角平动系数扭转系数1.411489.661.000.001.2035166.870.060.920.83250.210.940.060.338630.850.090.910.320291.370.990.01T1/Tt=1.2035/1.4114=0.850.22310.130.950.050.16799.550.090.910.146990.581.000.000.11520.150.930.07各阵型作用下X，Y方向的基底剪力阵型号X向剪力knY向剪力kn11.5134352.9222464.7655.82354389.650.584862.75159.1459.6720317.47617216.250.027194.970.918.0.225713.2394666.020.02结构整体稳定验算结果X向刚重比Ejd/GH2=24.41Y向刚重比Ejd/GH2=9.09该结构的刚重比大于1.4，能够通过高规5.4.4的整体稳定验算；同时刚重比大于2.7，可不考虑重力二阶效应。剪重比各楼层的剪重比均大于抗规5.2.5条要求：最小剪重比3.2%有效质量系数X方向的有效质量系数99.01%；Y方向的有效质量系数99.50%层间位移控制X向最大层间位移角:1/1869(第13层）；Y向最大层间位移角:1/1038(第17层）;最大层间位移与平均位移比控制(在考虑偶然偏心地震力作用下）各楼层最大层间位移与平均位移比均小于1.2符合高规4.3.5条要求框架柱地震倾覆弯矩百分比柱倾覆弯矩墙倾覆弯矩框架柱地震倾覆弯矩百分比X向地震221936.93336626.26.24%Y向地震354412.02320386.513.25%均小于50%所以框架柱的抗震等级应按框架---剪力墙结构中的框架考虑由以上计算结果来分析，结构的刚度合理，其它均符合现行有关规范的要求，说明所选结构体系及配置是合理的。六.建筑新技术、新材料采用1.楼盖体系的合理选择：高层公共建筑体系的混凝土楼盖结构通常的形式为梁板和实心平板，目前业主往往需要大开间、大柱网和大空间灵活隔墙，为了多出使用面积，将层高降低，以及便于今后使用功能的变更等等，传统的梁板和实心板结构已不能很好的适应这种需求，为了适应这种要求，近年来国家建设部推广的现浇钢筋混凝土空心楼盖应用技术填补了传统结构不足，且整体的综合造价有所降低。它可在传通的建筑结构形式中，将空心薄壁圆管（BDF高强薄壁管）埋入实心板内，并按一定方向排列、现场浇注成型，使原实心平板变成空心板。这样以来不仅减轻了结构自重，节省了混凝土用量；同时也增加了楼层刚度,有效防止楼板裂缝的出现，由于楼盖自重减少，这样以来框架梁柱的断面及基础就可相应的减小，使有效空间充分利用；另外这种楼盖的隔音、隔热、保温性能均优于实心板；这种结构抗震性能良好，由于楼盖自重降低，使地震力减小，这不仅对基础设计有利，而且对结构抗震更为有利，同时也可降低工程造价，还可加快施工进度。因此本设计采用250厚的“BDF”高强薄壁管现浇钢筋混凝土空心楼盖，另外作者撰写了《试论现浇砼空心板在双向板中的应用问题》一文，将刊登在《建筑结构》（已录用），主要论述了在双向板中如何布管对结构受力有利等问题目前工程建设标准化协会与工国建筑科学研究院正在编写《现浇混凝土空心楼盖结构技术规程》2).超长钢筋混凝土不设永久缝的构造措施和施工措施为了今后业主使用方便，结合建筑配置要求：本建筑物不设永久伸缩缝，采取以下构造措施和施工措施来减少温度和混凝土收缩对结构的影响a对顶层、底层、山墙和纵墙端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率；b顶层加强保温隔热措施；c每隔30m～40m间距留出施工后浇带，带宽为800mm～1000mm，钢筋采用搭接接头，后浇带混凝土宜在两个月后浇灌；d采用收缩小的水泥、减少水泥用量、在混凝土中加入适量的外加剂；e提高每层楼板的构造配筋率；f在顶层屋面板采用了现浇钢筋混凝土整体梁板体系，并辅以部分无粘结预应力筋，以有效地控制温度应力引起的结构裂缝的产生及发展。另外作者撰写了《试论采用预应力筋解决超长钢筋混凝土结构》一问将刊登在《建筑结构》（已录用），七.特殊要求的结构处理1.按《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001）要求工程地下防水级为二级，设防要求必须为两道，其中有一道为钢筋混凝土结构自防水；第二道为建筑柔性防水;2.为解决地下结构防水要求及大体积混凝土收缩问题，需在地下结构混凝土中参入一定量的外加剂，以提高混凝土的密实度和在混凝土中建立了自应力（压力），以抵抗水泥水化热及其他因素引起的收缩拉力;另外在基础长度每隔30～40m留一道贯通顶板、底板及墙板的施工后浇带，带宽不小于800mm，后浇带处底板及外墙处采用附加防水层，后浇带混凝土在其两侧混凝土浇灌完毕两个月后再用高一强度等级的混凝土浇灌;3.高层建筑与地下车库之间不设永久缝，采取以下技术措施以减少高层与地下车库间沉降差：a.适当扩大高层基础底面积，以减少基底单位面积上的压力；尽可能减少车库基底面积，以加大基底单位面积上的压力；b.在高层与车库间设置后浇带，后浇带宜设在车库一侧，后浇带的浇灌时间宜在高层主体结构完工以后;c结构设计必须验算高层与地下车库间沉降差，并考虑两者的沉降差对结构的不利影响，如加强连接处梁板的配筋等；4.关于钢筋混凝土大跨度板裂缝的预防措施为了预防大跨度板块裂缝的发生，设计将在现浇钢筋混凝土空心板中放置一些预应力钢筋代替普通钢筋，一方面提高楼板的刚度，另一方面预防裂缝的出现。5.关于钢筋混凝土大跨度悬挑梁裂缝的预防措施为了预防大跨度悬挑梁裂缝的发生，设计将在现浇钢筋混凝土悬挑梁中放置一些预应力钢筋代替普通钢筋，一方面提高悬挑梁的刚度，另一方面预防裂缝的出现。八.结语本程通过在构造措施上采用,新材料、新工艺,技术减少温度荷载对超长结构造成的不利影响；对楼盖体系进行了系统的分析，并从中优选出适合本工程的楼盖体系；同时就一些特殊构造问题进行了论述，这就要求结构工程师通过概念设计合理的选择结构体系，同时充分利用概念设计处理一些特殊问题，力争做到即安全又经济的设计理念。通过本工程的设计，作者将概念设计始终贯穿到设计的各个阶段。本工程经北京市建筑设计研究总院审图中心专家们的严格审查，肯定了我们在结构选型、抗震设计参数、抗震等级、分析计算及有关特殊问题的构造处理措施，目前本工程施工已基本完成，得到业主好评。谢谢大家