农业科技研发中心结构设计

摘　要　农业科技研发中心工程地下2层，地上分为主楼和裙楼两部分，主楼地上26层、主体高度97.450m、框架－核心筒结构，裙楼地上4层、主体高度20.450m、框架结构。主裙楼地上部分设变形缝，地下连为一体，在主裙楼连接处采用了一种新型的连接方式－Y形分叉柱。本文重点介绍了主楼结构地震动计算参数的确定和主要计算指标、主楼裙楼基础连为一体的设计、Y形分叉柱的设计等内容。工程已投入使用，一些设计做法可作为类似工程的参考。

关键词　结构设计；主楼；裙楼；结构分析；基础；Y形分叉柱

1　建筑概况

河北省农林科学院农业科技研发中心为河北省农林科学院的标志性建筑。该工程北临石家庄东西向主干道——裕华路，西临南北向干道——谈固大街。总建筑面积42150m2，其中地下建筑面积7150m2、地上建筑面积35000m2。

工程地上26层、地下2层，建筑高度97.450m。建筑防火等级一级，地下室防水等级一级。建筑设计使用年限50年。

本工程首次施工图设计完成于2003年7月，由于特殊原因未能施工。2004年底投资方改变，2005年2月完成第二次施工图设计，2006年6月主体封顶。

建筑主要用途：地下室为车库及设备用房（其中地下2层为六级人防物资掩蔽）；首层至4层为商业；5～10层为农科院办公用房；11～26层为办公用房；26层以上为电梯机房和水箱间。建筑效果图见图1，首层及标准层见图2和图3。

图1 建筑效果图

图2 首层建筑平面

图3 标准层建筑平面

2　结构设计

2.1　自然条件

抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组。场地土类型为中软场地土，建筑场地类别为Ⅲ类，场地属于相对稳定地段，为可进行建设的一般场地。地下水埋深40m左右，标准冻深0.6m。自上而下场地土层构成见表1。基本风压0.35kN／m2，基本雪压0.30kN／m2。

表1 土层构成

2.2　变形缝的设置

建筑外形上看属于大底盘单塔偏置，如裙楼与主楼之间不设缝，则属于抗震不利的结构体型，必须采取裙楼抗震等级与主楼一致、裙房顶及上下层必须加强等特殊的抗震措施，势必造成工程造价的提高。为了降低工程造价并简化工程计算，经过分析研究，决定地上部分主楼和裙楼以变形缝（防震缝、温度缝双缝合一）分开。本工程地上部分设缝后有以下好处：①主裙楼分开后，高低两部分体系明确，体型相对规则，有利于抗震概念设计；②分开后裙房采用框架结构、抗震等级三级即可满足要求，结构造价明显降低，为开发商尽可能地降低投资成本。

地下室主裙楼之间分缝后会带来以下问题：①由于侧限要求变形缝处需采用双墙，造价提高；②双墙对地下建筑使用功能影响较大；③双墙处防水处理及填缝处理也极不方便。基于以上问题本工程地下部分不设缝连为一体，使地上两个塔楼有一个稳固的底盘，同时为建筑提供最大的使用空间并解决防水问题。

地下室不设缝结构总长度达86.3m，设计采用设后浇带、加强板配筋、无收缩混凝土等成熟有效的防裂措施，实践证明效果良好。

2.3　主体结构设计

设缝后裙楼为一般框架结构，此处不再赘述，本文仅介绍主楼部分的主体结构设计。

主楼采用框架－核心筒结构体系，安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类。地下2层框架和抗震墙的抗震等级均按三级，地下1层框架和抗震墙的抗震等级均为二级，地上主楼部分框架和抗震墙的抗震等级均为二级。

混凝土强度等级：C45～C30。主要柱尺寸：1200mm×1100mm～800mm×800mm。核心筒墙厚：外墙400～ 350mm、内墙250～200mm。典型标准层的结构布置见图4。

2.3.1　结构地震动计算参数的确定

2003年6月，建设方委托中国地震局分析预报中心石家庄市地震安全性评价管理所对本工程场地进行了地震安全性评价。安全性评价报告主要结论如下：

（1）场地20m以上土层等效剪切波速＜200m／s，为《建筑抗震设计规范》GB50011－2001，场地土类型为中硬，为Ⅲ类。

（2）场地设计地震动参数见表2。

而根据文献第5.1.2、第5.1.4条确定的地震动参数见表3。

表2 场地设计地震动参数

注：PGA——地表加速度峰值；αmax——水平地震影响系数最大值；Tg——反应谱特征周期。

表3 规范确定的地震动参数

对比表2、表3可以看出：两种方法得到的参数有所差别，应进行对比分析，使计算所选用的参数不失安全性并能满足规范要求。设计采用对比多遇地震下地震影响系数α值大小的方法来确定使用哪一套地震动参数。

按照文献计算公式，按表2确定的水平地震影响系数α1＝0.0184，按表3确定的水平地震影响系数α2＝0.0176。由于α1＞α2，所以本工程采用地震安全性评价报告所提供的参数对主楼进行多遇地震下的CQC法和时程分析法的振动分析。

2.3.2　主楼SATWE主要计算指标

考虑扭转影响的主要计算结果见表4、表5。

表4 振型指标

表5 位移指标

首层地震作用剪重比为1.71%＞1.60%。可见周期、层间位移、位移比等均未超过正常范围，结构侧向刚度控制略微偏柔，但主要扭转指标和变形指标均在规范允许范围内。考虑到再增加剪力墙厚度和数量均已经比较困难，故实际设计采用此计算结果。

主楼框架－核心筒各层框架柱的地震剪力按《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3－2002第8.1.4条进行了调整。主楼地上其他设计内容均为常规的框架－核心筒设计内容。

2.4　基础

主裙楼基础均采用肋梁式筏板基础，天然地基，持力层为6层中砂层，基础设计等级为甲级。

本工程主楼范围为轴8至轴11，其他均为地上4层地下2层（轴12至轴14无地下室）的裙房。为了尽量降低主楼筏板的基底压力，主楼筏板向两侧裙楼各延伸一跨，即轴7至轴12按主楼筏板，其他为裙楼筏板。基础剖面见图5。为使主楼有更好的侧限及稳定性，设计取主楼筏板深于裙楼筏板。

图5 基础剖面示意

筏板计算采用PKPM系列的JCCAD模块。从安全方面考虑，主楼筏板配筋按两种情况进行：①主楼筏板范围取轴7至轴12；②主楼筏板范围取轴8至轴11。计算结果取两种情况的大值，以充分考虑主楼筏板裙房侧延伸部分对筏板配筋产生的影响。

沉降后浇带设在主楼筏板两侧的裙楼跨内，由于主楼筏板已经向裙房侧延伸一跨，故后浇带的位置与地基规范的设置要求是一致的。采用JCCAD弹性地基梁法计算的完全柔性沉降图见图6。石家庄市区类似高度的最大沉降一般在20～30mm，图6最大沉降31mm，与经验值相符合。实际观测结果也与计算基本相符。

图6 完全柔性基础沉降

2.5　主裙楼连接处Y形分叉柱的设计

主裙楼地上分缝地下不分缝，主裙楼交接处地下一般做法是主裙楼的框架柱各自落到基础，本工程采取了一种比较新颖的做法——Y形分叉柱，即地下部分双柱合一、地上分为常规的主楼柱和裙楼柱，使地下部分的空间得到充分利用。

Y形分叉柱的使用有效增大了建筑地下使用净尺寸。常规的双柱落地柱子边到边尺寸为700＋150＋1100＝1950（mm），Y形分叉柱的地下室柱高为1350mm，即Y形分叉柱使用后比常规地下室柱间净距增加600mm，这个数值对建筑车道及其他房间的布置还是很可观的。

Y形分叉柱可按图7来确定尺寸（确定尺寸时可暂不考虑弯矩仅考虑竖向荷载作用）。图中：N1为主楼框架柱地上竖向荷载，N2为裙楼框架柱地上竖向荷载，N为主楼和裙楼框架柱地上竖向荷载的合力，L为分叉柱地下部分的柱尺寸。

L的确定：为简化计算，确定L时不考虑柱底弯矩及柱周围梁端内力作用，这样只要保证合力N的作用点和L的中点重合即可。

Y形分叉柱连接体的配筋：连接体的受力特点实际上跟《混凝土结构设计规范》GB50010－2002第10.8节的牛腿很相似，只是多了梁端和柱底的弯矩作用。整体电算时程序不能考虑牛腿的作用，可按刚性梁来处理（图8），这样电算对Y形分叉柱的地下室柱的内力传递是符合实际情况的。连接体需要按牛腿另外进行复核，此时需要将各种内力全部考虑，为了能运用规范的牛腿配筋公式并考虑弯矩的作用，计算时将弯矩折算为偏心距，比较方便地解决了公式与实际情况存在的差别问题。

图7 Y形分叉柱思路

图8 Y形分叉柱电算思路

对Y形分叉柱的连接体部分另外用ANSYS进行了有限元分析，连接体的第一主应力计算结果见图9、图10。图11为Y形分叉柱的节点示意。图12为施工完的Y形分叉柱地下和地上部分。

图9 ANSYS分析结果1

图10 ANSYS分析结果2

图11 Y形分叉柱节点详图

图12 施工完的Y形分叉柱

3　结 语

（1）在高层建筑结构设计中，结构方案选择至关重要。方案选择应重视概念设计，应从受力简单、体型规则、结构刚度和抗震能力、整体性四个方面综合考虑确定结构方案，同时兼顾施工简单性和造价经济性等其他因素。本工程地上主裙楼之间设缝、地下不设缝的做法是切实可行的。

（2）本工程首层主裙楼变形缝处采用了Y形分叉柱，实践证明其使用效果良好，可在其他类似工程中推广应用。由于设计时计算条件所限且为第一次设计Y形分叉柱，故只能采取放大配筋的方法来保证其安全度。条件许可时，应采用合适的有限元程序进行应力校核。