领秀城二期商业·办公楼结构设计

摘　要　领秀城二期商业·办公楼工程由1＃、2＃、3＃、4＃框架－剪力墙结构塔楼、纯框架结构裙房A、B、C及三层地下室组成，本文阐述了该工程的地基基础设计及结构设计，着重介绍了2＃和3＃塔楼双塔连体结构的设计、计算分析、节点构造以及工程中新材料、新技术应用。

关键词　地基基础设计；结构设计；双塔连体结构；时程分析

1　工程概况

河北广垣嘉和房地产开发有限公司“领秀城二期商业·办公楼”项目位于石家庄市中山东路北侧，谈固西街与谈固大街之间。本工程为一大型商业综合体，集商业、餐饮、超市、办公楼、宾馆等于一体，地下2层、地下3层主要为各专业的设备用房及地下停车库，地下1层为2.0万m2的大型超市，地上1～5层为商业综合部分（4层为餐饮，5层为健身中心），6层以上分别为1＃酒店及2＃、3＃、4＃三个办公塔楼。总建筑面积约为22.8万m2。地下以变形缝分为三部分，地上以变形缝分为六部分。结构分区示意图见图1，建筑效果图见图2。本工程抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第二组；场地土为中硬土，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期值Tg＝0.40s。在多遇地震作用下结构阻尼比取0.05。

图1 分区示意图

图2 建筑效果图

2　地基基础设计

2.1　工程地质概况

石家庄市位于太行山山前倾斜平原，以滹沱河冲、洪积扇（右扇）为主体，西依低山丘陵。地面坡降西部较陡，向东、东南逐渐平缓。本场地位于石家庄市区东部，为旧村改造项目，原有村民住宅已拆迁，局部填土较厚，现已平整。本次勘察揭露55.0m深度范围内除1层杂填土外，以第四系冲洪积地层为主，根据其岩性及物理力学性质，自上而下分为12层，基底以下各土层的分布规律及岩性特征见表1。

表1 土层分布和岩性特征

据勘察及区域构造地质资料，无不良地质作用，场地稳定，适宜建筑。本场地55m深度内未见地下水位，地下水埋藏较深，对建筑无直接影响；场地属对建筑抗震有利地段。可不考虑地基土的地震液化问题；地基均匀性评价为不均匀地基。

2.2　地基基础设计

本工程由主楼、裙房及外围地下室组成，地下3层，北侧裙房地下3层、地下2层、地下1层均有。因北侧距离33层的一期住宅楼较近，北侧基础不宜再向北出挑。由于各部分之间层数、重量差异较大，这将导致建筑产生不均匀沉降。如何减少不均匀沉降对基础底板及上部结构的不利影响，既能够满足地基的承载力和建筑物容许变形要求，并具有较好的经济性，是地基基础设计的关键。

综合考虑保证结构安全、经济性、缩短施工周期及减小施工难度等各方面因素后，决定主裙楼各部分基础均采用筏形基础，各部分基础连为一体。主楼采用复合地基方案：1＃～4＃主楼处理后复合地基承载力特征值分别为1＃：fspk≥540kPa，2＃：fspk≥500kPa，3＃：fspk≥550kPa，4＃：fspk≥560kPa，桩端持力层不浅于10层中粗砂。裙楼采用天然地基。在主裙楼相连接处均设置施工后浇带，在主楼封顶后通过沉降观测实测数据和沉降趋势确定后浇带浇灌时间；在施工图设计时对主裙楼沉降差产生的内力进行计算，加强主裙楼相连处配筋，提高结构设计的抵抗能力。

主楼计算最大沉降量为1＃：26mm，2＃：25mm，3＃：28mm，4＃：29mm，裙楼为13～15mm，无沉降突变。

3　结构设计

3.1　结构设计基本概况

本工程结构设计基准期为50年，设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级，建筑抗震设防类别为乙类，地基基础设计等级为甲级。

基本风压值为0.40kN／m2（100年一遇），地面粗糙度为C类。

楼面主要活荷载标准值：办公室取2.0kN／m2；普通卫生间取2.0kN／m2；走廊、电梯厅、餐饮取2.5kN／m2；商业、疏散楼梯取3.5kN／m2；停车库、厨房、健身中心取4.0kN／m2；设备机房、电梯机房取7.0kN／m2；上人屋面取2.0kN／m2；非上人屋面取0.7kN／m2（其余未说明的均按规范或实际情况取值）。

3.2　结构体系

本工程整体体形复杂，建筑平面尺寸287.4m×82.2m，大底盘上4个塔楼（其中2＃、3＃塔楼为连体），主群楼关系复杂。因东西向尺寸过长，地下设两道缝将整个结构分为三部分，南北向不设缝，留设沉降后浇带及施工后浇带。地上按主群楼关系以伸缩缝及抗震缝将整个结构分为六部分，另留设沉降后浇带及施工后浇带。

地上各部分概况见表2。

表2 地上各部分概况表

1＃主楼、2＃和3＃主楼、4＃主楼平面布置图分别见图3至图9。

图3 1＃主楼二层平面布置图

图4 1＃主楼标准层平面布置图

1＃～4＃主楼主体结构均采用现浇钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系，属A级高度钢筋混凝土高层建筑。楼盖体系为现浇梁板结构。钢筋混凝土剪力墙作为主要抗侧力结构体系，框架作为抗震第二道防线，形成双重抗侧力结构体系。

图5 2＃、3＃主楼十九层平面布置图

图6 2＃、3＃主楼标准层平面布置图

图7 2＃、3＃主楼二层平面布置图

图8 4＃主楼二层平面布置图

图9 4＃主楼标准层平面布置图

1＃主楼竖向构件上下连续贯通，在2层有局部挑空，但开洞面积为本层面积的14%（不大于相应楼层面积的30%，小于楼面宽度的一半）且有效楼板宽度为14.3m（不小于5m），楼板连续无错层。主裙楼相连其刚度中心与质量中心的偏心距各层均不大于15%，但裙楼位置偏上布置其突出尺寸大于相应边长的30%，为平面凹凸不规则。

2＃、3＃塔楼6层以下为一体，7～18层分为两个塔楼，19～22层为连体，连体采用钢桁架，23～24层为双塔。

4＃主楼平面及竖向均为规则结构。

3.3　主要构件断面

筒体及剪力墙是本工程主要抗侧力结构构件，承担主要的水平荷载，筒体外墙底层厚度为400mm，厚度变阶一次为300mm，内墙300mm，200mm不等；剪力墙厚度为600mm，500mm，400mm不等。底层框架中柱及边柱截面分别为1200mm×1200mm，1000mm×1100mm，上部各层分段减少至1100mm× 1100mm，900mm×900mm，800mm×800mm。现浇混凝土剪力墙的强度等级由C40变化至C30，框架柱的强度等级由C60沿竖向分三次变化至C30，与构件截面变化相协调，使结构竖向刚度均匀、连续无突变。

3.4　1＃、4＃主楼结构计算分析

1＃、4＃主楼计算程序采用“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE（墙元模型）”进行结构分析，计算采用扭转耦联振型分解法，并考虑双向地震作用和P－Δ效应，结构嵌固在基础顶面。表3为结构考虑扭转耦联时的振动周期（s）、X及Y方向的平动系数、扭转系数。表4为结构考虑偶然偏心的X及Y方向的最大层间位移角、位移比、框架柱最大轴压比、底层框架柱承担倾覆力矩比、剪重比等。

表3 1＃、4＃楼考虑扭转耦联时的结构振动周期

结构设计地震力振型组合数取36个，表3列出前T1～T6。第一振型为Y向平动，第二振型为X向平动，第三振型为扭转，结果显示框架－剪力墙结构体系具有较好的抗侧刚度。

通过计算，X及Y方向楼层侧移刚度与上一层侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者Ratx1，Raty1均大于1.0；X方向最小楼层抗剪承载力本层与上一层之比1＃、4＃主楼分别为0.91和0.90，Y方向最小楼层抗剪承载力本层与上一层之比1＃、4＃主楼分别为0.91和0.91。1＃、4＃主楼结构侧移刚度沿竖向规则。

表4 1＃、4＃楼考虑扭转耦联时的位移及剪重比

3.5　2＃、3＃主楼结构计算分析

2＃、3＃主楼采用SATWE（墙元模型）计算分析，主体结构采用GSSAP进行补充计算，并采用弹性时程分析法及弹塑性静力分析法进行了补充计算。

现将2＃、3＃主楼SATWE计算分析结果和弹性时程分析结果分别介绍如下。

3.5.1　SATWE计算分析结果

该工程计算程序采用“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE（墙元模型）”进行结构分析，计算采用扭转耦联振型分解法，并考虑双向地震作用和P－Δ效应，结构嵌固在基础顶面。表5为结构考虑扭转耦联时的振动周期（s）、X及Y方向的平动系数、扭转系数。表6为结构考虑偶然偏心的X及 Y方向的最大层间位移角、位移比、框架柱最大轴压比、底层框架柱承担倾覆力矩比、剪重比等。

表5 2＃、3＃楼考虑扭转耦联时的结构振动周期

表6 2＃、3＃楼考虑扭转耦联时的结构位移及剪重比

结构设计地震力振型组合数取36个，表5列出前T1～T9。第一振型为Y向平动，第二振型为X向平动，第七振型为扭转，结果显示框架－剪力墙体系具有较好的抗侧刚度。

通过计算，X及Y方向楼层侧移刚度与上一层侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者Ratx1，Raty1均大于1.0；X方向最小楼层抗剪承载力本层与上一层之比值为0.74，Y方向最小楼层抗剪承载力本层与上一层之比值为0.87。结构侧移刚度沿竖向1项不规则。

经过建筑结构通用分析和设计软件GSSAP复核计算，结构主要振型、周期、位移角等指标均与以上结果相近，结构采用不同力学模型分析对比，结构分析计算结果合理、有效。表7列出GSSAP复核计算的振动周期（s）、X及Y方向的平动系数、扭转系数等部分指标。

表7 2＃、3＃楼GSSAP计算的结构振动周期及位移

3.5.2　弹性动力时程分析

本工程2＃、3＃主楼弹性动力时程分析采用PKPM程序内置的场地特征周期值Tg＝0.40s的一组人工地震波RH2TG040和两组实测地震波TH3TG040（1971年5月25日在USNAVALBASE，ADAK，ALASKA台站测得的ANDREANOFISLANDS地震）、TH4TG040（1983年5月2日在PARKFIELDVINEYARDCAN⁃ YON台站测得的PCOALINGAEARTHQUAKE地震）进行结构分析。波形图为人工波RH2TG040、实测波TH3TG040、实测波TH4TG040，时间间距为0.02s，见图10。

图10 波形图

弹性时程分析结果也表明，塔楼结构无明显的软弱层，竖向刚度均匀，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，3条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。图11、图12为时程分析位移和楼层剪力曲线。

弹性动力时程分析法计算结果与振型分解反应谱法计算结果基本吻合。设计与分析结果表明，该结构体系具有较好的抗侧力、抗扭转刚度，利于扩大建筑空间的使用、布置，是高层建筑结构比较经济、合理、可行的一种结构体系。

图11 时程分析位移

图12 楼层剪力曲线

4　结构措施及新技术应用

4.1　主楼和裙房连为整体

主楼和裙房连为整体，施工图设计采取主楼CFG桩复合地基而裙房天然地基调平措施有效控制沉降差异，采用整体计算模型并考虑上部结构刚度进行地基基础变形和承载力计算。

4.2　2＃和3＃主楼连体设计

2＃和3＃主楼在6层以下为一体，7～18层分为两个塔楼，19～22层为连体，23～24层为双塔。设计中6层整层楼板厚150mm，板钢筋拉通0.25%，上下层整层板厚120mm，板钢筋隔一拉一；6层裙楼屋面处梁加强，主裙楼相连处柱纵筋提高最小配筋率，柱箍筋在裙楼屋面上下层全高加密。

连体采用钢桁架，为解决连体处结构侧移刚度及抗剪承载力突变问题，在连体下层加四道钢斜撑以提高抗侧刚度，连体下层加大剪力墙配筋率以提高抗剪承载力。连体钢桁架与主体结构刚性连接。钢桁架下弦为1200×500×38×50焊接工字钢，上弦为800×400×24×30焊接工字钢，腹杆为500×400×30×30焊接工字钢，钢桁架上下弦及连体各层钢框架梁均延伸至核心筒或伸过连体一跨。F轴、H轴钢桁架及斜撑立面如图13。

图13 F轴、H轴钢桁架及斜撑立面图

4.3　高强混凝土和扁梁应用

柱混凝土强度等级由C60渐变至C30，并在设计中错开墙柱的断面和混凝土强度等级变化，以避免刚度的突变。

为适应建筑要求在标准层采用宽扁梁，其断面为1＃主楼550mm×650mm（9.0m跨）、2＃和3＃主楼700mm×600mm（8.0m跨）、4＃主楼600mm×550mm（8.0m跨），在高度限制条件下满足各专业及甲方综合要求。