栾城农业园生态观光中心结构设计

摘　要　本文详细阐述了栾城农业园生态观光中心结构设计，包括地基基础设计、主体结构设计、计算分析以及工程中新材料、新技术应用。本工程结构存在平面和竖向不规则、大跨度大荷载托柱转换结构等多项抗震不利因素；结构设计采用多种计算模型假定和计算程序对其进行反复分析和研究，并采用有针对性的抗震优化设计及抗震措施。

关键词　平面和竖向不规则；大跨托柱转换结构；矩形型钢混凝土柱；弹塑性时程分析

1　工程概况

栾城农业园生态观光中心，地址位于栾城县冶南线以北，太行大街以东。工程总建筑面积约7.2万m2，地上3层，主体高度18.4m（自室外地坪算起）。建筑物为弧线型，长度约400m，宽度约300m，且体型复杂，层层收进。屋面覆土绿化，覆土最薄处600mm。建筑首层平面见图1。工程建筑功能为生态观光、购物、餐饮、休闲娱乐。建筑效果图见图2。

图1 建筑首层平面图

图2 建筑效果图

2　地基基础设计

2.1　工程地质概况

石家庄市地处太行山东麓，市区为滹沱河山前洪水冲积造成的倾斜平原，基底岩层以上有较厚的第四纪覆盖层，场地地表相对高差1.06m，地形较平坦。根据本工程岩土工程勘察报告，依据场地地层时代、成因类型、岩性特征及物理力学性质等，将勘察孔控制深度内地基土划分为6个工程地质层，2个地质亚层，基地以下各土层的分布规律及岩性特征见表1。

表1 土层的分布规律及岩性特征

在本次勘察深度范围内未见到地下水，可不考虑地下水的影响；可不考虑地基土的地震液化问题；场地稳定性评价的结论为本场地属基本稳定场地，湿陷性评价本场地按I级非自重湿陷性场地设计，场地内未发现其他不良地质作用，适宜建筑；地基均匀性评价的结论为地基主要受力层内各层位、厚度比较均匀，变性参数差异不大，综合判定属均匀地基。

2.2　地基基础设计

本工程同一结构单元中各部位层数、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。

根据上部结构荷载分布特征结合地质情况，在施工图阶段对地基基础方案进行比选。

方案一：采用天然地基，基础形式采用柱下独立基础、柱下条形基础；独立基础尺寸控制在6m以内，超过6m作条形基础，基础梁高1500mm，混凝土强度等级为C30。

方案二：地基采用夯实水泥土桩复合地基，基础形式采用柱下独立基础、柱下条形基础；坡道挡土墙下采用墙下条形基础。

方案三：地基采用低强度素混凝土桩（CFG桩）复合地基，基础形式采用柱下独立基础、柱下条形基础；坡道挡土墙下采用墙下条形基础。

结合当地工程的设计经验，经过技术、经济、施工周期和施工难度等方面的深入比较，采用天然地基柱底沉降不宜平衡且基础承载力较低，大部分基础均为柱下条形基础，经济性差；因此采用CFG桩复合地基方案，处理后复合地基承载力特征值fspk≥350KPa、Es≥28MPa，地基处理深度应进入第5层粉质黏土。

计算最大沉降量为26mm，沉降差满足规范要求。

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丙类，地基基础设计等级为丙级，结构重要性系数为1.0。本工程抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.10g；场地类别为Ⅲ类，场地特征周期值Tg＝0.55s。建筑抗震设防类别为丙类。在多遇地震作用下结构阻尼比取0.05。

基本风压值ωo＝0.35kN／m2（50年一遇），地面粗糙度为B类。楼面主要活荷载标准值：商业、餐饮、观光中心大厅取7.0kN／m2；设备机房、电梯机房取7.0kN／m2。

3.2　结构体系

由于建筑物为弧线型（平面投影近似呈R型），长度约400m，宽度约300m且体型复杂，层层收进；结合建筑功能布局将主体划分为15个结构单元（分区），使之变为相对简单规则的结构形体，使结构抗震性能及经济更趋于合理。分区见图3。

本工程框架柱网为8～11m，其中结构分区3由于建筑功能要求首层为多功能厅等大空间，形成一个短向跨度22.5m的托柱转换结构，上托2层边跨分层内收的种植屋面。转换层采用型钢混凝土柱和转换钢梁，钢梁与周圈型钢混凝土边梁连接。转换层以上在转换钢梁上起钢管混凝土柱，梁采用钢梁；楼板均采用非组合型楼板。该分区2层、3层、屋顶结构布置平面分别见图4至图6。

图4 2层结构布置平面图

图3 分区示意图

图5 3层结构布置平面图

图6 屋顶结构平面图

另外小型会议中心形成3个短向跨度为16～20m的种植屋盖，该屋面结构为混凝土井字梁结构，上覆土厚度0.6～2.5m。

3.3　主要构件断面

框架柱典型尺寸为600mm×600mm～900mm×900mm，框架梁1200mm×900mm，500mm×800mm。第3分区结构构件典型尺寸为型钢混凝土转换柱1100mm×1400mm，钢结构托柱转换梁为双H1650×900×50×50，次梁采用H1300×500×40×40，周边支座梁采用型钢混凝土梁，尺寸为750×1950（H1650×300×20×30）。

3.4　结构计算分析

本工程除采用SATWE（墙元模型）计算分析外，并对大跨度转换部位构件采用广厦建筑结构CAD 16.0网络版及midasBuilding结构大师进行复核计算，计算考虑竖向地震的作用。

SATWE计算分析结果如下：

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。以下结果均取分区3结果，分区3计算模型见图7。

表2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3为结构位移及剪重比。

图7 分区3整体计算模型

表2 考虑扭转耦联时的结构振动周期

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，楼层抗剪承载力本层与上一层之比均大于1.0。结构侧移刚度沿竖向规则。

表3 考虑扭转耦联时的结构位移及剪重比

经过广厦复核计算，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4列出广厦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4 复核计算的振动周期

4　结构措施及新技术应用

4.1　结构单元长度超规范要求

本工程设置分区单元后，仍然超过规范限值长度，分区单元长度为40～110m。当分区超长时（大于混凝土规范所要求长度），采取如下措施：①施工时应设连续式膨胀加强带，加强带采用高一强度等级混凝土。②在各楼层处端跨设置拉通筋及屋面处设置通长拉通筋。③进行温度变形计算，提高楼板配筋率。

4.2　大跨度托柱转换结构

转换部位主要典型节点如图8至图13。

图8 周边型钢混凝土梁

图9 钢次梁与型钢混凝土梁连接

图10 型钢混凝土转换柱

图11 型钢混凝土柱内型钢

图12 型钢混凝土转换柱与型钢转换梁连接（一）

图13 型钢混凝土转换柱与型钢转换梁连接（二）

4.3　采用高强钢筋

梁采用HRB500钢筋；板、柱、墙、基础均采用HRB400钢筋。

5　结 语

本工程虽为多层建筑，但平面体型非常不规则，竖向构件亦存在不连续，且具有大跨度、重荷载的特点；局部应用了混合结构的结构形式。设计中根据需要和结构特点，采用了多种计算软件进行了结构弹性、弹塑性分析计算，计算结果表明，结构设计安全可靠。