某城市政府机关办公大楼工程结构设计

某城市政府机关办公大楼工程结构设计通过洛阳市某政府机关办公共大楼的结构设计，对高层框架——剪力墙结构的基础方案选取、结构计算、设计构造等方面进行了讨论，并提出了设计中的一些体会和建议。

标签：结构设计；筏板基础；框架—剪力墙1 工程概况办公大楼建筑总高84.30米，总长180.3米（高层主体长130.2米，宽22.8米），总建筑面积62390平方米。

大楼地上21层，其中一层为架空停车场，可停车126辆，二层为入口大厅，三层以上为政府办公用房。

群楼为会议用房，设400人大型报告厅2个，200人会议厅2个，容纳80人的电视电话会议厅和200平方米的贵宾接待厅各一个。

大楼设地下室一层，为后勤服务及设备用房。

大楼二层及标准层平面图见图一、图二。

2 地基基础设计场地工程地质条件：根据岩土工程勘察报告，场地地形基本平坦，相对高差1.20米，场地地貌为洛河一级阶地。

建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s。

建设场地及附近地段不存在全新活动断裂带及滑坡、崩塌、泥石流、震陷等不良地质作用，场地地基也不存在地震液化土层，场地稳定，适宜建筑。

场地表层为耕土及杂填土，下部土层自上而下分为：黄土状粉土及黄土状粉质粘土，可塑，为新近堆积土，具中-高压缩性，偶具湿陷性，层厚2.5-5.1米，层面埋深0.2-1.5米。

卵石及中粗砂，稍湿，稍密。

卵石次圆状、次棱角状，直径3-5cm，含量50-60%，有泥沙填充，厚0-2.6m，呈透镜体状，主要分布在场区中部；中粗砂浑圆中等，较为均一，厚0-1.2m，呈透镜体状，主要分布在场区东部。

该层层面埋深2.8-5.6米。

卵石，呈次圆状、次棱角状，分选中等，直径一般3-7cm，含量60-80%，有沙砾填充，稍密-中密，在场地内均匀分布，本层含水透水，层面埋深3.8-5.6基础方案选择：高层建筑基础方案和持力层的确定，是整个结构设计的一个重要组成部分，直接关系到投资额度，施工难度和工期，因此应认真研究场地岩土性质和上部结构特点，通过综合技术经济比较确定。

根据以上工程地质情况，该场地地基为均匀地基，承载力高，埋深适中，且无软弱夹层，是较好的地基持力层。

主楼采用框架-剪力墙结构，基础埋深6.50m，经试算基底压力约为380Kpa，以第③-2层卵石层为筏板基础持力层，承载力特征值为550Kpa，经深度修正后的地基承载力特征值为1025 Kpa，可满足天然地基的设计要求。

由于主楼结构为框架-剪力墙结构，上部结构层数较多，剪力墙相对较少，且轴网尺寸较大，故底层剪力墙和框架柱的竖向荷载较大，如采用板式筏板基础，通过试算为满足冲切计算要求，混凝土强度为C40时筏板厚度约为2米，且筏板顶部受力钢筋较大。

因此在确定基础方案时，本着安全、经济、适用的原则，通过反复的计算比较，决定采用梁式筏板基础（详见插图）。

此种基础形式更适合本工程要求，不仅使基础受力更加明确，并且大大节约了基础的土建投资，加快了施工进度，获得甲方的一致好评。

裙房为五层框架结构，柱下荷载较小，且无地下室，如采用第③-2层卵石层为持力层的柱下独立基础，基础开挖深度约为6.0米，基础土方开挖及边坡支护工程量较大；如采用桩基础，以第③-2层卵石层为桩端持力层则桩长仅有4.5米，不满足最小桩长要求。

如果增加桩长则进入第③-2层卵石层后施工难度很大，工期和安全都很难保证。

经分析比较后采用作业人工挖孔扩底墩基础，墩径800mm，墩长4.5m，以第③-2层卵石层为基础持力层即可满足设计要求。

人工挖孔扩底墩基础把独立基础的设计方法和桩基础人工成孔的施工方法有机的结合起来，综合了桩基和柱下独立基础的工程特点，特别适用于本工程持力层承载力较高但埋置深度相对较深的工程地质情况，且在洛阳地区人工成孔有丰富的施工经验，既能保证施工质量又大大减少了基础土方开挖量，非常适合本工程实际，是一种经济实用的基础形式。

3 上部结构设计3.1 结构选型及断面尺寸初选高层建筑结构设计中应重视结构的选型，择优选用抗震及抗风性能好而经济合理的结构体系和平立面布置方案。

在抗震设计中，应保证结构的整体抗震性能，使整个结构有足够的承载力,刚度和延性。

该建筑层数较多，高达85.8m，抗震设防烈度为7度，而且因为本建筑物为一综合性建筑，使用要求大空间及灵活隔断，所以决定采用框架——剪力墙结构剪力墙尽量均匀设置于建筑物四周和中部楼电梯处，以便剪力墙布置基本均衡，减少偏心。

剪力墙从下到上厚度由300~200mm, 剪力墙在框架——剪力墙体系中受力大，又是主要的抗侧力构件，为使剪力墙避免平面外挠屈，应采取一定措施。

试验证明，设置边缘构件的剪力墙与矩形截面的剪力墙相比，极限承载力约提高40%,极限层间位移角可增加一倍，耗能能力增大20%左右，且有利于剪力墙的稳定性，因此抗震规范和混凝土规范中规定“一，二级抗震等级的剪力墙，其截面的端部应设置暗柱，端柱或翼缘。

”本工程结合建筑功能要求，在剪力墙的断部设置了暗柱，端柱；并在楼层处设有暗梁。

框架柱的断面尺寸主要由柱的轴压比控制，本工程柱的轴压比均控制在0.8以下，最大处为0.76。

由于标准层主要为办公用房，层高较低，因此在中间一部分层出现短柱，在这些层的柱箍筋沿柱全长加密。

柱截面，混凝土强度等级见表1。

为避免刚度突变，各种变化相互错开。

框架梁也是主要的受力构件，本工程主要为办公用房，楼面使用荷载不大，断面高度控制在L/12~L/14之间，并结合门窗高度统一考虑。

对于局部地方为了满足其它专业要求，梁断面较小，跨高比较大处，断面尽量作宽，并进行了裂缝和挠度验算。

为了保证楼板可靠传递水平荷载，使计算模型符合结构计算软件PKPM及预埋管线的要求，最小板厚取100mm。

3.2 结构计算分析本工程抗震设防烈度为7度，框架,剪力墙抗震等级均为二级。

按照高规的要求，基本风压按100年重现期的风压值取0.45Mpa。

高层建筑由水平荷载控制，除满足承载力要求外，还必须满足顶点水平位移和层间位移的要求。

对此，《高规》中作了详细的规定，本工程采用了中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部开发的多高层建筑结构分析程序PKPM-SATWE 进行内力及位移分析。

选取考虑偶然偏心及刚性楼板假定时建筑物前三个自震周期见表1，建筑物位移见表3。

从表中可以看出，第一，二，三周期均在经验公式范围之间：T1=(0.08~0.12)n,T2=(1/3~1/5)T1,T3=(1/5~1/7)T1(式中：n建筑物层数)，且以扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期纸比不大于0.9，说明建筑物的刚度比较适当。

从表中可以看出，顶点水平位移与层间位移均能满足规范要求。

计算完成后对结果进行了分析，框架柱，剪力墙的轴力设计值均为压力，大部分为构造配筋，梁除了局部存在截面抗剪，抗扭不满足要求外，基本上无超筋。

因此可以认为计算结果正常，可以用于工程设计。

3.3 结构计算中的一些问题(1)高层建筑结构底部固定端的选取。

就高层建筑而言，基础大多数为箱形基础或筏形基础地下室结构。

对于箱形基础，因其内墙多，刚度大，上部结构固定端可选于箱基顶板，但对于筏形基础地下室，应根据“高层规程”第5.3.7条规定，由地下室与上部结构的侧向刚度比是否大于2来确定固定端的位置。

对本工程而言，地下一层为后勤用房和设备用房，纵横墙较多，试算结果地下室与上部结构的侧向刚度比大于2，因此将固定端取在地下室顶板处。

(2)关于楼板开洞过大的问题。

现今高层建筑结构的计算程序，几乎都假定楼板刚度无限大作为计算的依据，结构设计必须创造条件，满足刚度无限大的假定。

如果在楼板上开洞，不管开洞面积多大，不管断多少根梁，现有的计算程序仍按楼面刚度无限大的假定给出计算结果，有时会导致严重后果。

本工程二层入门大厅位置，由于建筑要求设置中庭，设三层共享空间，于一层顶板处开了一个14×26m左右的洞。

开洞以后，必须考虑楼板变形对计算结果的影响。

本工程楼板开洞用概念设计的办法解决。

关于楼板变形的影响，无非是造成各榀抗侧力构件剪力分配上的差异。

具体到本工程，由于中间开了一个洞，楼板变形的结果造成中部抗侧力构件所分配剪力的增加，边上的减少。

因此我们将一层中间部位竖向构件（墙，柱）采取加强措施。

同时将旁边未开洞处楼板适当加厚，采用双层配筋，以利于传递水平力。

(3)梁断负弯矩调幅系数的选取。

为满足强柱弱梁的抗震要求，也为了减少梁端负钢筋的数量，便于施工，竖向荷载作用下梁端负弯矩调幅系数取0.85，梁端负钢筋严格按计算结果配置，不随意加大，否则将可能不满足强柱弱梁的抗震要求，对抗震不利。

(4)周期折减系数的选取。

结构电算中，只有梁，柱，剪力墙参与了结构的刚度计算，以此来求得结构的自振周期，再进一步计算地震作用。

实际上，框架结构，框架——剪力墙结构常有刚度很大的填充墙，使其实际刚度远大于计算刚度，实际周期比计算周期短。

如果不考虑这一因素，计算出的地震力小于实际值，偏于不安全；因此计算地震作用之前，必须考虑填充墙刚度对周期的影响，对计算周期予以折减。

根据本工程的结构类型和填充墙的数量，计算时取折减系数为0.85。

参考文献［1］建筑抗震设计规范GB50011-2001［M］.北京：中国建筑工业出版社，2001.［2］混凝土结构设计规范GBJ50010-2002［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002.［3］钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程JGJ3-2002［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002.。