天津滨海王相大厦结构设计

摘　要　天津滨海王相大厦是一座综合性的超高层建筑。基础设计采用了桩筏基础，沉降满足规范要求。上部结构采用了框架－核心筒结构。通过调整构件截面，使结构两个方向的刚度基本均匀。结构分析表明，结构的周期、位移以及承载力均满足规范要求。同时总结了结构设计中采取的构造措施，可供类似工程参考。

关键词　超高层建筑；基础设计；抗震设计；框架－核心筒结构；时称分析；构造措施

1　工程概况

天津滨海王相大厦工程位于天津市滨海新区响锣湾商务区内，横康路以南，万顺北道以北，迎宾大道以东，滨河西路以西。整个基地大体为长方形，场地地势较平坦。近期滨河西路将开通，周边其他规划道路尚未完成，市政配套基本到位，环境良好，交通便捷。

1.1　设计规模

总用地面积为0.8437万m2，总建筑面积8.123万m2，建筑地上为33层，地下2层，主体高度127.900m。裙楼5层，裙楼顶标高24.300m。主体平面呈椭圆形，长轴长度约75.100m，短轴长度约30.865m。建筑外立面见图1建筑效果图，剖面见图2。

图1 建筑效果图

图2 剖面图

1.2　平面设计

建筑各层平面功能布局分别为：地下1层、地下2层为停车库及设备用房，地下2层部分为甲类防空地下室，防常规武器、核武器抗力级别均为5级，二等人员掩蔽；地上1～2层为商务中心，地上3层和4层为中西餐厅及健身中心，5层为会议中心用房；6层、20层均为避难层兼屋顶绿化平台，7～23层为商务办公用房，24～33层为酒店式公寓，大屋面布置了楼梯、电梯机房、水箱间、风机房等。裙房结构平面图见图3，标准层结构平面图见图4。

图3 裙房结构平面图

图4 标准层结构平面图

1.3　场地条件

基本风压值为0.60kN／m2（100年），地面粗糙度为B类，基本雪压值为0.35kN／m2。稳定地下水位标高在大沽高程0.61～1.02m，场地标高在1.46～2.02m，平均标高约为1.70m。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组，场地土类型属软弱土，场地土类别III类，根据天津市科维防灾研究所提供的《天津市王相大厦工程场地地震反应分析报告》，多遇地震下场地特征周期为0.52s。

建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，建筑抗震设防类别为丙类，框架抗震等级为二级，核心筒抗震等级为二级。地震作用按抗震设防烈度7度的要求，按抗震设防烈度8度采取抗震构造措施。

2　地基基础设计

2.1　工程地质概况

根据《天津市塘沽区王相大厦岩土工程勘察报告》（2007年8月3日），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7个工程地质层，各土层的分布规律及岩性特征见表1。场地埋深16m以内的地层以软弱土为主，地下室底位于33层淤泥状黏土，地基承载力特征值为70kPa，天然地基条件较差。

表1 土层的分布规律及岩性特征

2.2　地基基础设计

本工程由主楼、裙房及外围纯地下室组成，结合本工程特点，基础方案采用桩筏基础，桩型采用钻孔灌注桩。基础布置见图5。

图5 基础平面图

在地下与主楼相连的四个方向均布置了两层的纯地下室，作为设备用房、辅助用房和地下停车库。因此，在进行地基基础设计时，需考虑到纯地下部分与主体结构部分建筑高度、层数以及荷载等存在极大差异。

由于地下水位标高很高，考虑到施工、建筑防水及使用功能等多方面的要求，所以地下室未设置永久沉降缝。为了减小沉降差异的影响，在主体结构和纯地下部分之间设置环形后浇带，后浇带宽度为800mm，将主楼筏板和纯地下室筏板完全分开，并要求后浇带在主楼封顶后浇注。由于地下水浮力较大，部分纯地下室荷载不能完全抵消水浮力，地基变形向上，所以在纯地下部分设置抗拔桩。

另外，考虑到框架－核心筒结构体系、框架结构体系都对地基差异沉降比较敏感，因此在确定筏板厚度时，为加强整体结构的刚度和整体性，确定纯地下室筏板厚度为1.0m，高层部分筏板厚度为2.5m，以环形沉降后浇带分开。地下室长107.155m，宽71.625m，两方向均超过规范限值，所以在中间再设两道施工后浇带，同时加强筏板通长配筋。

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甲级。

根据天津市科维防灾研究所提供的《天津市王相大厦工程场地地震反应分析报告》（2007年8月3日）以及《建筑抗震设计规范》GB50011，抗震设防烈度7度，场地土类型为软弱土，场地类别为Ⅲ类。设计基本地震加速度值为0.15g（第一组），场地特征周期为0.52s，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。

基本风压值为0.60kN／m2（100年一遇），地面粗糙度为C类。

设计中采用的活荷载标准值及其准永久值系数见表2。

表2 活荷载标准值及其准永久值系数

3.2　结构体系

本工程主体高度127.90m，结构体系采用具有多道抗震防线的框架－核心筒体系，接近规范规定A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度限制130m。结构主体总高度127.900m，高宽比为4.28，小于7，抗震墙最大间距43.50m，小于50m，均满足规范要求；建筑及其抗侧力结构平面布置规则，质量与刚度分布基本均匀，减少了地震作用下的扭转效应，结构在两个主轴方向的动力特性基本接近，楼板连续、无大洞，具有良好的整体性；建筑结构竖向抗侧力构件基本连续无突变，结构竖向布置规则，结构侧向刚度变化均匀，楼层承载力无突变，避免了结构薄弱部位的形成；抗震设计中严格遵守“强柱、弱梁、强剪、弱弯、更强节点”的原则。注重概念设计，重视结构的选型和平、立面布置的规则性，加强构造措施，保证结构的整体抗震性能，使整个结构具有必要的承载能力、刚度和延性。

结构体系采用钢筋混凝土框架－核心筒结构，核心筒贯通建筑物全高。结构布置时，结合建筑功能分区及使用空间的要求，利用交通核，在楼、电梯间等部位布置抗震墙，形成刚度较大的核心筒，为结构提供很好的抗水平力刚度，提高其抵抗地震作用和风荷载的能力。由于本工程平面形式不利于抗震，短向平面尺寸较窄，为了加强该方向抗侧移刚度，结合建筑功能要求在核心筒周围横向对称布置四片抗震墙，满足规范对位移的要求。

本工程楼屋盖采用现浇钢筋砼梁板结构，为了加强结构的整体性，对刚度突变部位（如首层楼板、裙楼顶板及主楼大屋顶），楼板适当加厚，目的是提高楼盖的承载力和整体刚度，以保证地震作用的有效传递。由于本工程地震力较大，在地上6层至大屋面核心筒周边的局部框架梁，采用型钢混凝土，以改善抗震性能。

3.3　构件截面尺寸及混凝土强度等级

现浇楼板：地下室顶板厚180mm，无上部结构部分顶板厚250mm。一般楼层板厚为100mm，核心筒内楼板板厚120mm，裙房顶板厚150mm，裙房顶上下相邻楼层板厚120mm，屋顶板厚150mm。

抗震墙及框架梁柱，沿高度改变截面尺寸和砼强度等级时，二者至少错开一层。主要抗震墙厚度550mm分段收至300mm，框架柱1300mm×1400mm分段收至850mm×850mm，框架梁主要尺寸地下室为400mm×800mm，地上1～5层主要为400mm×700mm，标准层主要为400mm×700mm，600mm×700mm。混凝土强度等级见表3。

表3 混凝土强度等级

3.4　结构分析

本工程采用钢筋混凝土框架－核心筒结构体系，属于超高层建筑，因此，在进行结构计算和分析时采用了两种不同计算模型的分析软件进行结构整体计算和分析：

（1）高层建筑结构空间有限元分析设计软件SATWE（墙元模型）。

（2）复杂空间结构分析与设计软件PMSAP（有限元模型）。

两种软件的计算结果基本相符，其周期、位移以及地震作用效应等主要指标均能满足规范要求。周期、位移和位移比结果分别介绍如下：

3.4.1　SATWE计算分析结果

计算结果见表4、表5。计算采用扭转耦联振型分解法，并考虑双向地震作用，结构设计地震力振型组合数取30个，表4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－核心筒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，楼层抗剪承载力本层与上一层之比均大于0.90。结构侧移刚度沿竖向规则。

表4 周期计算结果

表5 主要计算结果

经过复杂空间结构分析与设计软件PMSAP（有限元模型）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6列出PMSAP复核计算的振动周期、X方向及Y方向的平动系数、扭转系数等部分指标。

表6 PMSAP主要计算结果

续表

3.4.2　弹性动力时程分析

根据《天津市王相大厦工程场地地震反应分析报告》，选取两组实际地震波和一组人工波，采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，从弹性时程分析结果图6至图8可以看出，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%，三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%。其平均地震影响系数与振型分解反应谱法的地震影响系数曲线基本相符，剪力、弯矩等位移地震效应大致相近均满足规范要求。

图6 主方向最大楼层位移曲线

图7 主方向最大楼层剪力曲线

图8 主方向最大楼层弯矩曲线

4　结构构造措施

本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，场地土类别Ⅲ类，地震作用按抗震设防烈度7度的要求，按抗震设防烈度8度采取抗震构造措施，所以框架和核心筒均按抗震等级一级采取抗震构造措施。

（1）框架柱构造措施。由于框架柱截面较大，为保证框架柱的延性，对轴压比较大的柱全高采用直径不小于12的井字复合箍筋，全高加密，间距不大于100mm，对框架柱的混凝土起到一定的约束作用，从而使框架柱具备更好的延性和塑性变形能力。对角柱、短柱、底部加强区端柱、洞口边端柱全高箍筋加密。

（2）框架梁构造措施。在标准层由于核心筒刚度很大，导致框架梁与核心筒相连一端负弯矩过大，截面相对较小负筋超筋。分析其弯矩包络图可以发现，与核心筒相连一端负弯矩峰值虽然很大，但其衰减非常快，所以结合核心筒两侧为走廊的特点，仅在走廊宽度范围内加宽框架梁（图9），使其满足要求，避免了整垮梁加宽增加荷载对结构的不利影响和对建筑使用功能的不利影响。

图9 框架梁局部加宽构造做法

（3）核心筒剪力墙构造措施。在核心筒剪力墙设计上采取的措施有：底部加强区从基础顶至裙房顶向上延伸一层；约束边缘构件沿墙肢的长度取墙肢截面高度的1／4，且约束边缘构件范围内全部采用箍筋；对短梁、高连梁设斜向交叉筋；核心筒抗震墙顶设置边框梁等。

（4）现浇板构造措施.在设计楼板时，在保证结构平面整体性的同时尽可能地减小板厚，以减轻楼板自重，除必须加强部位外的所有楼板均取100mm厚。楼板在竖向荷载作用下同时由于受到剪力墙的约束，楼板外角可能产生斜裂缝，为防止这类裂缝出现，在外框架和筒外墙之间四角设置双层双向钢筋，配筋率大于等于0.3%，同时也使外框架和核心筒之间的联系得到加强。

（5）填充墙构造措施.对于非结构构件采取抗震构造措施，沿填充墙全长设贯通拉筋；填充墙长度大于5.0m时，墙顶部与梁应有拉结措施；当填充墙高度大于4m，在半层高或门洞口上皮标高处加圈梁一道等。

5　结 语

（1）带纯地下室的高层建筑地下部分无缝设计时可采取多种措施相结合，以解决沉降差和结构超长问题。

（2）选择合理的结构形式和结构布置对于整个设计过程起到至关重要的作用。

（3）有效的构造设计可以使结构布置更加合理，在保证安全的前提下，满足经济、实用的要求从而创造良好的经济效益和社会效益。