商业综合体结构设计

摘　要　金正海悦天地是一座特大型商业综合体。A座基础设计采用灌注桩－筏板基础，B座、C座、D座、E座、F座基础设计采用筏板基础（CFG桩地基处理），商业裙房基础设计采用筏板基础（天然地基）。A座上部结构采用筒中筒结构，B座、C座、D座、E座上部结构采用框架－剪力墙结构，F座上部结构采用框架－核心筒结构，商业裙房上部结构采用框架结构。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；试桩；抗震设计；筒中筒结构；构造措施

1　工程概况

金正海悦天地工程位于石家庄市桥西区，裕华路与中华大街交口的西南角。是集商业、餐饮、商务办公、宾馆、写字楼、休闲娱乐为一体的综合性建筑。建筑群由整体地下3层、整体地上5层、6层以上由A座、B座、C座、D座、E座、F六栋高层建筑组成。建筑效果图见图1。

图1 建筑效果图

1.1　设计规模

总用地面积为3.55万m2，总建筑面积34.07万m2。

A座建筑面积1.28万m2。地上为38层，地下3层，主体高度149.95m，直升机悬停平台及装饰构架顶高度165.95m。裙楼7层，裙楼顶标高32.20m。主楼平面呈正方形，边长45.3m。剖面见图2。

B座地上为13层，地下3层，主体高度54.15m，塔楼顶高度59.45m；C座地上为18层，地下3层，主体高度95.15m，塔楼顶高度100.95m；D座地上为13层，地下3层，主体高度54.15m，塔楼顶高度59.45m；E座地上为18层，地下3层，主体高度95.15m，塔楼顶高度100.95m；F座地上为18层，地下3层，主体高度98.80m，塔楼顶高度109.8m。

1.2　平面设计

A座建筑各层平面功能布局分别为：地下1层为商业用房；地下2层、3层为停车库及设备用房，其中地下3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6级二等人员掩蔽；地上1～4层为商业用房；5层为影院，6层为技术用房；7层为洗浴、健身用房；8层为厨房、餐厅、健身用房；9～14层为酒店客房；15层、30层均为避难层及设备用房；16～38层为商务办公用房；大屋面布置了楼、电梯机房、水箱间、直升机救援悬停平台、城市观景平台等。主楼与裙房在地下1层以上设置变形缝分开。三层结构平面图见图3，标准层结构平面图见图4。

B座、C座、D座、E座、F座建筑各层平面功能布局分别为：地下1层为商业；地下2层、3层为停车库及设备用房，地上1～5层为商业，其中4层设置长河水系；6层为办公用房；7层及7层以上为LOFT公寓；大屋面布置了楼、电梯机房、水箱间等。

1.3　场地条件

基本风压值为0.4kN／m2（100年），地面粗糙度为C类，基本雪压值为0.30kN／m2。地下水位在地面40m以下。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组第一组，中硬场地土，场地土类别Ⅲ类，多遇地震作用下场地特征周期0.40s。

图2 剖面图

图3 三层结构平面图

图4 标准层结构平面图

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，A座主楼内外筒剪力墙、框架抗震等级为二级；B座、D座主楼剪力墙抗震等级为二级，框架抗震等级为三级；C座、E座主楼剪力墙、框架柱抗震等级为二级；F座主楼核心筒抗震等级为二级，框架抗震等级为二级；裙房框架抗震等级为二级。地震作用按抗震设防烈度7度设防，抗震构造措施按抗震设防烈度7度采取。

2　地基基础设计

2.1　工程地质概况

根据河北建筑设计研究院有限责任公司提供的《金正威尼斯城（东里村旧城改造A区）岩土工程勘察报告》（2009年4月），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10个工程地质层，各土层的分布规律、岩性特征见表1。

表1 土层分布及岩性特征

2.2　地基基础设计

本工程由六座主楼、裙房及外围纯地下室组成，结合本工程特点，A座主楼基础设计采用桩－筏板基础，桩型采用旋挖成孔灌注桩；B座、C座、D座、E座、F座基础设计采用筏板基础，CFG桩地基处理；裙房基础设计采用筏板基础，天然地基。

A座在地下的东、南、北三个方向均布置了三层的纯地下建筑。因此，在进行地基基础设计时，需考虑到纯地下部分与主楼主体部分；西侧裙房与主楼主体部分，建筑高度、层数以及荷载等存在极大差异。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，在主楼主体结构和纯地下部分之间、西侧裙房与主楼主体部分之间设置环形沉降后浇带，后浇带宽度为800mm，将主楼筏板和地下室、裙房筏板完全分开，见图5，并要求后浇带在主楼封顶后浇注。西侧裙房与纯地下室之间设置沉降后浇，要求后浇带在裙房封顶后浇注。西侧裙房与B座、C座主楼主体部分之间设置沉降后浇带，要求后浇带在B座、C座主楼主体部分封顶后浇注。其余超长处设置施工后浇带。后浇带均贯通至较低部分顶层。

图5 基础后浇带示意图

考虑到筒中筒结构体系、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A座主楼筏板厚2.5m，主楼相邻跨过渡筏板板厚1.2m，裙房和纯地下室筏板厚0.7～0.6m。主楼主体环形后浇带设置在过渡筏板跨内，用过渡筏板抵抗沉降后浇带封闭后的差异沉降。所有沉降后浇带跨加强筏板通长配筋，筏板采用C40抗渗混凝土。

A座主楼桩布置采用的是与上部荷载位置对应的非均匀布桩，内筒上部荷载最大，内筒及周边布桩最密，中间8根框架柱柱下梅花型布桩，外框架筒桩布成环带。安全储备桩布置在外环带。这样上部荷载传力直接，减小了筏板的不均匀荷载传递。安全储备桩更好的解决了上部水平荷载引起的边桩受压问题。（图6）

通过勘察报告桩基参数计算桩承载力，设计桩长须30m，进入8层土砾砂层10m左右，先期试桩成孔时，旋挖成孔只能基底下22m，即进入8层土砾砂层2m左右。用22m桩长进行静载试验破坏性试验，高出30m桩长计算承载力预估值1.4倍后由于设备原因停止加载。实际工程桩采用了22m桩长，承载力采用30m桩长计算承载力值1.3倍作为单桩承载力。并取消了工程桩静载试验中的锚桩。

图6 桩布置图

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。

根据河北建筑设计研究院有限责任公司提供的《金正威尼斯城（东里村旧城改造A区）岩土工程勘察报告》（2009年4月）以及《建筑抗震设计规范》GB50011－2001，抗震设防烈度7度，场地土类型为中硬土，场地类别为Ⅲ类。设计基本地震加速度值为0.10g（第一组），场地特征周期为0.40s。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ω0＝0.40kN／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装修荷载标准值见表2。

表2 活荷载标准值

3.2　结构体系

A座主体高度149.95m，结构体系采用具有多道抗震防线的筒中筒体系，接近规范规定A级高度钢筋混凝土高层建筑筒体结构的最大适用高度150m。结构主体总高度、高宽比、抗震墙间距均满足规范要求；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。

A座主楼结构体系采用钢筋混凝土筒中筒结构。结合建筑功能分区及使用空间的要求，利用楼、电梯间交通核，设备管井等部位设置了内核心筒，贯通建筑物全高，墙厚自下而上逐渐减小，竖向刚度均匀变化，内筒宽度13.2m，约为高度的1／12。外框架筒采用密柱高梁筒，柱距4.5m，略超4.0m，柱宽沿筒方向不小于0.9，梁高0.9m以上，各层均满足开洞率不大于0.6的要求，下部楼层局部外筒框架柱由于功能要求抽调，设置了转换梁，采用了局部转换。外筒的四角部8～36层设置L型四角剪力墙，8层以下三个角结合楼梯间设置成角筒，一个角设置加长了的L型剪力墙。内外筒之间由于尺寸偏大及对应框架要求，设置了12根内框架柱。内外筒的设置，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。角筒、角墙的设置，加强了结构的角部，提高了抗扭刚度，满足规范对位移的要求。

A座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、主楼大屋顶），楼板适当加厚并双层双向配筋，各层楼盖外角，楼板适当加厚（140mm）并双层双向配筋，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。

3.3　构件截面尺寸及混凝土强度等级

楼板：人防顶板板厚200mm，地下一层地面（双塔连体层）板厚180mm，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120mm，屋顶板厚160mm。

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500mm分段收至300mm，框架柱1200mm×1200mm分段收至900mm×700mm，框架梁尺寸：地下室为400mm× 800mm，地上1～7层主要为400mm×800mm，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

A座主楼采用钢筋混凝土筒中筒结构体系，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同，其周期、位移以及地震作用效应均能满足规范要求。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

结构设计地震力振型组合数取54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，结果显示筒中筒体系具有较好的抗侧刚度。表5考虑扭转耦联时X及Y方向的最大层间位移角、位移比。

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 考虑扭转耦联时的振动周期

表5 考虑扭转耦联时X及Y方向的最大层间位移角、位移比

3.4.2　PMSAP计算分析结果

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（s）、X及Y方向的平动系数、扭转系数等部分指标。

表6 结构的振动周期

3.5　弹性动力时程分析

选取两组实际地震波和一组人共波，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、位移等地震效应大致相近且均满足规范要求。其计算结果分别见图7、图8、图9。

图7 主方向最大楼层位移曲线

图8 主方向最大楼层剪力曲线

图9 主方向最大楼层弯矩曲线

4　结构构造措施

（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12mm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）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：①底部加强区从基础顶至裙房顶向上延伸一层；②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；③对短梁、高连梁设斜向交叉筋；④核心筒抗震墙顶设置边框梁等。

（3）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120mm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0.3%，同时也使外框架和内核心筒之间的联系得到加强。

（4）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；当填充墙高大于4m时，在半层高或门洞口上皮标高处加圈梁一道等。

（5）超长构造措施。此结构东西长300m，在地下一层以下，结合建筑平面和防火分区设置变形缝，且在A区与B区、C区，D区、E区，B区、C区、D区、E区与F区的变形缝处设置双混凝土墙，双墙之间采用填砂处理，以增加地下室的整体刚度。上部长河跨越变形缝处，多道柔性防水连接处理。

5　结 语

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

（2）先期试打桩和桩基静载破坏性试验是确定桩承载力及可行性的关键，是布桩方案的先行条件。

（3）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。

（4）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。