河北航空大厦工程结构设计

摘　要　本文详细阐述了河北航空大厦工程结构设计，包括地基基础设计、结构设计、主楼框架－双核心筒结构体系的设计、计算分析以及工程中新材料、新技术应用。

关键词　地基基础设计；结构设计；框架－双核心筒结构；时程分析

1　工程概况

河北航空城基地航空大厦项目，建设地点位于石家庄市友谊北大街东侧，石津灌渠北侧，由主楼、东、西配楼及地下车库组成。工程总建筑面积约10万m2，其中地上建筑面积约7.6万m2，地下建筑面积约2.4万m2，主楼地上31层，地下2层，大屋面高度为125.5m，总高度为138.6m；东、西配楼地上7层，地下2层，结构高度为30.7m；东西配楼之间为两层地下车库，地下室连为整体。大厦为集办公、餐饮、会议等为一身的综合楼，地下两层为设备用房及汽车库，首层为门厅、办公楼大堂，11层、21层为避难层，22层为职工餐厅。建筑效果图见图1。

图1 建筑效果图

本工程于2010年12月完成施工图设计并开工建设，现已竣工。

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。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13个工程地质层及1个亚层，基底以下各土层的分布规律及岩性特征见表1，桩基设计参数见表2。

表1 土层分布和岩性特征

表2 桩基设计参数一览表

本场地地下55m内未见地下水，可不考虑地下水的影响；场地液化判定为非液化场地；拟建场地地形平坦，未发现影响工程稳定的不良地质作用，属可进行建设的一般场地，场地稳定，适宜建筑。

2.2　地基基础设计

本工程由主楼、配楼及地下车库组成，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。

根据上部结构荷载分布特征结合地质情况，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确定基础方案为：

主楼基底标高为－14.100m，基础持力层为土层⑦层细砂，采用钻孔灌注桩＋筏板，筏板厚度2400mm；桩直径为ϕ800，桩长为19.600m，桩端持力层为土层○11层卵石，其地基承载力特征值为fak＝250kPa，桩端进入持力层3.0～5.0m，灌注桩采用后注浆技术，其承载力特征值为4500kN。

配楼基底标高为－13.600m，基础持力层为土层⑦层细砂，为天然地基，基础形式为梁板式筏板基础，与CFG桩复合地基＋独立基础方案相比，为甲方大大缩短了施工周期；车库基底标高为－12.400m，基础持力层为土层⑥层粉土，采用天然地基，基础形式为柱下钢筋混凝土独立基础。

为减少主楼与配楼及车库楼间的基础差异沉降采取如下措施：在主配楼及配楼和车库相连接处设置沉降后浇带，通过沉降观测实测数据和沉降趋势确定后浇带浇灌时间；在施工图设计阶段采取“抗”的方法，对后浇带浇注后主裙楼沉降差产生的内力进行计算，提高结构设计的抵抗能力。

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。

地震作用：抗震设防烈度7度，地震加速度值0.1g，所属设计地震分组为第二组。

主楼结构安全等级二级，乙类建筑，抗震措施按8度考虑。东西配楼结构安全等级二级，丙类建筑，抗震措施按7度考虑。

场地土类型属中软场地土，场地类别属Ⅱ类场地，建筑抗震地段属可进行建设的一般场地；抗震墙抗震等级为特一级，框架抗震等级为一级；地基基础设计等级为甲级。

基本风压：主楼0.40kN／m2，东西配楼0.35kN／m2。基本雪压：0.30kN／m2。地面粗糙度为B类，标准冻深0.6m。±0.00相当于绝对标高81.200m，室内外高差为1.0m。

楼面主要活荷载标准值：办公室、会议室取2.0kN／m2；客房取2.0kN／m2；活动中心3.5kN／m2；多功能厅取3.5kN／m2；餐厅取2.5kN／m2；厨房取4.0kN／m2；走廊、门厅取2.5kN／m2；设备机房、电梯机房取7.0kN／m2；地下车库取4.0kN／m2。

3.2　结构体系

主楼和配楼及地下车库自基础以上分开，主配楼之间设双墙，缝宽300mm内填中粗砂，配楼和地下车库连为整体。图2、图3分别为主楼二层平面布置图和标准层平面布置图。

图2 二层平面布置图

主楼主体结构采用现浇钢筋混凝土框架－双核心筒结构体系，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。在楼、电梯间交通核部位布置抗震墙，为减小扭转效应在6轴、13轴处设四道剪力墙，钢筋混凝土核心筒作为主要抗侧力结构体系，外围框架作为抗震第二道防线，形成双重抗侧力结构体系。两个核心筒均为矩形，平面尺寸均为21.55m×10.0m，核心筒短轴方向宽度为10.0m，其高宽比125.55／10.0＝12.6，不满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3中内筒高宽比不宜大于12的要求，按规范规定当筒体结构设置剪力墙增强结构整体刚度时，核心筒的宽度可适当减小。

图3 标准层平面布置图

主楼竖向构件上下连续贯通，二层由于南北两侧门厅垂拔高度的要求，部分楼板缺失呈哑铃型，且有效楼板宽度为13.6m，小于该层楼面宽度的50%，属平面不规则。

配楼主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，设少量抗震墙。

3.3　构件截面尺寸及强度等级

核心筒是本工程主要抗侧力结构构件，承担主要的水平荷载，核心筒外墙底层厚度为600mm，自下而上其厚度变阶三次分别为500mm，450mm，350mm；筒体内墙厚度为400mm，300mm，250mm不等。底层框架角柱及中柱截面分别为1200mm×1200mm，1100mm×1100mm，上部各层分段减少至900mm× 900mm，800mm×800mm。现浇混凝土核心筒墙体、框架柱的强度等级由C60沿竖向分四次变化至C30见表3，与构件截面变化相协调，使结构竖向刚度均匀、连续无突变。

表3 构件混凝土强度等级

楼板：地下室顶板厚180mm，一般楼层板厚为100～110mm，局部板厚120mm，140mm，屋顶板厚140mm。在刚度变化大的楼层处，加大板厚，加强楼板刚度，如楼梯间，楼板厚度取120mm。

3.4　结构计算分析及论证

计算软件和计算模型

本工程结构的整体计算分析采用中国建筑科学研究院编制的2010年版《多层及高层建筑结构三维分析与设计软件》SATWE及国际通用设计软件ETABS进行上部结构电算。楼板整体平面内无限刚。

主要计算参数：

（1）抗震设防烈度为7度，场地类型为Ⅱ，结构阻尼比取0.05。

（2）分别采用振型分解反应谱法和时程分析法计算结构响应，各振型贡献按CQC组合。

（3）采用与实际情况相符的模型进行整体分析。

（4）弹性时程分析所取地面运动最大加速度为35gal，选取1条人工波、2条自然波进行地震加速度时程分析，3条波的波形如图4：

人工波选取程序提供地震加速度时程（电算名称RH4TG040），天然波1：ANDREANOFISLANDS地震加速度时程（电算名称TH3TG040），天然波2：PCOALINGAEARTHQUAKE地震加速度时程（电算名称TH4TG040）。

图4 波形图

反应谱法计算结果及分析：

计算得到的前3阶模态的振动周期结果列于表4，从表中可见，扭转周期比满足要求，有效质量系数满足要求。反应谱法计算得到的结构最大响应位移结果列于表5，从表中可见，层间位移角以及位移比均满足要求。地震作用下结构的层剪力沿竖向的分布情况见图5，由图可见，结构的层剪力沿竖向分布无明显突变，满足规范要求。

结构相对抗侧刚度（等效剪切刚度）沿高度的分布如图6，刚度比满足要求。

表4 结构振动周期

表5 反应谱法计算的结构最大位移

图5 主方向最大楼层剪力曲线

图6 主方向相对侧移刚度

时程法计算结果及比较与分析，时程法计算得到的最大层间位移角结果列于表6，从表中可见，时程法计算的位移值略小于反应谱法的计算值。

整体结构时程法计算得到的计算结果见图7至图10，从图中可见，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，3条时程曲线计算所得结构底部剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。时程法计算结果与反映谱法计算结果基本吻合，且略小于反应谱法计算结果，符合设计标准的有关要求。

建筑结构抗震性能化设计计算结果及分析：

采用设防地震的地震作用，设防地震的加速度为7度（0.10g），设防地震的地震影响系数最大值采用0.23，中震地震响应计算结果见表7。

表6 时程分析法计算的结构最大位移

图7 结构位移曲线对比

图8 结构层间位移角曲线对比

图9 结构楼层剪力曲线对比

图10 结构楼层弯矩曲线对比

表7 中震地震响应计算结果

由以上计算结果可知各项计算指标均符合规范要求。