河北报业大厦结构设计

摘　要　本文详细介绍了河北报业大厦工程结构设计，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

河北报业大厦位于石家庄市青园街和裕华东路路口东南角，毗邻河北日报社原办公大楼。工程总建筑面积约7.2万m2，其中地上建筑面积约5.4万m2，地下建筑面积约1.8万m2。工程主楼和裙房连为整体，地下均为2层，主楼部分地上为24层，大屋面高度为99.7m，总高度为109.7m，裙房地上为7层，结构高度为27.8m，首层建筑平面见图1。大厦为集办公、培训、餐饮、新闻工作者俱乐部等为一体的综合楼，地下两层为设备用房及汽车库，首层为门厅，办公楼大堂，2～5层为发行中心、职工餐厅、活动中心，其中5层为多功能厅等，6～23层为会议办公、培训中心客房层，24层为记者俱乐部。建筑实景见图2。

图1 首层建筑平面图

图2 建筑实景图

本工程于2006年9月完成施工图设计并开工建设，现已基本竣工。

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15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。

表1 土层分布和岩性特征

本场地地下水位埋深约48.0m，可不考虑地下水的影响；场地液化判定为非液化场地；场地稳定性评价的结论为本场地处于相对稳定的地带；地基均匀性评价的结论为主楼区建筑地基为不均匀地基，整个建筑场地为不均匀地基。

2.2　地基基础设计

本工程由主楼、裙房及外围地下室组成，主裙楼基础底面均为－12.35m，上部主体和各部分的基础均连为一体。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，在施工图阶段对地基基础方案进行比选。

方案一：主楼部分采用人工挖孔扩底灌注桩＋厚板，筏板厚度2600mm；裙房以及外围地下室框架柱部分采用人工挖孔扩底灌注桩＋独立承台。人工挖孔扩底灌注桩桩身直径主（裙）楼为900mm（1200mm），扩底端直径主（裙）楼为1800mm（2600mm），桩端持力层为12层中砂，桩长约18.5m，混凝土强度等级为C30。

方案二：地基采用低强度素混凝土桩（CFG桩）复合地基，主楼部分采用梁式筏基，筏板厚度1600mm，设置1400mm×2700mm基础梁并局部加厚筏板；裙房以及外围地下室框架柱部分采用独立柱基础（或条基）。

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比较，采用复合地基方案。为减少主楼与群楼间的基础差异沉降并采取如下措施：第一提高主楼部分的复合地基压缩模量和处理深度，处理后复合地基承载力特征值fspk≥450kPa，Es≥30MPa，地基处理深度应进入第12层中砂层；第二裙楼采用较低的复合地基压缩模量和处理深度，处理后复合地基承载力特征值fspk≥280kPa、Es≥18MPa，地基处理深度应进入第10层中砂层；第三在主裙楼相连接处设置施工后浇带，通过沉降观测实测数据和沉降趋势确定后浇带浇灌时间；第四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。

主楼计算最大沉降量为64mm，裙楼独立柱基为45mm，无沉降突变。

实际沉降依据截至2009年12月已基本竣工的沉降观测资料显示，主楼基本沉降趋于稳定，观测点的沉降速率为0.013～0.008mm／日，均在沉降速率稳定性指标范围内。主楼平均沉降量为15.80mm，最大沉降量为21.53mm，最小沉降量为10.16mm，主楼周边沉降点推测倾斜率为0.027%，满足基础倾斜容许值0.2%的要求。裙楼最大沉降量为10.23mm。主楼实测沉降p－t－s曲线如图3。

图3 主楼实测沉降p－t－s曲线

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。

石家庄市地震安全性评价所2006年2月10日提供了“安评报告”，报告结论为：①场址位于华北地震区内的华北平原地震带内的中南部，其主要的地震危险来自于华北平原地震带内的地震活动。②华北平原地震带目前处于地震活动期内的大释放阶段后的应力调整阶段，未来百年的地震活动水平较低。③场地地震动参数为：50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.10g，反应谱特征周期（Tg）0.40s。④根据岩土工程勘察结果，实际建筑场地类型为Ⅱ类，地震动反应谱特征周期（Tg）不调整。⑤建议在设计时严格按提供的地震动参数进行设防，并严把工程质量关。

结合“安评报告”以及《建筑抗震设计规范》GB50011，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Ⅱ类，场地特征周期值Tg＝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。

基本风压值为0.40kN／m2（100年一遇），地面粗糙度为C类。

楼面主要活荷载标准值：办公室、会议室取2.0kN／m2；培训中心客房取2.0kN／m2；发行中心取2.5kN／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（单向板）取4.0kN／m2。

3.2　结构体系

由于建筑功能和建筑立面要求，主楼和裙楼连为一体。图4、图5分别为二层平面布置图和标准层平面布置图。

图4 二层平面布置图

图5 标准层平面布置图

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。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12.4m×10.0m，核心筒短轴方向宽度为10.0m，其高宽比109.7／10.0＝10.97，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。

主楼竖向构件上下连续贯通，在2层有局部挑空，但开洞面积为本层面积的10%（不大于相应楼层面积的30%，小于楼面宽度的一半）且有效楼板宽度为10m（不小于5m），楼板连续无错层。主裙楼相连其刚度中心与质量中心的偏心距各层均不大于15%，但裙楼位置偏左布置其突出尺寸大于相应边长的30%，为平面凹凸不规则。

3.3　主要构件断面

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450mm，自下至上其厚度变阶两次分别为350mm，300mm；筒体内墙厚度为200mm，250mm，300mm不等。底层框架角柱及中柱截面分别为1200mm×1200mm，1000mm×1200mm，上部各层分段减少至1200mm×900mm， 500mm×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，与构件截面变化相协调，使结构竖向刚度均匀、连续无突变。

3.4　结构计算分析

本工程除采用SATWE（墙元模型）计算分析，并进行了弹性时程分析。现将SATWE计算分析结果和时程分析结果分别介绍如下。

3.4.1　计算分析结果

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。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为结构的位移角、位移比及剪重比。

表2 考虑扭转耦联时的结构振动周期

结构设计地震力振型组合数取30个，表2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－双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3 考虑扭转耦联时的结构位移及剪重比

3.4.2　弹性动力时程分析

本工程弹性动力时程分析采用PKPM程序内置的场地特征周期值Tg＝0.40s的一组人工地震波RH1TG040和两组实测地震波TH1TG040（1980年5月27日在CASHBAUGHRANCHMAMMOTHLAKES，CA台站测得的MAMMOTHLAKESAFTERSHOCK，CA地震）、TH2TG040（1980年5月25日在CONVICT CREEKMAMMOTHCAL台站测得的MAMMOTHLAKESAFTERSHOCK，CA地震）进行结构分析。

弹性时程分析结果也表明，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%。弹性动力时程分析法计算结果与振型分解反应谱法计算结果基本吻合。

设计与分析结果表明，该结构体系具有较好的抗侧力、抗扭转刚度，利于扩大建筑空间的使用、布置，是高层建筑结构比较经济、合理、可行的一种结构体系。

4　结构措施及新技术应用

4.1　主楼和裙房连为整体

主楼和裙房连为整体，施工图设计采取CFG桩复合地基调平措施有效控制了沉降差异。为增强双核心筒之间的共同作用，对双筒之间的楼板和框架梁采取加强措施增加其整体协同性能。

4.2　预应力混凝土技术应用

裙楼顶部多功能厅屋面因空间要求，去掉中柱形成大空间。结构采用双向预应力混凝土井字屋面梁。预应力混凝土梁跨度25.2m，断面尺寸为500mm×1200mm，混凝土强度采用C40。预应力筋采用低松弛钢绞线7￠5，钢绞线的强度标准值为1860N／mm2。锚具采用QM15体系。

本工程采用后张法，在梁两端及跨中间隔设置灌浆孔。预应力钢筋布置采用抛物线形布置，其中框架梁采用正反抛物线形布置，次梁采用正抛物线形布置。预应力梁构造节点如图6、图7。

图6 预应力筋张拉端部

图7 QMJ型锚具固定端与次梁筋冲突时配筋图

4.3　高强混凝土和扁梁应用

梁柱混凝土强度采用C60，并在设计中错开墙柱的断面和混凝土强度，以避免刚度的突变。

为适应建筑要求在19～24层采用扁梁，其断面为650mm×600mm，在高度限制条件下满足各专业综合要求。