摘 要 本文详细阐述了河北科技大学新校区图书馆结构设计，包括地基基础设计、结构设计、主楼框架－剪力墙结构体系的设计、计算分析以及工程中新技术的应用。
关键词 地基基础设计；结构设计；框架－剪力墙结构；竖向不规则；抗震性能化设计
1 工程概况
河北科技大学新校区位于石家庄市建华西路南侧，体育大街与建设大街之间。新建图书馆位于新校区核心区广场中心轴线上，占地面积2.7万m2，总建筑面积5.0万m2。该图书馆主楼地上8层，为大底盘双塔，连体超限高层建筑，采用钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系，主体高度42.57m。建筑物长度81m，宽度99m；主楼2层结构布置单元尺寸99m×81m，形成大底盘，3层以上各层形成两个尺寸基本对称的塔楼，两塔楼中间由一个高30m、2000m2左右的大厅组成的一座建筑，两塔楼之间各层由跨度为27m、宽度为5.1m的连廊相连；在8层楼盖中间部分用玻璃采光顶将主楼连为一体，8层顶处两侧用H型钢桁架（高4.5m）将两侧主楼连成一体，连接跨度均为45m。主楼1层为460座报告厅一个，基本书库994m2；2层为共享大厅，1400m2左右的阅览室2个；3～7层每层各有2个1400m2左右的阅览室；8层为办公室和会议室。建筑效果见图1，标准层建筑平面见图2。北裙房局部地下1层，地上2层；南裙房地上2层，均采用钢筋混凝土框架结构。南北裙房与主楼之间设防震缝脱开。
图1 效果图
图2 标准层建筑平面
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10个工程地质层，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
场地地下水位较深，勘察期间未见地下水，可不考虑地下水的影响；场地液化判定为非液化场地；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该场地为均匀地基。
2.2 地基基础设计
本工程由主楼、裙房及局部地下室组成。根据上部结构荷载分布特征，并结合地质情况，主楼采用柱下十字交叉梁基础，局部筏板基础，基础持力层为土层第2层黄土状粉土，承载力特征值为fak＝130kPa，天然地基不能满足承载力要求，地基采用素混凝土桩复合地基，处理后复合地基承载力特征值fspk≥360kPa；裙楼采用天然地基，基础持力层为土层第2层黄土状粉土。经计算，主楼最大沉降量为45mm，高层建高层建筑整体倾斜0.18%，满足规范要求。
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乙级。
本工程抗震设防烈度7度（第二组），设计基本地震加速度值为0.10g；场地类别为Ⅲ类，场地特征周期值Tg＝0.55s。建筑抗震设防类别为丙类。
基本风压值为0.40kN／m2（100年一遇），地面粗糙度为B类。
楼面主要活荷载标准值：办公室、会议室取2.0kN／m2；普通阅览、多媒体阅览取5.0kN／m2；二层共享大厅、展厅取3.5kN／m2；走廊取2.5kN／m2；设备机房、电梯机房取7.0kN／m2；厕所、多功能厅取4.0kN／m2。
3.2 结构体系
由于主楼与裙楼层高不同，在主楼和裙楼之间设防震缝。图3、图4分别为二层平面布置图和标准层平面布置图。
图3 二层结构平面布置
图4 标准层结构平面布置
裙楼采用现浇钢筋混凝土框架结构。主楼采用现浇钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系，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。利用楼、电梯交通核部位布置剪力墙，形成4个筒体，并且沿建筑物四边适当位置设置剪力墙，增加结构的抗侧刚度和抗扭转刚度。钢筋混凝土剪力墙为主要抗侧力结构体系，框架作为抗震第二道防线，形成双重抗侧力结构体系。主楼竖向构件上下连续贯通，4～8层平面沿左、右两侧各悬挑6m，外挑尺寸超过《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3第3.3.5条水平外挑尺寸不宜大于4m的要求。悬挑部分加剪刀斜支撑，形成较好的桁架体系。
3.3 主要构件断面
剪力墙是本工程主要抗侧力结构构件，承担主要的水平荷载，剪力墙3层以下厚度为400mm；3层以上厚度300mm。框架柱截面为800mm×800mm；悬挑6m处框架柱截面6层以下950mm×950mm，6层以上800mm×800mm。现浇混凝土剪力墙、框架柱的强度等级2层以下为C50，2～4层为C40，4层以上为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。柱网两个方向跨度均为8.0m，框架梁截面350mm×800mm。
2层多塔底盘平面楼板厚度适当加强取160mm，并双层双向配筋；3～7层与连廊相连楼板厚为150mm，双层双向配筋；4层、5层与悬挑部分相连的一跨楼板厚度为160mm，双层双向配筋；8层、屋顶楼板厚度150mm，双层双向配筋；3～7层其他部位因剪力墙间距较大，将各层楼板厚度适当加厚为120mm，以此增加楼板平面内刚度，有利于水平地震作用的可靠传递。
3.4 结构计算分析
本工程除采用SATWE（墙元模型）计算分析外，还采用《特殊多高层建筑结构分析设计软件》PMSAP进行了复核计算，并进行了弹性时程分析。现将SATWE计算分析结果和PMSAP计算分析结果分别介绍如下。
3.4.1 SATWE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为结构考虑偶然偏心的X及Y方向的最大层间位移角、位移比、框架柱最大轴压比、底层框架柱承担倾覆力矩比、剪重比等。
表2 考虑扭转耦联时的结构振动周期
表3 考虑扭转耦联时的结构位移及剪重比
结构设计地震力振型组合数取45个，表2列出前T1～T6。第一振型为Y向平动，第二振型为扭转，第三振型X为向平动，结果显示框架－剪力墙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。
3.4.2 PMSAP计算分析结果
经过PMSAP（《特殊多高层建筑结构分析设计软件》）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4列出PM⁃ SAP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4 PMSAP计算的结构振动周期
4 结构措施及新技术应用
4.1 竖向不规则
由于建筑外立面的要求，4～8层平面沿左、右两侧各悬挑6m，外挑尺寸超过《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3第4.4.5条要求，立面效果及剖面示意图见图5。悬挑部分结构采用加剪刀斜支撑，利用一个整层高，形成较好的桁架体系，有效地增加了空间刚度。既满足了建筑空间要求，也提高了结构构件的安全性能。斜支撑断面700mm×500mm，斜支撑的平面布置图、立面图如图6、图7。
图5 立面效果及剖面示意图
图6 斜支撑平面布置图
图7 斜支撑立面图
4.2 抗震性能化设计
根据本工程使用功能、重要程度、抗震安全性、经济合理性，满足《建筑抗震设计规范》GB50011，本工程进行了抗震性能化设计，并满足《建筑抗震设计规范》GB50011第1.0.1条要求。
抗震性能化设计，抗震性能目标具体化为：
（1）小震下结构构件均为弹性。
（2）中震（设防烈度下）对重点部位为弹性，其他构件按不屈服。
本工程关键部位为支撑3～7层两塔楼之间跨度为27m，宽度5.1m的连廊及8层顶处两侧45m跨H型钢桁架结构的柱、抗震墙。与钢桁架相邻的剪力墙和框架柱抗震等级提高一级分别为一级、二级。
（3）大震作用下上述构件钢筋混凝土构件抗剪不屈服，并在竖向构件不出现拉应力，小偏心时出现拉应力小于混凝土拉应力标准值，保持截面控制条件。
6 结语
河北科技大学新校区图书馆工程是比较典型的大底盘双塔连体超限高层建筑，涵盖了钢结构、混凝土结构及钢－混凝土混合结构等方面的内容，除进行可靠的结构分析外，不同结构形式之间的连接及构造加强措施是本工程的设计难点。抗震性能化分析作为对复杂高层结构设计的补充，有效地提高了建筑抗震承载力。
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