金世界商务大底盘多塔楼结构设计

摘　要　本文详细阐述了金世界商务大底盘多塔楼即金世界二期5＃楼工程结构设计，包括地基基础设计、结构设计、主楼框支－剪力墙（A座、B座、C座）及框架－核心筒（D座）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；框支－剪力墙结构；框架－核心筒结构

1　工程概况

本工程为金世界二期5＃楼工程，位于石家庄市自强路和南小街交口西南角，包含A座、B座、C座和D座四栋，为大底盘多塔楼建筑。工程总建筑面积约为10.28万m2，其中地上建筑面积约9.01万m2，地下建筑面积约1.27万m2。本工程地下2层为设备用房及汽车库，地上1～4层为裙房，5层以上为多塔。主楼部分：A座、B座、C座为带转换层的复杂高层建筑结构，结构形式为框支－剪力墙结构，转换层设在4层，4层以下为框支层，5～30层为剪力墙结构，大屋面高度为94.92m，总高度为95.37m；D座为框架－核心筒结构，地下2层，地上28层，大屋面高度为98.72m，总高度为99.17m；裙房地上为4层，结构高度为19.07m。本工程地上1～4层为商业，A座、B座、C座5～30层为住宅，D座5～28层为办公。建筑效果图见图1，首层建筑平面见图2。

图1 建筑效果图

图2 首层建筑平面图

本工程于2008年7月完成施工图设计并开工建设，现已竣工并投入使用。

2　地基基础设计

2.1　工程地质概况

石家庄地处太行山东麓，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，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

经场地勘察揭露地下水位36.40～36.90m，地下水位较深，因此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4栋主楼和中间裙房组成，主楼和裙房基础底面标高均为－13.95m，上部主体和裙房的基础均连为一体。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，又具有较好的经济性，是地基基础设计的关键。

经过方案优选，本工程采用长螺旋钻孔泵压混凝土粉煤灰桩（CFG桩）复合地基方案。为减少主楼与裙楼间的基础差异沉降采取如下措施：第一，提高主楼部分的复合地基压缩模量，处理后复合地基承载力特征值fspk≥570kPa，压缩模量Es≥45MPa，地基处理深度应进入第10层中粗砂层；第二，考虑主楼基底压力的影响，裙楼与主楼相邻一跨采用与主楼相同的承载力和压缩模量，其余裙房采用较低的复合地基压缩模量，处理后复合地基承载力特征值fspk≥350kPa，压缩模量Es≥33MPa，地基处理深度应进入第10层中粗砂层；第三，在主裙楼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筑时间；第四，在施工图设计阶段采取“抗”的方法，对后浇带浇筑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。

根据上部结构荷载分布特征，为保证主楼的地基承载力，主裙楼均采用梁板式筏板基础，主楼筏板厚度1400mm，设置1400mm×2200mm基础梁；裙房与主楼相邻一跨筏板厚度与主楼筏板厚度相同，均为1400mm，设置1400mm×2000mm基础梁，裙房其余部位筏板厚度1200mm，设置1000mm×1600mm基础梁。

主裙楼基础为一整体，基础计算时考虑了三种情况：①取主楼自身范围，左右挑出1.5m，上下挑至施工后浇带位置（距主楼2.5m），来计算主楼的基底压力并验算偏心；②取主楼上下各带一跨裙房计算，定为地基处理相同范围；③将A座、B座、C座、D座整体计算，确定裙房部分的承载力。筏板、基础梁采用以上三种计算结果包络配筋。

经计算，主楼最大沉降量为70mm，裙楼最大沉降量为50mm，无沉降突变。

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。

结合《金世界二期工程地质勘察报告》以及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3，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。

本工程全长167.750m，地下部分结合建筑人防分区设置伸缩缝一道，基础以上AB座、CD座各为一整体，地上部分结合结构形式的不同，在C座、D座之间增设一道伸缩缝。

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：住宅、办公室、会议室取2.0kN／m2；住宅阳台2.5kN／m2；住宅厨房2.0kN／m2；住宅卫生间2.0kN／m2；商业卫生间4.0kN／m2；走廊、门厅取2.5kN／m2；楼梯3.5kN／m2；商业店面6.0kN／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

为能满足建筑多功能要求，保持空间工作性能，A座、B座、C座采用带转换层的框支－剪力墙结构体系，D座采用现浇钢筋混凝土框架－核心筒结构体系，均属A级高度钢筋混凝土高层建筑。楼盖体系为现浇梁板结构。

图3、图4分别为四层平面布置图和标准层平面布置图。

图3 四层平面布置图

图4 标准层平面布置图

A座、B座、C座在建筑底部、内部形成大空间的结构转换层，主楼竖向构件上下不连续，为结构竖向不规则建筑；剪力墙为主要抗侧力构件，通过控制落地剪力墙的数量及间距，加大落地剪力墙的刚度，保证大空间层有充分的刚度，防止沿竖向上下刚度变化过于悬殊，严格控制转换层上下刚度比γ（应尽量接近于1，不应大于2）。

D座核心筒为矩形，平面尺寸均为18.1m×8.6m，核心筒短轴方向宽度为8.6m，其高宽比99.17／8.6＝11.53，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，楼板连续无错层，为平面规则建筑。

3.3　主要构件断面

A座、B座、C座框支柱1000mm×1000mm，1000mm×1500mm，转换层以下剪力墙厚度为400mm，350mm，转换层以上剪力墙厚度为250mm，200mm；框架柱、剪力墙的混凝土强度等级C40～C30，框支层梁板混凝土强度等级C50。

D座核心筒是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400mm，上部厚度变为300mm；筒体内墙厚度为250mm，300mm不等；框架柱截面由1000mm×1000mm，逐阶变化至800mm×800mm，现浇核心筒墙体混凝土等级由C40沿竖向变化至C30，框架柱混凝土等级由C60沿竖向变化至C40，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）计算分析外采用PMSAP（复杂空间结构）进行了复核计算，用FEQ（高精度平面有限元框支剪力墙计算）对框支梁进行了有限元分析。现将SATWE计算分析结果介绍如下（由于本工程塔楼较多，以下仅以双塔A座、B座为例进行计算结果分析）。

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，结构嵌固在负1层地面（人防顶板）。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为结构考虑扭转耦联时的X及Y方向的最大层间位移角、位移比。

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27个，表中列出前T1～T6。第1～4振型为双塔X及Y向平动，第5～6振型为扭转，结果显示结构具有较好的抗侧刚度。

表3 考虑扭转耦联时的结构最大层间位移角、位移比

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，增加其整体协同性能。抗震设计采取较弱连接部位弹性板计算，提高分析的准确性，加强裙房顶层楼面，增加结构整体性。

4.2　框支柱

框支柱的截面尺寸主要由轴压比控制并应满足剪压比的要求。为保证框支柱具有足够的延性，就应严格控制其轴压比，框支柱的抗震等级为特一级，轴压比不得大于0.60，对于因截面尺寸加大而形成的短柱，轴压比控制在0.55以下，对于高轴压比的柱子，在柱截面中部设置芯柱（配筋率大于0.6%），另外框支柱的延性还与柱的体积配箍率（大于1.5%）及纵筋的总配筋率（大于1.6%）密切相关，设计中通过以上措施加大框支柱的延性。

4.3　框支梁

框支梁截面尺寸由剪压比控制，框支梁受力大且受力复杂，它不但是上下层荷载的传输枢纽，也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位，是一个受力复杂而重要的构件，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3规定了抗震设计时梁上下部钢筋的最小配筋率：特一级0.6%；一级0.5%；二级0.4%，框支梁一般为偏心受拉构件，梁中有轴力存在，因而应配置足构数量的腰筋，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3规定配置不少于ϕ16＠200，并应有可靠的锚固；通过设计计算知，框支梁受剪很大，本着强剪弱弯的设计原则，框支梁加密区箍筋最小面积含箍率应符合规范要求：特一级不小于1.3ft／fyv；一级不小于1.2ft／fyv；二级不小于1.1ft／fyv。另在设计过程中，根据框支梁的剪力包络图，在框支梁的端部加入抗剪钢板，抗剪钢板的长度宜伸过剪力不足的截面范围300mm左右，同时为保证抗剪钢板与梁的混凝土之间的有效黏结，在抗剪钢板上设置M16＠200×200的销钉，起抗剪键的作用，这样不但可提高框支梁的抗剪承载力，又可以减小框支梁的截面，降低建筑层高，如图5所示。

图5 框支梁端部抗剪钢板详图

4.4　转换层楼板

框支－剪力墙结构以转换层为分界，上下两部分的内力分布规律不同，在上部楼层，外荷载产生的水平力按各片剪力墙的等效刚度比例分配，而在下部楼层，由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异，水平剪力主要集中在落地剪力墙上，即在转换层处荷载分配产生突变，转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务，并且由于转换层楼板自身平面内受力很大，而变形也很大，所以转换层楼板必须具有足够的刚度作保证，本次设计转换层楼板厚度200mm，双层双向配筋，且每层每方向的配筋率不小于0.25%。另外，为了协助转换层楼板完成剪力重分配，将转换层上下层楼板也适当加厚，取为140mm，双层双向配筋。

4.5　高强混凝土和高强钢筋应用

柱混凝土强度等级采用C60，框支梁混凝土强度等级采用C50，设计中梁、板、柱、墙钢筋均采用HRB400钢筋。