冀中能源安全生产指挥中心工程结构设计

摘　要　本文详细阐述了邯郸冀中能源股份有限公司安全生产调度中心结构设计，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、预应力及空心楼板技术应用。

关键词　地基基础设计；结构设计；框架－双核心筒结构；预应力梁

1　工程概况

邯郸矿业集团安全生产调度中心位于邯郸市东柳大街以东，联纺路以南。工程总建筑面积约5.9万m2，其中地上建筑面积约4.4万m2，地下建筑面积约1.5万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25层，大屋面高度为99.9m，总高度为107.35m，裙房地上为4层，结构高度为13.05m。地上部分主要为办公功能的办公类建筑，地下两层为设备用房、汽车库及职工餐厅，首层为门厅，办公楼大堂，2～23层为办公室及会议室，24～25层为生产调度监控中心及设备用房。

本工程于2011年12月完成施工图设计并开工建设，现已基本竣工。建筑立面见图1。一层建筑平面见图2。

图1 建筑立面图

图2 一层建筑平面图

2　地基基础设计

2.1　工程地质概况

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12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

本场地初见地下水位埋深3.5～4.5m，地下水稳定水位约在自然地坪下2.8～3.6m，水位变化幅度为0.7～0.9m，根据多年的观察资料及调查，本场地近年最高水位约2.0m，抗浮设防水位可按2.0m考虑；场地液化判定为轻微液化；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均匀地基，适合拟建建筑物的建设。

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－13.25m，此基础设计难点在于主楼与裙房的基础连为一体，主楼与裙房在层数及重量差异较大，势必导致建筑产生不均匀沉降。基础方案应减少不均匀沉降对基础底板及上部结构的不利影响。同时，由于地下水位偏高，裙房基础同样要进行基础抗浮计算。

根据上部结构荷载分布特征结合地质情况，在施工图阶段基础方案采用预应力混凝土管桩基＋梁式筏板基础，主楼选用直径500mm管桩，桩型为PHC－500AB－100－27（13m＋14m），管桩总桩数为600根，单桩竖向承载力特征值1700kN；裙楼采用直径500mm抗拔桩，桩型为PHC－500AB－100－24（15m＋9m），管桩总桩数为76根，抗拔桩竖向抗拔承载力特征值600kN。桩端持力层为10层粉质黏土或10－1层中砂，桩端进入第10层顶面不小于3m。主楼筏板厚度1350mm，设置1550×2550基础梁，非主楼部分筏板厚度600mm，设置700×1250基础梁；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时间。

主楼计算最大沉降量为61mm，裙楼独立柱基为45mm，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乙类，地基基础设计等级为甲级。

中国地震局地壳应力研究所2011年9月提供了安评报告，报告结论如下：

场址位于华北平原地震带，其主要的地震危险来自于该地震带内的地震活动。未来百年该带的地震活动水平较低。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0.15g，反应谱特征周期（Tg）0.45s。根据岩土工程勘察结果，实际建筑场地类型为Ⅲ类，地震动反应谱特征周期（Tg）不调整。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》，本工程抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.15g；场地类别为Ⅲ类，场地特征周期值Tg＝0.45s。建筑抗震设防类别为乙类。在多遇地震作用下结构阻尼比取0.05。

基本风压值0.45kN／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；大型会议室、报告厅取2.5kN／m2；动力室、蓄电池组10kN／m2；调度中心、通信（网络）机房取5.0kN／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 二层平面布置图

图4 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9.0m×10.3m，核心筒短轴方向宽度为9.0m，其高宽比107.35／9.0＝11.92，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18%（不大于相应楼层面积的30%），有效楼板宽度为9m（不小于5m，但小于楼面宽度的一半），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400mm，自下至上其厚度变阶一次为300mm；筒体内墙厚度为200mm，250mm不等。底层框架角柱及中柱截面均为1200mm×1200mm，上部各层分段减少至800mm×800mm，1000mm×1000mm。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

本工程采用SATWE（墙元模型）进行计算分析。

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为结构位移计算结果。

结构设计地震力振型组合数取18个，表2列出前T1～T6。第一振型为Y向平动，第二振型为Y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。

表2 考虑扭转耦联时的结构振动周期

表3 1＃、4＃楼考虑扭转耦联时的结构位移及剪重比

4　结构措施及新技术应用

4.1　空心混凝土楼板应用

因部分房间建筑净空要求，结构无法设置次梁，对9.0m×8.4m较大楼板采用空心混凝土楼板，以满足各专业及美观需要。

4.2　预应力混凝土技术应用

主楼顶部监控调度中心屋面因空间要求，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27.5m，断面为600mm×1200mm，混凝土强度采用C40。预应力筋采用Φs15.2低松弛钢绞线，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。

预应力梁构造节点如图5。

图5 预应力筋张拉端部

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18～23层采用扁梁，其断面为700mm×350mm，在高度限制条件下满足各专业综合要求。