武安财富广场工程结构设计

摘　要　武安财富广场工程，1＃、2＃主楼剪力墙结构住宅，3＃主楼框架－核心筒结构酒店，4层裙房框架结构。本文从概念设计、计算分析以及工程中特殊部位采取的措施等方面对其结构设计进行介绍。

关键词　地基基础设计；结构设计；框架－核心筒结构；时程分析

1　工程概况

武安财富广场位于武安市中兴路与中山大街交叉口。工程总建筑面积约17.1万m2，其中地上建筑面积约13.2万m2，地下建筑面积约3.9万m2。本工程地下2层（161m×146m），地上以变形缝分为五部分，各部分概况见表1。分区图见图1，建筑效果图见图2。

表1 工程概况表

图1 分区图

图2 建筑效果图

武安财富广场为集住宅、酒店、商场、餐饮、洗浴等为一体的综合楼，地下两层为汽车库、设备用房及超市，首层为住宅、酒店大堂，2～4层为商业、餐饮、洗浴，其中1＃、2＃楼5层以上为住宅，3＃楼5～ 17层为办公，18～25为客房层，26层、27层为餐厅。

本工程抗震设防烈度7度，设计地震分组为第一组，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。建筑安全等级为一级，地下工程防水等级为一级，建筑防火等级为一级。

本工程结构设计基准期为50年，在正常施工、正常使用、正常维护情况下设计使用年限为50年。

修正后的基本风压值0.40kN／m2（裙房为0.35kN／m2），地面粗糙度为C类。

本工程于2008年1月完成施工图设计并开工建设，现已投入使用。

2　地基基础设计

2.1　工程地质概况

拟建场地位于太行山东麓，所处地质构造单元属华北平原凹陷带与太行山第三隆起带的接触部位，武安盆地内。本勘察场地内上部地层主要以第四系地层为主。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14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2。

表2 土层分布及岩性特征

拟建基础埋深11.0m（绝对标高203.00m），本场地地下水稳定水位标高197.90～208.30m，部分槽底位于地下水以下，设计与施工应考虑地下水的影响。

该场地土类型为中硬场地土，场地类别为Ⅱ类。该场区地形平坦，地貌类型单一，无不良地质作用，场地稳定，适宜建筑。

2.2　地基基础设计

本工程由主楼、裙房及外围地下室组成，由于各主体部分之间层数、荷载差异较大，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。

根据初步设计及上部结构荷载分布特征结合地质情况，本工程主楼基础采用钢筋砼筏板＋灌注桩基础，裙房基础采用钢筋砼筏板基础天然地基（局部设有抗拔桩），地基基础设计等级为甲级。

1＃、2＃楼筏板厚1700mm，底标高－10.800m，3＃楼筏板厚1950mm（局部2500mm），底标高－11.750m（局部－12.300m），裙房下均采用800mm厚筏板。桩均为直径800mm钻孔灌注桩，桩混凝土强度等级为C30（水下为C35）。主楼基础下桩端持力层为11层粉质黏土层，桩端进入11层粉质黏土层内≥800mm，有效桩长28m，单桩竖向承载力特征值为Ra＝3100kN。由于地下水位较高，裙房基础下设置抗拔桩，桩端持力层为10层粉质黏土层，有效桩长18m，单桩竖向抗拔承载力特征值为Ta＝1200kN。

桩位布置图见图3，基础平面图见图4。

为了减少不均匀沉降对基础底板及上部结构的不利影响，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时间，并在施工图设计阶段采用整体计算分析并考虑上部结构刚度计算基础内力变形，提高结构构件的抵抗不均匀沉降的能力。

图3 桩位布置图

图4 基础平面图

3　地上结构设计

3.1　结构体系

本工程为大底盘多塔结构，地上结构分为1＃、2＃、3＃主楼和裙房1、裙房2，其中1＃和2＃楼为剪力墙结构，3＃楼为框架－核心筒结构，均属A级高度钢筋混凝土高层建筑；裙房为框架结构。楼盖体系为现浇梁板结构。其中3＃楼由于建筑功能和建筑立面要求，主楼和部分裙楼连为一体。

1＃、2＃楼高宽比均为4.8，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3第3.4.3条要求。3＃楼核心筒平面尺寸为18.40m×11.90m，核心筒短轴方向宽度为11.90m，其高宽比109.6／11.9＝9.21，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3第9.2.1条内筒高宽比不宜大于12的要求。

由于1＃、2＃楼长度为76.40m，未设置变形缝，长度超限，且在顶部跃层处有房间开大洞口，计算过程中在结构平面和大洞口薄弱部位的楼板定义为弹性板进行内力计算分析，采取建筑物端跨、中间跨和大洞口周边楼板加厚及楼板上下皮钢筋双向拉通等构造措施。1＃楼标准层、跃层结构平面见图5、图6，2＃楼标准层、跃层结构平面见图7、图8，3＃楼二层、标准层结构平面见图9、图10。

图5 1＃楼标准层结构平面

图6 1＃楼跃层结构平面

图7 2＃楼标准层结构平面

图8 2＃楼跃层结构平面

图9 3＃楼二层结构平面

图10 3＃楼标准层结构平面

3.2　主要构件断面

1＃、2＃楼剪力墙厚度为标高19.390以下墙厚为300mm，标高19.390以上墙厚为200mm。

3＃楼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，17层以上外墙厚改为300mm；筒体内墙厚度为200mm，300mm不等。底层框架角柱及边柱截面为1200mm× 1200mm，中柱截面为1100mm×1100mm，上部各层分段减少至1000mm×1000mm，900mm×900mm，800mm×800mm，700mm×700mm。核心筒墙体混凝土强度等级由C40沿竖向分段变化至C30，框架柱的混凝土强度等级由C50沿竖向分段变化至C40和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。

3.3　结构计算分析

本工程除采用SATWE（墙元模型）计算分析，3＃楼还进行了弹性时程分析计算。现将SATWE计算分析结果和时程分析结果分别介绍如下。

3.3.1　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”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。1＃、2＃、3＃楼主要计算结果见表3至表6。

结果显示第一振型、第二振型为平动，第三振型为扭转，表明剪力墙结构体系和框架－核心筒结构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值均大于0.90。结构侧移刚度沿竖向规则。

表3 1＃楼、2＃楼考虑扭转耦联时的结构振动周期

表4 3＃楼考虑扭转耦联时的结构振动周期

表5 1＃楼、2＃楼考虑扭转耦联时的结构位移、剪重比

表6 3＃楼考虑扭转耦联时的结构位移、剪重比

3.3.2　弹性动力时程分析

由于3＃楼顶部建筑装饰幕墙及钢结构网壳距地面高度为103.60m，为进一步分析此部分对主体结构的影响，本工程采用弹性动力时程分析进行计算。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CASH BAUGHRANCHMAMMOTHLAKES，CA台站测得的MAMMOTHLAKESAFTERSHOCK，CA地震）、TH2TG040（1980年5月25日在CONVICTCREEKMAMMOTHCAL台站测得的MAMMOTHLAKESAF⁃TERSHOCK，CA地震）表进行结构分析，时间间距为0.02s。

弹性时程分析结果也表明，主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%，3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　结构特殊部位构造及新技术应用

4.1　3＃楼屋顶采用钢结构网壳

3＃楼屋顶中部设置直径27.6m单层球型网壳和15.7m高女儿墙幕墙钢桁架，其中网壳的稳定性按考虑几何非线性的有限元法进行计算。计算程序采用北京迈达斯技术有限公司开发的MIDAS／GENVer.7.1.2版。网壳平面图见图11，网壳立面图见图12。

图11 网壳平面图

图12 网壳立面图

4.2　现浇混凝土空心板技术应用

由于3＃楼标准层办公和酒店的建筑层高的限制，结构局部采用宽扁梁和现浇混凝土空心板技术。宽扁梁断面为1400mm×400mm；混凝土空心板厚度为250mm，芯管长度≤1.0m，芯管直径为ϕ150mm。在层高不变的情况下加大了净高，满足各专业综合管线和房间净高要求。现浇空心板结构布置图见图13至图15。

图13 现浇空心板结构布置图

图14 垂直芯管向钢筋做法示意图

图15 平行芯管向钢筋做法示意图