河北金牛能源生产调度中心结构设计

摘　要　本文详细阐述了河北金牛能源生产调度中心工程结构设计，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材料、新技术应用。

关键词　地基基础设计；结构设计；框架－剪力墙结构

1　工程概况

河北金牛能源生产调度中心位于邢台市桥西区，中兴路以北，冶金北路以西，河北金牛能源股份有限公司院内。工程总建筑面积约3.31万m2，其中地上建筑面积约3.0385万m2，地下建筑面积约2719m2。本工程由地下、地上两部分组成，其中地下为2层，地上为25层，主体高度99.70m。建筑物东西长64.600m，南北宽21.870m。剖面见图1。本工程为集地下库房、内部停车，地上主要为办公功能的办公类建筑。建筑效果图见图2。

本工程于2008年9月完成施工图设计并开工建设，现已竣工。

图1 剖面图

图2 建筑效果图

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冲洪积平原上，地形平坦。地震影响主要来自东部的河北平原地震带和西部的晋获地震带，本建设场地一带构造稳定，适宜建设。据本次勘察资料揭示，该场地50.0m深度以内均为第四系沉积物，在垂向上具有明显的沉积韵律，水平方向上分布厚度较稳定，局部有夹层，呈透镜体状。根据本工程岩土工程勘察报告，依据岩性特征及物理力学性质的差异，场地土划分为10个工程地质层，一个工程地质亚层，基地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

根据区域地下水位资料，该场地地下水位埋深为14.20m以下，且呈逐年下降趋势，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均匀地基，整个建筑场地为均匀地基。

2.2　地基基础设计

本工程主楼采用CFG桩复合地基＋梁式筏板基础，基础底标高为－10.500m，基础梁截面尺寸为1000mm×2500mm，1400mm×2500mm，1800mm×2500mm，筏板厚度为1000mm。基础持力层为3层粉质黏土层，地基承载力特征值fspk＝160kPa，压缩模量Es＝11.86MPa，土层厚度4.83m，修正后地基承载力不满足要求，天然地基不能满足地基承载力要求，应进行地基处理。地基处理采用CFG桩复合地基＋梁式筏板基础，桩端持力层为8层中砂，处理后复合地基承载力特征值fspk≥450kPa，Es≥25.0MPa。主楼计算最大沉降量为85mm，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乙级。

本工程抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅱ类，场地特征周期值Tg＝0.45s。在多遇地震作用下结构阻尼比取0.05。

基本风压值ω0＝0.35kN／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、值班室及上人屋面取2.0kN／m2；电池室取13.0kN／m2；配电室取10.0kN／m2；气瓶间取10.0kN／m2；指挥中心、设备管井取3.0kN／m2；通信机房取6.0kN／m2；走廊、厕所、门厅、餐厅、电梯厅取2.5kN／m2；大会议室、楼梯间取3.5kN／m2；空调机房取8.0kN／m2；电梯机房取7.0kN／m2；库房、弱电机房取5.0kN／m2。

3.2　结构体系

由于建筑功能和建筑立面要求，主楼在2层、22层开洞。图3、图4、图5、图6分别为首层、2层结构平面图和22层、大屋顶层结构平面图，标准层结构平面同首层布置。

图3 首层结构平面

图4 2层结构平面

图5 22层结构平面

图6 大屋顶层结构平面

主体结构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。钢筋混凝土剪力墙作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，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

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，剪力墙厚度为300mm，200mm不等。主楼底层框架柱截面分别为800mm×800mm，900mm×900mm，900mmm×1200mm，900mm×1300mm，二层大空间四周框架柱截面为900mm×1200mm，900mm×1100mm。上部各层分段减少至900mm×1000mm，900mm×900mm，800mm×800mm，600mm×600mm。现浇混凝土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

本工程采用中国建研院编制的《结构平面计算机辅助软件》PMCAD，《结构空间有限元分析设计软件》SATWE（墙元模型）进行计算分析。现将SATWE计算分析结果介绍如下。

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为结构位移及剪重比。

结构设计地震力振型组合数取36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－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。

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

4　结构措施及新技术应用

4.1　高强混凝土和高强钢筋的应用

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。为节约钢材并降低含钢量设计中框架梁及现浇板均采用三级钢筋。

结束语：河北金牛能源生产调度中心作为河北金牛能源股份有限公司重点工程，在结构设计中充分体现了安全、节能的设计理念，设计中结构构件优先采用高强混凝土和高强钢筋，节约了钢材，降低了生产能耗。钢筋接头优先采用机械连接，不仅保证了钢筋接头质量，而且缩短了工期，经济效益明显。本工程的设计获得了用户的认可以及良好的社会评价，该工程已被评为河北省优秀设计一等奖。