一種密肋樓蓋框架-核心筒結(jié)構(gòu)型式及應(yīng)用

陳有德

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院 廣州 510010）

1 工程概況

某項(xiàng)目位于廣東省佛山市順德區(qū)新城創(chuàng)智城片區(qū)，用地面積為13 393.61 m2，總建筑面積為88 140 m2，其中地上建筑面積為63 843.31 m2，地下建筑面積為24 648.1 m2。本項(xiàng)目設(shè)2 層地下室，為機(jī)動(dòng)車庫及設(shè)備用房（部分為人防地下室），地下室底板面標(biāo)高為-8.8 m；地面以上38 層，上部由裙房以及塔樓（商業(yè)裙房總高度10.8 m，塔樓總高度148.2 m）組成，其中首層～3 層為商業(yè)用建筑，14 層、24 層為避難層，其余各層均作辦公用途，涵蓋商業(yè)、辦公、公寓多種功能。地面以上結(jié)構(gòu)屋面高度為148.20 m，最大高寬比為4.57。采用混凝土柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，相關(guān)建筑圖如圖1、圖2所示。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年。本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑結(jié)構(gòu)耐火等級為一級；地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級為甲級。人防抗力等級為核（常）六級。為B 級高度高層建筑，地上抗震等級為一級，本工程所在場地抗震設(shè)防烈度為7 度，Ⅲ類場地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g，場地特征周期0.45 s，50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓W0=0.5 kPa，地面粗糙度為C 類，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.4，承載力設(shè)計(jì)時(shí)按1.1 倍考慮風(fēng)荷載［1］。

圖1 建筑立面Fig.1 Typical Architectural Plan

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面Fig.2 Standard Floor Plan

3 項(xiàng)目特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要求

本項(xiàng)目塔樓為辦公建筑，層高為3.8 m，原設(shè)計(jì)采用梁板式結(jié)構(gòu)，主梁高度為700 mm，考慮吊頂及架空地臺(tái)等，凈高只有2.7～2.8 m，對于辦公室凈高相對偏低，塔樓凈高需重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)梁高需改小，但基礎(chǔ)已施工，所以本工程優(yōu)化設(shè)計(jì)存在以下設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

⑴塔樓層高3.8 m，結(jié)構(gòu)主梁高度為700 mm，考慮設(shè)備走管等要求后，凈高只有2.7～2.8 m，不能滿足業(yè)主使用要求。

⑵外跨樓板跨度L=10.8 m，結(jié)構(gòu)合理梁高為L/18=600 mm，考慮超高層地震或風(fēng)荷載作用較大，原設(shè)計(jì)梁高700 mm 可壓縮空間較小。

⑶基礎(chǔ)已施工，上部結(jié)構(gòu)修改，不能進(jìn)行補(bǔ)樁處理，需減小結(jié)構(gòu)重量的增加對基礎(chǔ)的影響。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

由于本項(xiàng)目外部框架柱與核心筒凈跨大于10 m，普通梁板結(jié)構(gòu)樓蓋很難減小梁高，經(jīng)多方考慮，采用密肋樓蓋結(jié)構(gòu)［2］，取消樓面梁以滿足業(yè)主對大空間及靈活隔墻布置的要求。新結(jié)構(gòu)方案布置如圖3所示。平面布置核心筒局域與原設(shè)計(jì)一致，南北兩側(cè)改用480 mm 高密肋樓蓋，該結(jié)構(gòu)布置的主要特點(diǎn)如下：

⑴在Y 向框架柱與核心筒之間設(shè)置700 mm×480 mm 的暗梁，保留外圍四周的框架梁，并對左右兩側(cè)Y 向主梁加寬至700 mm×900 mm，彌補(bǔ)密肋樓蓋結(jié)構(gòu)抗扭剛度的下降，在核心筒走廊處，Y 向暗梁采用加腋設(shè)計(jì)，加腋高度為700 mm 與原設(shè)計(jì)相同，用以彌補(bǔ)Y 向結(jié)構(gòu)剛度的下降對抗側(cè)剛度的影響。

⑵由于密肋樓蓋整體混凝土用量較普通梁板結(jié)構(gòu)大，原設(shè)計(jì)底部框架柱和剪力墻軸壓比將不滿足規(guī)范限值要求，故本設(shè)計(jì)將原底部的十字型鋼柱改為內(nèi)置鋼管疊合柱，鋼管直徑為700 mm，利用鋼管的套箍作用提高框架承載力［3］，同時(shí)型鋼用量相對原設(shè)計(jì)降低30%；對于核心筒底部剪力墻，優(yōu)化上部X 向墻厚，由原來的400 mm 改為300 mm，提高底部剪力墻混凝土等級至C60（見圖4）。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置Fig.3 Layout of Standard Floor Structure

圖4 優(yōu)化前和優(yōu)化后型鋼柱大樣Fig.4 Pre-optimization and Post-optimization Profile of Steel Columns

⑶由于一般密肋樓蓋肋板厚度為100 mm，考慮塔樓主要用途為常規(guī)辦公，樓面荷載較小，且肋板跨度為1 m，故本設(shè)計(jì)肋板采用80 mm，保證密肋肋間的協(xié)同性［4］，同時(shí)減少樓面混凝土用量和自重，減少地震剪力［5］，有利于結(jié)構(gòu)抗震（見圖5）。

圖5 密肋板剖面Fig.5 Multi-ribbed Plate Profile

5 結(jié)構(gòu)指標(biāo)對比及構(gòu)件設(shè)計(jì)

5.1 塔樓抗震指標(biāo)分析對比

本工程采用YJK 對兩種結(jié)構(gòu)布置的整體計(jì)算Y向指標(biāo)進(jìn)行對比，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示，由表1可以看出：塔樓采用密肋樓蓋后，整體抗側(cè)剛度有所降低，核心筒與外框架空間作用減少［6］，Y 向?qū)娱g位移角增加至1/955，但依然滿足規(guī)范限值要求；由于結(jié)構(gòu)剛度下降，結(jié)構(gòu)基底剪力與基底彎矩均相對梁板方案有所變小，Y 向剛重比小于2.7，需要按文獻(xiàn)［1］要求，考慮重力二階效應(yīng)的影響。

表1 整體抗震指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of Overall Seismic Indexes

5.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

密肋樓蓋的有限元彎矩計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示，由圖中可以看出：核心筒和框架柱都存在面彎矩，且剪力墻位置彎矩?cái)?shù)值較大，故對核心筒和框架柱處均設(shè)計(jì)柱帽［7］，加強(qiáng)核心筒出面鋼筋，拉通φ6@200 板鋼筋，另加φ12@200 面筋。對于框架暗梁兩側(cè)次肋梁，受彎受剪作用明顯，按框架梁構(gòu)造設(shè)計(jì)［8］，抗震等級同塔樓；外邊梁由于密肋板的面彎矩作用，存在較大的扭矩，截面寬度設(shè)計(jì)為500 mm×900 mm，抗扭縱筋設(shè)置為 6 條φ20，箍筋采用φ12@100/200；對 4 個(gè)角柱位置，按文獻(xiàn)［1］第 9.1.4 條要求，另加φ8@200 鋼筋，增加角部抗扭能力，核心筒內(nèi)樓板設(shè)計(jì)為150 mm 厚，雙層雙向拉通φ10@200。

圖6 Y 向密肋樓蓋底部彎矩Fig.6 Bending Moment at the Bottom of Y-direction Multi-ribbed Floor

圖7 Y 向密肋樓蓋頂部彎矩Fig.7 Top Bending Moment of Y-direction Multi-ribbed Floor

5.3 樓板舒適度驗(yàn)算

采用YJK 樓板舒適度設(shè)計(jì)模塊，對本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)層密肋樓蓋進(jìn)行舒適度驗(yàn)算，結(jié)果如圖8所示，樓蓋第一自振頻率為8.3 Hz，滿足文獻(xiàn)［1］第3.7.7 條不小于3 Hz 的要求，證明樓板剛度滿足要求（見表2）。

6 結(jié)論

由于建筑層高限值及樓板跨度大等原因，本項(xiàng)目塔樓采用了密肋樓蓋大板結(jié)構(gòu)形式，主樓辦公區(qū)位置主框架梁設(shè)計(jì)為暗框梁，梁高480 mm。在保證結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求的條件下，核心筒四周走廊位置，暗梁做了加腋處理，為了改善密肋樓蓋混凝土用量大的缺點(diǎn)，肋梁之間的隔板采用80 mm 厚；采用了內(nèi)置鋼管的疊合柱，以提高底部框架的豎向承載力。密肋板與核心筒和框架柱連接位置設(shè)置柱帽，同時(shí)暗框梁兩側(cè)次肋梁按框架柱構(gòu)造，提高樓板的抗震變形能力，加強(qiáng)樓板的整體連接作用，確保結(jié)構(gòu)受力可靠，建筑空間高效利用，能夠取得較大的使用效果，可為類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

圖8 樓蓋舒適度第一階振型Fig.8 First-order Mode Shapes of Floor Comfort

表2 樓板的特征值分析結(jié)果Tab.2 Analysis Results of Eigenvalues of Floor Slabs