瑞華高科二期研發(fā)中心大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：瑞華高科二期研發(fā)中心大樓為一棟99.4 m、A級(jí)高度的高層建筑，建筑立面為螺旋形旋轉(zhuǎn)造型。該結(jié)構(gòu)采用懸挑空腹桁架的形式，實(shí)現(xiàn)建筑造型。文章介紹該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)、樓板應(yīng)力分析和樓板舒適度分析這3個(gè)方面闡述懸挑空腹桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和分析過(guò)程。結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)安全合理，抗震性能良好。

[作者簡(jiǎn)介]吳鎮(zhèn)江（1977—），男，本科，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

瑞華高科二期研發(fā)中心大樓位于廈門市，建筑高度99.4 m，由5層裙房、18層主樓（標(biāo)準(zhǔn)層）和28 m出屋面造型鋼構(gòu)組成，主要層高4.2 m，設(shè)2層地下室。上部結(jié)構(gòu)使用功能為研發(fā)辦公，地下室主要作為設(shè)備用房和車庫(kù)，地下2層局部區(qū)域作為戰(zhàn)時(shí)6級(jí)甲類防空地下室。本工程建筑方案特點(diǎn)是主樓7～21層采用標(biāo)準(zhǔn)層平面（35 m×35 m）外輪廓按其中心點(diǎn)每層旋轉(zhuǎn)6°，達(dá)到建筑立面的旋轉(zhuǎn)效果（圖1～圖3）。

本工程為丙類建筑，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.15g，場(chǎng)地類別Ⅱ類，基本風(fēng)壓為0.80 kN/m2。

1 結(jié)構(gòu)布置

1.1 結(jié)構(gòu)的承重及抗側(cè)力體系

根據(jù)建筑方案，本工程結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)力體系采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，利用樓、電梯間及設(shè)備用房布置鋼筋混凝土剪力墻，圍合成核心筒。沿建筑周邊布置鋼筋混凝土框架柱，形成外框架柱，核心筒與外框架柱間通過(guò)框架梁聯(lián)系成整體，共同組成承重和抗側(cè)力體系。

1.2 大懸挑樓面結(jié)構(gòu)豎向承載體系

本工程建筑設(shè)計(jì)采用主樓標(biāo)準(zhǔn)層核心筒外平面層旋轉(zhuǎn)6°的獨(dú)特形式，使得結(jié)構(gòu)除12根中部外框柱可貫通至頂外，建筑四角無(wú)法設(shè)置角柱，在樓層不同位置、不同標(biāo)高均出現(xiàn)尺度不同的較大懸挑（最大懸挑長(zhǎng)度約10.6 m）。為便于設(shè)備管道安裝和取得建筑最大凈高，懸挑梁高度也受到限制。如采用傳統(tǒng)懸挑桁架，因桁架斜腹桿嚴(yán)重影響建筑使用，不予采用。經(jīng)過(guò)反復(fù)論證計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最終采用懸挑空腹桁架方案作為大懸挑樓面的豎向承載體系。在樓層大懸挑部位隨著建筑平面旋轉(zhuǎn)由下而上均勻設(shè)置帶豎桿的空腹桁架，桁架高度為單層（標(biāo)準(zhǔn)層）及雙層（18～20層），將建筑美學(xué)和結(jié)構(gòu)合理受力有機(jī)結(jié)合。

2 地基基礎(chǔ)

綜合考慮上部建筑物荷載、工程詳勘報(bào)告及周邊環(huán)境，本工程采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，采用第5層全風(fēng)化花崗巖為樁端持力層，由于2層地下室水浮力較大，對(duì)純地下室部分柱下布置抗壓樁兼抗拔樁。本工程主樓與裙房之間不設(shè)縫，二者差異沉降采用施工后澆帶解決。

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果

工程采用SATWE軟件進(jìn)行計(jì)算分析，框架-核心筒結(jié)構(gòu)外圍筒體剪力墻厚度由500 mm逐次收至300 mm，核心筒內(nèi)部剪力墻厚度為300～200 mm。外框柱由1 100 mm×1 100 mm和1 300 mm逐次收為750 mm×750 mm和800 mm。主要框架梁截面為（450～600） mm×700 mm，受力最大處截面為700 mm×700 mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)：梁板均為C30，核心筒由C45逐次收至C30，框架柱由C55逐次收至C35。多遇地震及風(fēng)荷載作用下整體計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

3.2 懸挑空腹桁架設(shè)計(jì)

本工程典型單、3層高度懸挑空腹桁架平面布置及立面見(jiàn)圖4～圖7，其中桁架1為單層高度，桁架2為3層高度。

因懸挑桁架受力較大，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，桁架弦桿及豎桿均采用型鋼混凝土構(gòu)件。上、下弦桿一般截面為：650 mm×700 mm，采用Q235型鋼H500×250×16×32;豎桿一般截面為600 mm×600 mm，采用Q235型鋼H-350×250×16×32。經(jīng)對(duì)比分析可知，桁架豎桿上下端采用固接強(qiáng)制上下弦桿整體協(xié)同受力，豎向荷載下結(jié)構(gòu)承載能力及整體剛度比純懸挑梁大為增加。懸挑空腹桁架與同等條件懸挑梁體系恒+活工況下端部撓度對(duì)比如表3所示。由表3可知，桁架采用施工預(yù)起拱后，撓度限制均可滿足規(guī)范要求，而懸挑梁即使采取起拱，撓度仍超出規(guī)范限制。

3.3 裝飾性鋼結(jié)構(gòu)球體及斜撐設(shè)計(jì)

為加強(qiáng)建筑效果，建筑師在出屋面正上方7 m處設(shè)置一個(gè)約8 m直徑的鋼結(jié)構(gòu)球體，從大屋面起在建筑四角分別設(shè)置斜撐伸向球體，在標(biāo)高111.3 m處用圓環(huán)匯合，鋼結(jié)構(gòu)球體外表面為玻璃，形成托起明珠的整體效果。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不影響建筑效果的前提下，從球體下方設(shè)置鋼筋混凝土柱，直接將球體重量傳遞至核心筒。本工程頂部造型采用3d3s軟件進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)軸測(cè)如圖8所示。

4 懸挑結(jié)構(gòu)專項(xiàng)分析和設(shè)計(jì)

4.1 豎向地震計(jì)算及結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

針對(duì)本工程懸挑桁架跨度較大，高度較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按規(guī)范補(bǔ)充豎向地震作用的計(jì)算，并考慮以豎向地震作用為主的工況組合。對(duì)空腹桁架根部弦桿及豎桿的抗震性能目標(biāo)設(shè)定為中震彈性、大震不屈服。

4.2 懸挑部位樓板應(yīng)力分析

懸挑桁架結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計(jì)時(shí)，采用彈性膜樓蓋假定計(jì)算，樓板和桁架協(xié)同工作，樓板需承擔(dān)較大軸力。樓板主拉內(nèi)力最大處13層（桁架上弦）樓板在多遇地震包絡(luò)工況下樓板主拉內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值如圖9、圖10所示。

通過(guò)應(yīng)力計(jì)算可得桁架上弦樓板拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值峰值153/120=1.27 MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa，理論上樓板不會(huì)出現(xiàn)裂縫。桁架上弦樓板拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值峰值186/120=1.55 MPa，大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa，受拉區(qū)域的樓板需要根據(jù)其受力狀態(tài)增加配筋。

通過(guò)分析可知，懸挑桁架樓板內(nèi)力主要由恒、活荷載作用引起，多遇地震作用下樓板內(nèi)力占比較小。另考慮樓板裂縫開(kāi)展情況，在中震及大震工況承載力驗(yàn)算時(shí)，不再考慮樓板剛度對(duì)懸挑桁架上下弦桿的有利作用。

4.3 樓板舒適度分析

采用MIDAS Gen軟件對(duì)懸挑桁架層進(jìn)行樓板自振頻率的計(jì)算，可得前3階自振頻率分別為3.79 Hz、3.80 Hz和5.55 Hz，如圖11～13所示。大懸挑部位樓板自振頻率均大于3.0 Hz，滿足JGJ 3-2020《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.7.7條要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）本工程承重及抗側(cè)力體系采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，大懸挑樓面豎向承載采用型鋼混凝土空腹桁架結(jié)構(gòu)，能滿足建筑效果和使用功能要求。

（2）針對(duì)本工程的超限情況，采用了合理的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置以及各項(xiàng)有效措施，計(jì)算分析表明，結(jié)構(gòu)能滿足既定的抗震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)有效合理。

（3）通過(guò)對(duì)樓板的多遇地震包絡(luò)工況應(yīng)力分析，采用增加配筋等方式來(lái)保證空腹桁架樓板在受拉區(qū)域的抗拉能力;對(duì)中震及大震工況，抗震性能設(shè)計(jì)不再考慮樓板剛度的有利影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖麗娟，肖從真，徐自國(guó)，等.懸挑結(jié)構(gòu)豎向地震作用分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].土木工程學(xué)報(bào)， 2008，41（3）：65-70.

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[3] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.