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【摘要】本文根据笔者的工程实例介绍了某商业综合大楼工程结构设计的主要内容，分析结构布置、电算结果分析、地基基础的设计等问题。
【关键词】核心筒结构；抗震构造措施；地基不均匀变形
中图分类号：TU972
1工程概况
某商业综合大楼工程建筑面积2.9x104㎡。主楼地上18层，主体高度67.2m，裙楼地上4层，主体高度22.2m。主楼和裙楼在±0.00mm以下连为整体，地下室共2层。
2结构整体分析
2．1结构设计基本概况
本工程设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级。抗震设防烈度为7度(第一组)，设计基本地震加速度值为0.01g；本工程场地类别为II类，场地特征周期值Tg=0.35s。建筑抗震设防类别为丙类。ω0=0.55kN/㎡(50年一遇)，地面粗糙度为B类。楼面主要活荷载标准值：地下车库取4.0kN/㎡、办公室、会议室取2.0kN/㎡、商业取3.5kN/㎡。
2．2结构体系
由于主楼与裙楼高度不同，在主楼和裙楼之间设防震缝(裙楼采用混凝土框架结构，不再赘述)。主楼采用现浇钢筋混凝土框架——抗震墙结构体系，根据建筑功能要求，抗震墙主要集中布置在中部的交通盒处，结构体系接近现浇钢筋混凝土框架——核心筒，在设计过程中按框架——抗震墙结构计算、按框架——核心筒结构采取抗震构造措施。楼盖体系为现浇梁板结构。钢筋混凝土抗震墙作为主要抗侧力结构构件，框架作为抗震第二道防线，形成双重抗侧力结构体系。“核心筒”为矩形，平面尺寸为11.50m×12.75m，“核心筒”短轴方向宽度为11.5m，其高宽比67.2/11.55=5.84，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》核心筒高宽比不宜大于12的要求。由于“核心筒”的位置偏向北侧，且“核心简”南侧外墙开6.8m宽的大洞口(建筑功能需要)，导致结构刚度中心明显偏向北侧，为了将刚度中心移向质量中心，在主楼南侧的两个角部均设了部分抗震墙。
图1 竖向结构构件布置图
2．3主要构件截面
“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350mm，自下至上其厚度变化两次分别为300mm、250mm；“核心筒”内墙厚度为200mm、250mm、300mm不等。底层框架柱截面为800mm×800mm，上部各层分段减少至700mm×700mm、600mmx600mm。现浇混凝土“核心筒”墙体、框架柱的强度等级由C50沿竖向分两次变化至C30，与构件截面变化楼层措开，使结构竖向刚度均匀、连续无突变。东西向跨度8.0m，框架梁截面（300mm×650mm；南北向跨度7.2m，除边榀(边榀梁高为300mm×650mm，梁底与窗顶齐)外框架梁截面均取为300mm×600mm(与东西向不等高，施工时方便钢筋排布)。
2．4结构计算
本工程采用“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE”进行结构计算，地震效应采用双向水平地震作用下的扭转耦联效应。周期计算结果见表1。其它计算结果见表2。
表1 周期计算结果
由上表可见，前两个振型分别为X、Y向平动，第三个振型为扭转振动，且以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比小于0.90。这说明结构平面布置是比较合理的，结构的扭转效应不是特别明显。
表2 其他计算结果
由表2可见，大部分结果比较合理，只是最大层间位移角偏小，这说明结构的抗侧移刚度偏大。对于本工程来说，这也是必然的，因为本工程总高度不算高(67.2m)，而结构体系接近框架——核心筒结构(该类结构体系抗侧移刚度比较大)。
3抗震构造措施
抗震构造措施是抗震设计的一项重要内容。单片抗震墙组成筒体以后，抗侧移刚度大大加强，这就要求组成简体的抗震墙必须满足简体的要求、在水平力作用下共同工作，只有这样才能发挥筒的优势。这类结构有以下几项抗震构造措施应特别注意。
1)简体角部附近不宜开洞，当不可避免时，筒角内壁至洞口的距离不应小于500mm和开洞墙的截面厚度；简体外墙不宜在水平方向连续开洞，洞间墙肢的截面高度不宜小于1.2m；框架——核心筒结构一级、二级简体角部的边缘构件宜按下列要求加强：底部加强部位，约束边缘构件范围内宜全部采用箍筋，且约束边缘构件沿墙肢的长度宜取墙肢截面高度的1／4，底部加强部位以上的全高范围内宜按转角墙的要求设置约束边缘构件。
2)核心筒内部的楼板厚度不宜小于120mm，宜双层配筋；简体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋，单层单向配筋率不宜小于0.3％，钢筋的直径不应小于8mm，间距不应大于150mm，配筋范围不宜小于外框架至内筒外墙中距的1/3和3m。
4基础设计
本工程场地内无不良地质作用、无环境地质问题，地基为均匀地基，适宜进行本工程的建。基础设计等级为乙级。
4．1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2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3，本场地地下水位埋深约60m，可不考虑地下水对基础的影响。
表3 图层岩性特征
4．2地基基础设计
1)本工程由主楼、裙楼组成，主裙楼基础底标高分别为-10.30m、-9.75m。由于主裙楼之间层数、重量差异较大，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，又具有较好得经济性，是地基基础设计的一个关键问题。根据上部结构荷载分布特征，并结合地质情况，地基采用低强度素混凝土桩(CFG桩)复合地基，主楼部分采用梁式筏基，裙楼框架柱采用独立柱基础和条基。为减少主楼与群楼间的基础差异沉降采取如下措施：第一，提高主楼范围复合地基的承载力，处理后复合地基承载力特征值，ƒ8pk≥340kPa；第二，降低裙楼范围复合地基的承载力，处理后复合地基承载力特征值ƒ8pk≥280kPa；第三，在裙楼范围内设置沉降后浇带，通过沉降观测实际数据和沉降趋势确定后浇带浇灌时间；第四，适当加强垂直主楼方向裙楼梁的配筋。主楼计算最大沉降量为23mm，裙楼独立柱基为20mm，无沉降突变。
2)另一个类似的关键问题是核心筒与外围框架间的不均匀沉降问题。为了解决这个问题，加大了“核心筒”附近基础的刚度(外围框架处筏板厚度1200mm，设置1000mmxl650mm基础梁；“核心筒”范围内及其周围2.55m范围内的筏板加厚至l650mm，并设置了部分暗梁)，详见图2。通过计算，整个主楼基础的配筋比较合理，由不均匀沉降产生的配筋突变问题并不明显。本工程地上仅有l8层，如果地上层数再多一些，这个不均匀沉降问题将会变得明显，将“核心筒”范围内地基的承载力提高是解决这个问题的一个好办法。
图2基础布置图
5结论
1)在点式高层建筑中，框架——核心简结构是比较常见的，其力学性能及抗震性能均优于一般的框架——抗震墙结构，为了保证核心筒的稳定性及抗侧向力作用的空间有效性，框架——核心筒结构的抗震构造措施是比较重要的(条款较多、要求较严)，在设计过程中，应与其它专业协调好，把抗震构造措施做好。
2)核心筒范圍内竖向刚度比较大，外围框架处竖向刚度比较小，框架——核心筒结构传至基础的荷载主要集中在核心筒范围内，在设计过程中，提高核心筒范围内地基的承载力、减小核心筒与外围框架的沉降差是设计好该类结构基础的关键。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
【关键词】核心筒结构；抗震构造措施；地基不均匀变形
中图分类号：TU972
1工程概况
某商业综合大楼工程建筑面积2.9x104㎡。主楼地上18层，主体高度67.2m，裙楼地上4层，主体高度22.2m。主楼和裙楼在±0.00mm以下连为整体，地下室共2层。
2结构整体分析
2．1结构设计基本概况
本工程设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级。抗震设防烈度为7度(第一组)，设计基本地震加速度值为0.01g；本工程场地类别为II类，场地特征周期值Tg=0.35s。建筑抗震设防类别为丙类。ω0=0.55kN/㎡(50年一遇)，地面粗糙度为B类。楼面主要活荷载标准值：地下车库取4.0kN/㎡、办公室、会议室取2.0kN/㎡、商业取3.5kN/㎡。
2．2结构体系
由于主楼与裙楼高度不同，在主楼和裙楼之间设防震缝(裙楼采用混凝土框架结构，不再赘述)。主楼采用现浇钢筋混凝土框架——抗震墙结构体系，根据建筑功能要求，抗震墙主要集中布置在中部的交通盒处，结构体系接近现浇钢筋混凝土框架——核心筒，在设计过程中按框架——抗震墙结构计算、按框架——核心筒结构采取抗震构造措施。楼盖体系为现浇梁板结构。钢筋混凝土抗震墙作为主要抗侧力结构构件，框架作为抗震第二道防线，形成双重抗侧力结构体系。“核心筒”为矩形，平面尺寸为11.50m×12.75m，“核心筒”短轴方向宽度为11.5m，其高宽比67.2/11.55=5.84，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》核心筒高宽比不宜大于12的要求。由于“核心筒”的位置偏向北侧，且“核心简”南侧外墙开6.8m宽的大洞口(建筑功能需要)，导致结构刚度中心明显偏向北侧，为了将刚度中心移向质量中心，在主楼南侧的两个角部均设了部分抗震墙。
图1 竖向结构构件布置图
2．3主要构件截面
“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350mm，自下至上其厚度变化两次分别为300mm、250mm；“核心筒”内墙厚度为200mm、250mm、300mm不等。底层框架柱截面为800mm×800mm，上部各层分段减少至700mm×700mm、600mmx600mm。现浇混凝土“核心筒”墙体、框架柱的强度等级由C50沿竖向分两次变化至C30，与构件截面变化楼层措开，使结构竖向刚度均匀、连续无突变。东西向跨度8.0m，框架梁截面（300mm×650mm；南北向跨度7.2m，除边榀(边榀梁高为300mm×650mm，梁底与窗顶齐)外框架梁截面均取为300mm×600mm(与东西向不等高，施工时方便钢筋排布)。
2．4结构计算
本工程采用“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE”进行结构计算，地震效应采用双向水平地震作用下的扭转耦联效应。周期计算结果见表1。其它计算结果见表2。
表1 周期计算结果
由上表可见，前两个振型分别为X、Y向平动，第三个振型为扭转振动，且以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比小于0.90。这说明结构平面布置是比较合理的，结构的扭转效应不是特别明显。
表2 其他计算结果
由表2可见，大部分结果比较合理，只是最大层间位移角偏小，这说明结构的抗侧移刚度偏大。对于本工程来说，这也是必然的，因为本工程总高度不算高(67.2m)，而结构体系接近框架——核心筒结构(该类结构体系抗侧移刚度比较大)。
3抗震构造措施
抗震构造措施是抗震设计的一项重要内容。单片抗震墙组成筒体以后，抗侧移刚度大大加强，这就要求组成简体的抗震墙必须满足简体的要求、在水平力作用下共同工作，只有这样才能发挥筒的优势。这类结构有以下几项抗震构造措施应特别注意。
1)简体角部附近不宜开洞，当不可避免时，筒角内壁至洞口的距离不应小于500mm和开洞墙的截面厚度；简体外墙不宜在水平方向连续开洞，洞间墙肢的截面高度不宜小于1.2m；框架——核心筒结构一级、二级简体角部的边缘构件宜按下列要求加强：底部加强部位，约束边缘构件范围内宜全部采用箍筋，且约束边缘构件沿墙肢的长度宜取墙肢截面高度的1／4，底部加强部位以上的全高范围内宜按转角墙的要求设置约束边缘构件。
2)核心筒内部的楼板厚度不宜小于120mm，宜双层配筋；简体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋，单层单向配筋率不宜小于0.3％，钢筋的直径不应小于8mm，间距不应大于150mm，配筋范围不宜小于外框架至内筒外墙中距的1/3和3m。
4基础设计
本工程场地内无不良地质作用、无环境地质问题，地基为均匀地基，适宜进行本工程的建。基础设计等级为乙级。
4．1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2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3，本场地地下水位埋深约60m，可不考虑地下水对基础的影响。
表3 图层岩性特征
4．2地基基础设计
1)本工程由主楼、裙楼组成，主裙楼基础底标高分别为-10.30m、-9.75m。由于主裙楼之间层数、重量差异较大，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，又具有较好得经济性，是地基基础设计的一个关键问题。根据上部结构荷载分布特征，并结合地质情况，地基采用低强度素混凝土桩(CFG桩)复合地基，主楼部分采用梁式筏基，裙楼框架柱采用独立柱基础和条基。为减少主楼与群楼间的基础差异沉降采取如下措施：第一，提高主楼范围复合地基的承载力，处理后复合地基承载力特征值，ƒ8pk≥340kPa；第二，降低裙楼范围复合地基的承载力，处理后复合地基承载力特征值ƒ8pk≥280kPa；第三，在裙楼范围内设置沉降后浇带，通过沉降观测实际数据和沉降趋势确定后浇带浇灌时间；第四，适当加强垂直主楼方向裙楼梁的配筋。主楼计算最大沉降量为23mm，裙楼独立柱基为20mm，无沉降突变。
2)另一个类似的关键问题是核心筒与外围框架间的不均匀沉降问题。为了解决这个问题，加大了“核心筒”附近基础的刚度(外围框架处筏板厚度1200mm，设置1000mmxl650mm基础梁；“核心筒”范围内及其周围2.55m范围内的筏板加厚至l650mm，并设置了部分暗梁)，详见图2。通过计算，整个主楼基础的配筋比较合理，由不均匀沉降产生的配筋突变问题并不明显。本工程地上仅有l8层，如果地上层数再多一些，这个不均匀沉降问题将会变得明显，将“核心筒”范围内地基的承载力提高是解决这个问题的一个好办法。
图2基础布置图
5结论
1)在点式高层建筑中，框架——核心简结构是比较常见的，其力学性能及抗震性能均优于一般的框架——抗震墙结构，为了保证核心筒的稳定性及抗侧向力作用的空间有效性，框架——核心筒结构的抗震构造措施是比较重要的(条款较多、要求较严)，在设计过程中，应与其它专业协调好，把抗震构造措施做好。
2)核心筒范圍内竖向刚度比较大，外围框架处竖向刚度比较小，框架——核心筒结构传至基础的荷载主要集中在核心筒范围内，在设计过程中，提高核心筒范围内地基的承载力、减小核心筒与外围框架的沉降差是设计好该类结构基础的关键。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。