中關村大河莊苑結構設計

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簡介： 本文詳細介紹了大河莊苑大型社區(qū)結構設計計算的全過程，針對大型社區(qū)建筑多樣性，結構復雜性，結構工程師如何利用概念設計選則即安全可靠又經(jīng)濟實用的結構體系，同時就一些特殊問題的特殊處理進行了探討。

關鍵字：大型社區(qū) 結構體系 安全經(jīng)濟 構造措施

1．概況

　　中關村大河莊苑項目是中關村西區(qū)唯一的集中高檔住宅、公寓、寫字樓及商業(yè)設施服務于一體的大型建筑群體，工程位于蘇州街以西、大河莊南路以北，場地占地面積52000M²，建筑總面積250000M²，本設計包括：1#板樓--多層住宅、2～5#板式小高層住宅、6～8#高層塔樓住宅、幼兒園、地下鍋爐房、大型地下車庫及辦公樓組成。
　　其中：1#樓平面尺寸為71.64mx25.12m,3、4層；2#樓平面尺寸為86.3mx17.7m,10、11層；3#樓平面尺寸為106.6mx16.67m,10、11層；4#樓平面尺寸為70.60mx15.20m,10層；5#樓平面為“L”型，一層為商業(yè)用房，地下一層為商業(yè)會所，二層以上為住宅，平面尺寸為68.7mx23.5m+39.8x15m,10、16、18層；6～8#樓平面尺寸為38mx34m塔樓，16層；幼兒園平面尺寸為40.3mx17.38m，二層；鍋爐房平面尺寸為22.4mx18m,一層；1#樓與2#樓之間設兩層地下車庫；3#樓與4#、5#樓之間設有兩層地下車庫。辦公樓。地下三層，平面尺寸為124.40mx54.90m，地下二、三為汽車庫，地下一為商業(yè)用房；地上16層，平面尺寸為84.00mx33.60m，地上一、二為商業(yè)用房、其它為辦公用房。

2． 設計依據(jù)

1）.基本風壓 ，0.45KN/m2(按50年一遇的風壓采用)
2）.基本雪壓， 0.40KN/m2(按50年一遇的雪壓采用)
3）.土壤凍結深度               80cm
4）.地震設防烈度    8度(設計基本地面加速度為0.20g,設計地震分組為第一組)
5）．工程地質及水文地質條件
　　根據(jù)（建設綜合勘察研究設計院）2002年7月所作中關村大河莊苑《巖土工程勘察報告》

3. 結構設計標準

建筑安全等級為                                 二級
建筑抗震設防類別為                             丙類
建筑結構設計基準期為                           50年
建筑抗震等級：  
剪力墻結構：                             二級
短肢剪力墻結構 ：                          一級
5#樓框架-剪力墻結構：    剪力墻為一級；   框架為二級
辦公樓抗震等級：       剪力墻一級        框架一級

圖一：總平面布置圖

4. 結構設計

1）地下結構

　　1#樓與2#樓；3#樓與4#、5#樓之間的地下車庫為二層,柱網(wǎng)為8.2mx7.2m,層高為3.3m+3.3m,其中地下二為六級人防，地下一為車庫， 頂板上覆土分別為3m、2m,底板考慮受力及防水要求采用筏板基礎，筏板厚為600mm,柱沖切不夠時，利用建筑地面厚度向上做柱帽。車庫頂板經(jīng)過方案比較認為采用井字梁較為合理，主梁斷面500x700;次梁斷面400mmx500mm;頂板厚：地下二頂板厚為250mm;地下一層因上部有2m、3m的覆土及防水要求板厚取250mm;車庫柱為600mmx600mm；外墻厚為350mm,內承重墻厚為200mm,人防臨空墻厚為300mm。
　　2#、3#樓地下為一層地下室，基礎采用筏板，筏板厚為600mm,頂板采用梁板結構板厚為180mm。外墻厚為300mm,內承重墻厚為200mm。
　　4#、5#樓地下為二層地下室，基礎采用筏板，筏板厚為600 mm，地下二頂板考慮人防板厚取為250mm，地下一頂板板厚為180mm，均采用梁板結構，外墻厚為350mm,內承重墻厚為200mm,人防臨空墻厚300mm。
　　6#～8#樓地下為二層地下室，基礎采用750mm厚的筏板，外墻厚為350mm,內承重墻厚為200mm,人防臨空墻厚300mm,地下二頂板考慮人防板厚取為250mm，地下一頂板板厚為180mm，均采用梁板結構。
　　幼兒園基礎采用柱下獨立基礎。
　　地下鍋爐房由于防水要求采用筏板基礎。
　　辦公樓地下為三層,柱網(wǎng)為8.4mx8.4m,層高為3.4m+3.4m+5.1m,底板考慮受力及防水要求采用板式筏板基礎，筏板厚為1200mm,柱沖切不夠時，利用建筑地面厚度向上做柱帽。地下樓板經(jīng)過方案比較認為采用井字梁較為合理，主梁斷面400x600;次梁斷面300mmx500mm;板厚：地下二、三頂板厚為150mm;地下一層頂板厚取200mm;地下柱：上部有主體結構部分柱為：1100mmx1100mm；僅有地下部分的柱為：800mmx800mm,外墻厚為350mm,中心樓電梯間筒體墻厚為400mm。地下結構采用C40混凝土，底板及外墻均采用防水混凝土，抗?jié)B等級要求2.0Mpa。

2）上部結構選型：

　　本工程建筑形式多樣，結構根據(jù)不同的建筑使用功能要求及抗震設計的要求，分別采用不同的結構形式，力爭做到既安全又經(jīng)濟的目的，現(xiàn)分別簡述如下：
（1）1#樓平面尺寸為71.64mx25.12m,3、4層，1#樓座落在地下車庫上，采用砌體結構較為合理，采用KP1粘土空心磚，這樣一來地下車庫采用大柱網(wǎng)就更加靈活一些，另外在上部結構設一道溫度變形縫，解決溫度變形問題。
（2）2#樓平面尺寸為86.3mx17.7m,10、11層高，采用鋼筋混凝土短肢剪力墻—內核心筒體結構較為合理，剪力墻厚均為200mm，混凝土用C30，由于平面尺寸過長，在不影響建筑配置的情況下，設一道溫度縫，解決溫度變形及混凝土收縮問題。
（3）3#樓平面尺寸為106.6mx16.67m,10、11層高，采用鋼筋混凝土短肢剪力墻—內核心筒體結構較為合理，剪力墻厚均為200mm，混凝土用C30，由于平面尺寸過長，在不影響建筑配置的情況下，設一道溫度縫，解決溫度變形及混凝土收縮問題。
（4）4#樓平面尺寸為70.60mx15.20m,10層，采用鋼筋混凝土短肢剪力墻—內核心筒體結構較為合理，剪力墻厚均為200mm，混凝土用C30，由于平面尺不太長，再考慮建筑配置，設縫較為困難，因此結構不設縫，但要采取構造措施和施工措施減少溫度和混凝土收縮對結構的影響，詳見新技術采用部分。
（5）5#樓平面為“L”型，平面尺寸為68.7mx23.5m+39.8x15m,10、16、18層；一層為商業(yè)用房，地下一層為商業(yè)會所，二層以上為住宅，由于平面布置屬嚴重不規(guī)則，對抗震及為不利，所以在“L”型轉角處設抗震縫一道，將其分成平面規(guī)則的兩個獨立單元，A段、B段，另外根據(jù)建筑配置要求，B段采用框架—剪力墻結構；A段采用剪力墻結構。
（6）6#～8#樓平面尺寸為38mx34m高層塔樓住宅，地下2層，其中地下二層為五級人防，地下一層為車庫，地上16層為住宅，采用剪力墻結構較為合理。
（7）幼兒園由于開間較大6.9mx7.2m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構。
（8）地下鍋爐房采用框架結構，頂板采用現(xiàn)澆鋼筋梁板結構。
（9）辦公樓地上部結構平面尺寸為84.00mx33.60m,16層，地面上總高為60m,柱網(wǎng)為8.4mX8.4m,采用鋼筋混凝框架剪力墻結構較為合理，地上一~五層：框架柱為1000mx1000m,剪力墻厚為400mm,地上一框架梁為400X600mm;地上二~五框架梁400x500mm,地上六~十層：框架柱為800mx800m,剪力墻厚為350mm, 框架梁為400X500mm；地上十~十六層：框架柱為600mx600m,剪力墻厚為300mm, 框架梁為400X500mm。地上一~六層混凝土采用C40；地上七~十一層混凝土采用C35；其它層混凝土采用C30。地上各層樓板均采用8.4mX8.4m（BDF高強薄壁管）現(xiàn)澆鋼筋混凝土空心樓蓋,空心板厚為250mm,由于平面尺較長，再考慮建筑配置，設縫較為困難，因此結構不設縫，但要采取構造措施和施工措施減少溫度和混凝土收縮對結構的影響，

5.結構計算

　　本工程中的剪力墻、短肢剪力墻-內核心筒、框架-剪力墻結構，選用中國建筑科學研究院編制的《高層建筑結構空間有限元分析軟件》（墻元模型）SATWE(2002年1月)進行計算；對于砌體結構選用中國建筑科學研究院編制的《PKPM系列軟件》進行計算，基礎選用中國建筑科學研究院編制《JCCAD》基礎計算軟件進行計算，對于筏基分別采用倒樓蓋和彈性地基進行計算；對于地下人防選用建設部建筑設計院城市地下建筑設計所北京理正軟件設計研究所編制的《人防工程結構設計軟件》（RFSJ V1.0）進行計算。
　　另外對于復雜的大跨度異型板分別采用SATWE復雜樓板有限元分析與設計(slabCAD)軟件及STAAD/Pro(結構設計分析軟件) 對其進行復雜樓板有限元分析。
　　現(xiàn)將主要結構的計算結果匯總如下表：

建筑編號

結構自振周期

T（S）

層間位移

D/h

頂點位移

Dmax/Hmax

剪重比

Q₀/G_e

有效質量系數(shù)

C_mass

X方向

Y方向

X方向

Y方向

X方向

Y方向

X方向

Y方向

X方向

Y方向

6#

7#

8#

T₁=0.6842

T₂=0.5552

T₃=0.5327

T₄=0.1963

T₅=0.1555

T₆=0.1511

T₇=0.0978

T₈=0.0782

T₉=0.0765

T₁₀=0.0636

T₁₁=0.0505

T₁₂=0.0500

T₁₃=0.0467

T₁₄=0.0389

T₁₅=0.0375

T₁₆=0.0364

1/2490

1/3093

1/2871

1/3909

7.33%

9.53%

97.75%

96.23%

5#框

剪

部分

T₁=0.8947

T₂=0.7755

T₃=0.5221

T₄=0..2696

T₅=0.2116

T₆=0.1482

T₇=0.1426

T₈=0.1283

T₉=0.1280

T₁₀=0.1279

T₁₁=0.1276

T₁₂=0.1094

T₁₃=0.1051

T₁₄=0.0950

T₁₅=0.0740

T₁₆=0.0713

1/1935

1/2658

1/2435

1/2358

6.01%

5.61%

98.56%

97.69%

5#

剪力墻部分

T₁=0.7319

T₂=0.6505

T₃=0.3570

T₄=0.2597

T₅=0.2143

T₆=0.1556

T₇=0.1148

T₈=0.0915

T₉=0.0782

T₁₀=0.0736

T₁₁=0.0646

T₁₂=0.0535

T₁₃=0.0491

T₁₄=0.0432

T₁₅=0.0392

T₁₆=0.0354

1/3470

1/3325

1/3377

1/3547

5.15%

5.00%

99.91%

99.02%

3#

T₁=0.5364

T₂=0.4122

T₃=0.3929

T₄=0.2088

T₅=0.2084

T₆=0.2001

T₇=0.1819

T₈=0.1795

T₉=0.1794

T₁₀=0.1775

T₁₁=0.1762

T₁₂=0.1723

T₁₃=0.1156

T₁₄=0.1723

T₁₅=0.1587

T₁₆=0.1586

1/2070

1/3971

1/2618

1/4488

7.05%

8.56%

85.67%

84.54%

4#

T₁=0.4864

T₂=0.4025

T₃=0.3852

T₄=0.1985

T₅=0.1964

T₆=0.1864

T₇=0.1810

T₈=0.1790

T₉=0.1785

T₁₀=0.1770

T₁₁=0.1760

T₁₂=0.1720

T₁₃=0.1154

T₁₄=0.1724

T₁₅=0.1584

T₁₆=0.1583

1/2215

1/4051

1/2850

1/4400

7.25%

8.30%

89.45%

87.67%

2#

T₁=0.5026

T₂=0.4825

T₃=0.4035

T₄=0.1967

T₅=0.1945

T₆=0.1860

T₇=0.1820

T₈=0.1789

T₉=0.1785

T₁₀=0.1775

T₁₁=0.1745

T₁₂=0.1720

T₁₃=0.1159

T₁₄=0.1735

T₁₅=0.1567

T₁₆=0.1523

1/2350

1/4151

1/2960

1/4450

7.65%

8.60%

90.05%

89.60%

辦

公樓

T₁=1.420

T₂=1..380

T₃=1.17

T₄=1.16

T₅=0.87

T₆=0.311

T₇=0.271

T₈=0.213

T₉=0.128

T₁₀=0.127

T₁₁=0.109

T₁₂=0.103

T₁₃=0.083

T₁₄=0.080

T₁₅=0.072

T₁₆=0.050

1/1300

1/2000

1/1600

1/4000

5.67%

4.95%

97.75%

96.23%

　　由以上計算結果來分析，結構的剛度合理，其它均符合現(xiàn)行有關規(guī)范的要求，說明所選結構體系及配置是合理。

6.建筑新技術、新材料采用

1）結構選型上：對板式小高層結構采用了近年興起的短肢剪力墻—核心筒結構，這種結構，有利于住宅建筑布置，抗震墻的數(shù)量可多可少，抗震墻肢可長可短，主要視抗側力的需要而定，還可通過不同尺寸和布置以調整剛度與剛度中心位置，由于減少了剪力墻數(shù)量，而代之以輕質填充墻，不僅可進一步減輕結構自重，同時也可適當降低結構剛度，使地震作用減小，這不僅對基礎設計有利，而且對結構抗震更為有利，同時也可降低工程造價，還可加快施工進度。
2）超長鋼筋混凝土不設永久縫的構造措施和施工措施
　　為了今后業(yè)主使用方便，結合建筑配置要求：地下結構（車庫）以及4#樓及辦公樓均不設永久伸縮縫，但采取以下構造措施和施工措施來減少溫度和混凝土收縮對結構的影響；
>a.對頂層、底層、山墻和縱墻端開間等溫度變化影響較大的部位提高配筋率；
b. 頂層加強保溫隔熱措施；
c. 每隔30m～40m間距留出施工后澆帶，帶寬為800mm～1000mm，鋼筋采用搭接接頭，后澆帶混凝土宜在兩個月后澆灌；
d. 采用收縮小的水泥、減少水泥用量、在混凝土中加入適量的外加劑；
e. 提高每層樓板的構造配筋率；
f. 對辦公樓采用部分預應力筋；
3 ）建設部1998年發(fā)布了今后建筑業(yè)十項新技術：本工程能夠采用的有：
a. 深基坑支護技術；b.高效鋼筋即冷軋帶肋鋼筋；c.粗鋼筋機械連接技術；d.新型模板和腳手架應用；e.新型建筑防水及塑料管應用；f.企業(yè)的計算機應用及管理技術應用；

7． 特殊要求的結構處理

1）本工程有五、六級人防設計，設計依據(jù)《人民防空地下室設計規(guī)范》（GB50038-94）進行設計，其結構均為鋼筋混凝土結構，其中1#樓與2#樓；3#樓與4#、5#樓之間的地下車庫，地下二層為六級人防,底板考慮受力及防水要求采用筏板基礎，筏板厚為600mm,柱沖切不夠時，利用建筑地面厚度向上做柱帽。人防頂板厚為250mm;中間柱為600mmx600mm；外墻厚為350mm,人防臨空墻厚為300mm；6#～8#樓地下二層為五級人防，底板考慮受力及防水要求采用筏板基礎，  基礎厚750mm，外墻厚為350mm,內承重墻厚為200mm,人防臨空墻厚300mm,地下二層頂板考慮人防板厚取為250mm，采用梁板結構。
　　對于地下人防選用建設部建筑設計院城市地下建筑設計所北京理正軟件設計研究所編制的《人防工程結構設計軟件》（RFSJ V1.0）進行計算。
2）按《地下工程防水技術規(guī)范 》 （ GB50108-2001）要求本工程地下防水等級為二級，設防要求必須為兩道，其中有一道為鋼筋混凝土結構自防水；第二道為建筑柔性防水;
3）為解決地下結構防水要求及大體積混凝土收縮問題，在地下結構混凝土中參入一定量的外加劑，以提高混凝土的密實度和在混凝土中建立自應力（壓力），以抵抗水泥水化熱及其他因素引起的收縮拉力;另外在基礎長度每隔30～40m留一道貫通頂板、底板及墻板的施工后澆帶，帶寬不小于800mm，后澆帶處底板及外墻處采用附加防水層，后澆帶混凝土在其兩側混凝土澆灌完畢兩個月后再用高一強度等級的混凝土澆灌;
4）高層建筑與地下車庫之間不設永久縫，采取以下技術措施以減少高層與地下車庫間沉降差：
a.適當擴大高層基礎底面積，以減少基底單位面積上的壓力；盡可能減少車庫基底面積，以加大基底單位面積上的壓力；
b.在高層與車庫間設置后澆帶，后澆帶宜設在車庫一側，后澆帶的澆灌時間宜在高層主體結構完工以后;
c 結構設計驗算高層與地下車庫間沉降差，并考慮兩者的沉降差對結構的不利影響，如加強連接處梁板的配筋等；
5）關于鋼筋混凝土大跨度板裂縫的預防措施
　　根據(jù)以往大跨度板易出現(xiàn)角部裂縫的問題，本設計采取以下措施來預防出現(xiàn)裂縫：
a 在大板四角上部的1/4L(L為雙向板短邊尺寸)范圍內，配置附加鋼筋網(wǎng) 6@150
b.對于特大跨板，跨中板頂宜配支座一半的拉通筋;
c.由于大板的陰角部位應力集中，因此兩個方向的負筋不宜小于同一方向的2倍。
e.在埋設PVC管的板中，沿管線上方宜配一層6@300 L=300mm的鋼筋。
6）關于短肢剪力墻與輕質填充之間裂縫的預防措施:
　　由于鋼筋混凝土短肢墻與輕質填充墻的變形模量不同，有時會在二者交界處產(chǎn)生微裂縫，可采取以下措施預防：
a .加強填充墻與短肢剪力墻間的連接；
b.在二者交界處附粘一層玻璃絲布或鋼絲網(wǎng)，使應力平緩過渡;

8． 對施工一些要求

1）沉降觀測要求
　　本次設計的2#～8#樓均需做建筑沉降觀測，具體要求如下：
a. 建筑沉降觀測必須設置永久性的水準點，其數(shù)量每棟不少于2個，應設置在不受地基變形和環(huán)境變化影響的位置，必須保證觀測期間標高不發(fā)生變動。
b.觀測中誤差應小于0.5mm。
c.沉降觀測可用精密水準或靜力水準的方法進行，觀測的儀器、方法、次數(shù)、限差等，應符合現(xiàn)行《建筑變形觀測規(guī)程》的要求。
d.沉降觀測應從完成基礎底板施工時開始，一般至基本穩(wěn)定（1mm/100d）終止。
2）深基礎開挖監(jiān)測要求
　　深基礎開挖監(jiān)測包擴下列內容，可根據(jù)實際需要選定：
a. 監(jiān)測基坑內及其鄰近地段的地下水情況，是否有管道滲漏、冒水等現(xiàn)象；
b. 監(jiān)測基坑坑底隆起，基坑邊坡的垂直與水平位移；
c. 監(jiān)測基坑鄰近建筑物、道路、管線等設施的沉降、裂縫、水平位移；
d. 監(jiān)測土壓力及支護系統(tǒng)的應力與變形；
e. 深基礎開挖監(jiān)測應從開挖前的初始情況開始，直至地下結構施工完成坑壁回填土后終止；
f. 基準點的設置、監(jiān)測儀器、方法、限差等，應否合有關測量規(guī)程的要求，基坑邊坡水平位移測量中誤差，對無支撐基坑不應大于5mm；對于有支撐基坑不應大于2mm。
3）地下水位的監(jiān)測要求
下列情況應進行地下水位監(jiān)測：
a. 水位升降可能影響巖土工程性質或巖土穩(wěn)定時；
b. 水位升降對建筑物可能產(chǎn)生浮托或對地下結構的防水防潮有較大影響時；
c. 施工排水對鄰近工程有較大影響時；
d. 水位監(jiān)測的布置應根據(jù)地質，水文地質條件和工程需要進行，觀測孔數(shù)量，每個場地不少于3個，間距不大于30m，監(jiān)測孔深度不小于最大可能降深以下1.0m;
e.水位監(jiān)測時間應滿足下列要求：
（1）系統(tǒng)動態(tài)觀測的時間不應少于1個水文年，每周觀測1次，雨季應加密；
（2）為工程需要進行的水位監(jiān)測，其開始時間、終止條件、觀測周期等，應根據(jù)工程需要確定；
（3）觀測數(shù)據(jù)應逐次整理，繪成圖表，并及時分析原因，提出處理意見。

8.結語

   本工程建筑形式多樣，考慮業(yè)主今后使用方便，地下結構不設永久縫，僅在施工階段留后澆帶，并通過計算沉降來調整各建筑間沉降差;地上結構根據(jù)不同的建筑要求，分別采用了：砌體結構、鋼筋混凝土短肢剪力墻、剪力墻、框架剪力墻結構.這就要求結構工程師通過概念設計合理的選則各建筑物的結構體系，同時充分利用概念設計處理一些特殊問題，力爭做到即安全又經(jīng)濟的設計理念。通過本工程的設計，作者將概念設計始終貫穿到設計的各個階段。本工程經(jīng)北京市建筑設計研究總院審圖中心專家們的嚴格審查，肯定了我們在結構選型、抗震設計參數(shù)、抗震等級、分析計算及有關特殊問題的構造處理措施，目前本工程施工已基本完成，得到業(yè)主好評。

參考文獻

1. 建筑抗震設計規(guī)范  （GB50011-2001）

2. 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程（JGJ3-2002）

3. 混凝土結構設計規(guī)范 （GB50010-2002）

4. 高層結構設計  趙西安編著 中國建筑科學研究院出版1995年3月