中关村大河庄苑结构设计

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

简介： 本文详细介绍了大河庄苑大型社区结构设计计算的全过程，针对大型社区建筑多样性，结构复杂性，结构工程师如何利用概念设计选则即安全可靠又经济实用的结构体系，同时就一些特殊问题的特殊处理进行了探讨。

关键字：大型社区 结构体系 安全经济 构造措施

1．概况

　　中关村大河庄苑项目是中关村西区唯一的集中高档住宅、公寓、写字楼及商业设施服务于一体的大型建筑群体，工程位于苏州街以西、大河庄南路以北，场地占地面积52000M²，建筑总面积250000M²，本设计包括：1#板楼--多层住宅、2～5#板式小高层住宅、6～8#高层塔楼住宅、幼儿园、地下锅炉房、大型地下车库及办公楼组成。
　　其中：1#楼平面尺寸为71.64mx25.12m,3、4层；2#楼平面尺寸为86.3mx17.7m,10、11层；3#楼平面尺寸为106.6mx16.67m,10、11层；4#楼平面尺寸为70.60mx15.20m,10层；5#楼平面为“L”型，一层为商业用房，地下一层为商业会所，二层以上为住宅，平面尺寸为68.7mx23.5m+39.8x15m,10、16、18层；6～8#楼平面尺寸为38mx34m塔楼，16层；幼儿园平面尺寸为40.3mx17.38m，二层；锅炉房平面尺寸为22.4mx18m,一层；1#楼与2#楼之间设两层地下车库；3#楼与4#、5#楼之间设有两层地下车库。办公楼。地下三层，平面尺寸为124.40mx54.90m，地下二、三为汽车库，地下一为商业用房；地上16层，平面尺寸为84.00mx33.60m，地上一、二为商业用房、其它为办公用房。

2． 设计依据

1）.基本风压 ，0.45KN/m2(按50年一遇的风压采用)
2）.基本雪压， 0.40KN/m2(按50年一遇的雪压采用)
3）.土壤冻结深度               80cm
4）.地震设防烈度    8度(设计基本地面加速度为0.20g,设计地震分组为第一组)
5）．工程地质及水文地质条件
　　根据（建设综合勘察研究设计院）2002年7月所作中关村大河庄苑《岩土工程勘察报告》

3. 结构设计标准

建筑安全等级为                                 二级
建筑抗震设防类别为                             丙类
建筑结构设计基准期为                           50年
建筑抗震等级：  
剪力墙结构：                             二级
短肢剪力墙结构 ：                          一级
5#楼框架-剪力墙结构：    剪力墙为一级；   框架为二级
办公楼抗震等级：       剪力墙一级        框架一级

图一：总平面布置图

4. 结构设计

1）地下结构

　　1#楼与2#楼；3#楼与4#、5#楼之间的地下车库为二层,柱网为8.2mx7.2m,层高为3.3m+3.3m,其中地下二为六级人防，地下一为车库， 顶板上覆土分别为3m、2m,底板考虑受力及防水要求采用筏板基础，筏板厚为600mm,柱冲切不够时，利用建筑地面厚度向上做柱帽。车库顶板经过方案比较认为采用井字梁较为合理，主梁断面500x700;次梁断面400mmx500mm;顶板厚：地下二顶板厚为250mm;地下一层因上部有2m、3m的覆土及防水要求板厚取250mm;车库柱为600mmx600mm；外墙厚为350mm,内承重墙厚为200mm,人防临空墙厚为300mm。
　　2#、3#楼地下为一层地下室，基础采用筏板，筏板厚为600mm,顶板采用梁板结构板厚为180mm。外墙厚为300mm,内承重墙厚为200mm。
　　4#、5#楼地下为二层地下室，基础采用筏板，筏板厚为600 mm，地下二顶板考虑人防板厚取为250mm，地下一顶板板厚为180mm，均采用梁板结构，外墙厚为350mm,内承重墙厚为200mm,人防临空墙厚300mm。
　　6#～8#楼地下为二层地下室，基础采用750mm厚的筏板，外墙厚为350mm,内承重墙厚为200mm,人防临空墙厚300mm,地下二顶板考虑人防板厚取为250mm，地下一顶板板厚为180mm，均采用梁板结构。
　　幼儿园基础采用柱下独立基础。
　　地下锅炉房由于防水要求采用筏板基础。
　　办公楼地下为三层,柱网为8.4mx8.4m,层高为3.4m+3.4m+5.1m,底板考虑受力及防水要求采用板式筏板基础，筏板厚为1200mm,柱冲切不够时，利用建筑地面厚度向上做柱帽。地下楼板经过方案比较认为采用井字梁较为合理，主梁断面400x600;次梁断面300mmx500mm;板厚：地下二、三顶板厚为150mm;地下一层顶板厚取200mm;地下柱：上部有主体结构部分柱为：1100mmx1100mm；仅有地下部分的柱为：800mmx800mm,外墙厚为350mm,中心楼电梯间筒体墙厚为400mm。地下结构采用C40混凝土，底板及外墙均采用防水混凝土，抗渗等级要求2.0Mpa。

2）上部结构选型：

　　本工程建筑形式多样，结构根据不同的建筑使用功能要求及抗震设计的要求，分别采用不同的结构形式，力争做到既安全又经济的目的，现分别简述如下：
（1）1#楼平面尺寸为71.64mx25.12m,3、4层，1#楼座落在地下车库上，采用砌体结构较为合理，采用KP1粘土空心砖，这样一来地下车库采用大柱网就更加灵活一些，另外在上部结构设一道温度变形缝，解决温度变形问题。
（2）2#楼平面尺寸为86.3mx17.7m,10、11层高，采用钢筋混凝土短肢剪力墙—内核心筒体结构较为合理，剪力墙厚均为200mm，混凝土用C30，由于平面尺寸过长，在不影响建筑配置的情况下，设一道温度缝，解决温度变形及混凝土收缩问题。
（3）3#楼平面尺寸为106.6mx16.67m,10、11层高，采用钢筋混凝土短肢剪力墙—内核心筒体结构较为合理，剪力墙厚均为200mm，混凝土用C30，由于平面尺寸过长，在不影响建筑配置的情况下，设一道温度缝，解决温度变形及混凝土收缩问题。
（4）4#楼平面尺寸为70.60mx15.20m,10层，采用钢筋混凝土短肢剪力墙—内核心筒体结构较为合理，剪力墙厚均为200mm，混凝土用C30，由于平面尺不太长，再考虑建筑配置，设缝较为困难，因此结构不设缝，但要采取构造措施和施工措施减少温度和混凝土收缩对结构的影响，详见新技术采用部分。
（5）5#楼平面为“L”型，平面尺寸为68.7mx23.5m+39.8x15m,10、16、18层；一层为商业用房，地下一层为商业会所，二层以上为住宅，由于平面布置属严重不规则，对抗震及为不利，所以在“L”型转角处设抗震缝一道，将其分成平面规则的两个独立单元，A段、B段，另外根据建筑配置要求，B段采用框架—剪力墙结构；A段采用剪力墙结构。
（6）6#～8#楼平面尺寸为38mx34m高层塔楼住宅，地下2层，其中地下二层为五级人防，地下一层为车库，地上16层为住宅，采用剪力墙结构较为合理。
（7）幼儿园由于开间较大6.9mx7.2m，采用现浇钢筋混凝土框架结构。
（8）地下锅炉房采用框架结构，顶板采用现浇钢筋梁板结构。
（9）办公楼地上部结构平面尺寸为84.00mx33.60m,16层，地面上总高为60m,柱网为8.4mX8.4m,采用钢筋混凝框架剪力墙结构较为合理，地上一~五层：框架柱为1000mx1000m,剪力墙厚为400mm,地上一框架梁为400X600mm;地上二~五框架梁400x500mm,地上六~十层：框架柱为800mx800m,剪力墙厚为350mm, 框架梁为400X500mm；地上十~十六层：框架柱为600mx600m,剪力墙厚为300mm, 框架梁为400X500mm。地上一~六层混凝土采用C40；地上七~十一层混凝土采用C35；其它层混凝土采用C30。地上各层楼板均采用8.4mX8.4m（BDF高强薄壁管）现浇钢筋混凝土空心楼盖,空心板厚为250mm,由于平面尺较长，再考虑建筑配置，设缝较为困难，因此结构不设缝，但要采取构造措施和施工措施减少温度和混凝土收缩对结构的影响，

5.结构计算

　　本工程中的剪力墙、短肢剪力墙-内核心筒、框架-剪力墙结构，选用中国建筑科学研究院编制的《高层建筑结构空间有限元分析软件》（墙元模型）SATWE(2002年1月)进行计算；对于砌体结构选用中国建筑科学研究院编制的《PKPM系列软件》进行计算，基础选用中国建筑科学研究院编制《JCCAD》基础计算软件进行计算，对于筏基分别采用倒楼盖和弹性地基进行计算；对于地下人防选用建设部建筑设计院城市地下建筑设计所北京理正软件设计研究所编制的《人防工程结构设计软件》（RFSJ V1.0）进行计算。
　　另外对于复杂的大跨度异型板分别采用SATWE复杂楼板有限元分析与设计(slabCAD)软件及STAAD/Pro(结构设计分析软件) 对其进行复杂楼板有限元分析。
　　现将主要结构的计算结果汇总如下表：

建筑编号

结构自振周期

T（S）

层间位移

D/h

顶点位移

Dmax/Hmax

剪重比

Q₀/G_e

有效质量系数

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#

剪力墙部分

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%

办

公楼

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%

　　由以上计算结果来分析，结构的刚度合理，其它均符合现行有关规范的要求，说明所选结构体系及配置是合理。

6.建筑新技术、新材料采用

1）结构选型上：对板式小高层结构采用了近年兴起的短肢剪力墙—核心筒结构，这种结构，有利于住宅建筑布置，抗震墙的数量可多可少，抗震墙肢可长可短，主要视抗侧力的需要而定，还可通过不同尺寸和布置以调整刚度与刚度中心位置，由于减少了剪力墙数量，而代之以轻质填充墙，不仅可进一步减轻结构自重，同时也可适当降低结构刚度，使地震作用减小，这不仅对基础设计有利，而且对结构抗震更为有利，同时也可降低工程造价，还可加快施工进度。
2）超长钢筋混凝土不设永久缝的构造措施和施工措施
　　为了今后业主使用方便，结合建筑配置要求：地下结构（车库）以及4#楼及办公楼均不设永久伸缩缝，但采取以下构造措施和施工措施来减少温度和混凝土收缩对结构的影响；
>a.对顶层、底层、山墙和纵墙端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率；
b. 顶层加强保温隔热措施；
c. 每隔30m～40m间距留出施工后浇带，带宽为800mm～1000mm，钢筋采用搭接接头，后浇带混凝土宜在两个月后浇灌；
d. 采用收缩小的水泥、减少水泥用量、在混凝土中加入适量的外加剂；
e. 提高每层楼板的构造配筋率；
f. 对办公楼采用部分预应力筋；
3 ）建设部1998年发布了今后建筑业十项新技术：本工程能够采用的有：
a. 深基坑支护技术；b.高效钢筋即冷轧带肋钢筋；c.粗钢筋机械连接技术；d.新型模板和脚手架应用；e.新型建筑防水及塑料管应用；f.企业的计算机应用及管理技术应用；

7． 特殊要求的结构处理

1）本工程有五、六级人防设计，设计依据《人民防空地下室设计规范》（GB50038-94）进行设计，其结构均为钢筋混凝土结构，其中1#楼与2#楼；3#楼与4#、5#楼之间的地下车库，地下二层为六级人防,底板考虑受力及防水要求采用筏板基础，筏板厚为600mm,柱冲切不够时，利用建筑地面厚度向上做柱帽。人防顶板厚为250mm;中间柱为600mmx600mm；外墙厚为350mm,人防临空墙厚为300mm；6#～8#楼地下二层为五级人防，底板考虑受力及防水要求采用筏板基础，  基础厚750mm，外墙厚为350mm,内承重墙厚为200mm,人防临空墙厚300mm,地下二层顶板考虑人防板厚取为250mm，采用梁板结构。
　　对于地下人防选用建设部建筑设计院城市地下建筑设计所北京理正软件设计研究所编制的《人防工程结构设计软件》（RFSJ V1.0）进行计算。
2）按《地下工程防水技术规范 》 （ GB50108-2001）要求本工程地下防水等级为二级，设防要求必须为两道，其中有一道为钢筋混凝土结构自防水；第二道为建筑柔性防水;
3）为解决地下结构防水要求及大体积混凝土收缩问题，在地下结构混凝土中参入一定量的外加剂，以提高混凝土的密实度和在混凝土中建立自应力（压力），以抵抗水泥水化热及其他因素引起的收缩拉力;另外在基础长度每隔30～40m留一道贯通顶板、底板及墙板的施工后浇带，带宽不小于800mm，后浇带处底板及外墙处采用附加防水层，后浇带混凝土在其两侧混凝土浇灌完毕两个月后再用高一强度等级的混凝土浇灌;
4）高层建筑与地下车库之间不设永久缝，采取以下技术措施以减少高层与地下车库间沉降差：
a.适当扩大高层基础底面积，以减少基底单位面积上的压力；尽可能减少车库基底面积，以加大基底单位面积上的压力；
b.在高层与车库间设置后浇带，后浇带宜设在车库一侧，后浇带的浇灌时间宜在高层主体结构完工以后;
c 结构设计验算高层与地下车库间沉降差，并考虑两者的沉降差对结构的不利影响，如加强连接处梁板的配筋等；
5）关于钢筋混凝土大跨度板裂缝的预防措施
　　根据以往大跨度板易出现角部裂缝的问题，本设计采取以下措施来预防出现裂缝：
a 在大板四角上部的1/4L(L为双向板短边尺寸)范围内，配置附加钢筋网 6@150
b.对于特大跨板，跨中板顶宜配支座一半的拉通筋;
c.由于大板的阴角部位应力集中，因此两个方向的负筋不宜小于同一方向的2倍。
e.在埋设PVC管的板中，沿管线上方宜配一层6@300 L=300mm的钢筋。
6）关于短肢剪力墙与轻质填充之间裂缝的预防措施:
　　由于钢筋混凝土短肢墙与轻质填充墙的变形模量不同，有时会在二者交界处产生微裂缝，可采取以下措施预防：
a .加强填充墙与短肢剪力墙间的连接；
b.在二者交界处附粘一层玻璃丝布或钢丝网，使应力平缓过渡;

8． 对施工一些要求

1）沉降观测要求
　　本次设计的2#～8#楼均需做建筑沉降观测，具体要求如下：
a. 建筑沉降观测必须设置永久性的水准点，其数量每栋不少于2个，应设置在不受地基变形和环境变化影响的位置，必须保证观测期间标高不发生变动。
b.观测中误差应小于0.5mm。
c.沉降观测可用精密水准或静力水准的方法进行，观测的仪器、方法、次数、限差等，应符合现行《建筑变形观测规程》的要求。
d.沉降观测应从完成基础底板施工时开始，一般至基本稳定（1mm/100d）终止。
2）深基础开挖监测要求
　　深基础开挖监测包扩下列内容，可根据实际需要选定：
a. 监测基坑内及其邻近地段的地下水情况，是否有管道渗漏、冒水等现象；
b. 监测基坑坑底隆起，基坑边坡的垂直与水平位移；
c. 监测基坑邻近建筑物、道路、管线等设施的沉降、裂缝、水平位移；
d. 监测土压力及支护系统的应力与变形；
e. 深基础开挖监测应从开挖前的初始情况开始，直至地下结构施工完成坑壁回填土后终止；
f. 基准点的设置、监测仪器、方法、限差等，应否合有关测量规程的要求，基坑边坡水平位移测量中误差，对无支撑基坑不应大于5mm；对于有支撑基坑不应大于2mm。
3）地下水位的监测要求
下列情况应进行地下水位监测：
a. 水位升降可能影响岩土工程性质或岩土稳定时；
b. 水位升降对建筑物可能产生浮托或对地下结构的防水防潮有较大影响时；
c. 施工排水对邻近工程有较大影响时；
d. 水位监测的布置应根据地质，水文地质条件和工程需要进行，观测孔数量，每个场地不少于3个，间距不大于30m，监测孔深度不小于最大可能降深以下1.0m;
e.水位监测时间应满足下列要求：
（1）系统动态观测的时间不应少于1个水文年，每周观测1次，雨季应加密；
（2）为工程需要进行的水位监测，其开始时间、终止条件、观测周期等，应根据工程需要确定；
（3）观测数据应逐次整理，绘成图表，并及时分析原因，提出处理意见。

8.结语

   本工程建筑形式多样，考虑业主今后使用方便，地下结构不设永久缝，仅在施工阶段留后浇带，并通过计算沉降来调整各建筑间沉降差;地上结构根据不同的建筑要求，分别采用了：砌体结构、钢筋混凝土短肢剪力墙、剪力墙、框架剪力墙结构.这就要求结构工程师通过概念设计合理的选则各建筑物的结构体系，同时充分利用概念设计处理一些特殊问题，力争做到即安全又经济的设计理念。通过本工程的设计，作者将概念设计始终贯穿到设计的各个阶段。本工程经北京市建筑设计研究总院审图中心专家们的严格审查，肯定了我们在结构选型、抗震设计参数、抗震等级、分析计算及有关特殊问题的构造处理措施，目前本工程施工已基本完成，得到业主好评。

参考文献

1. 建筑抗震设计规范  （GB50011-2001）

2. 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）

3. 混凝土结构设计规范 （GB50010-2002）

4. 高层结构设计  赵西安编著 中国建筑科学研究院出版1995年3月