某研究所科研综合楼结构设计
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摘要：某所科研办公楼是一栋多功能高层建筑，根据其使用功能要求采用了框架－剪力墙结构，采取了相应的构造措施，通过调整剪力墙的布置，使结构的两个方向刚度趋于均匀，依照规范要求对该结构进行了弹塑性动力分析，保证建筑物立面造型的基础上，做到了结构的经济合理。
关键词： 框架－剪力墙结构 桩-筏基础 抗震计算 弹塑性分析
Structure Design of the Scientific Research Complex Buildingof the Research Institute
Cao BingTangCunfang
（Wuzhou Engineering Design and Research InstituteBeijing100053）
Abstract: The scientific research and office building of the research institute is a multi-functional high-rise building. According to the function requirement, frame-shear wall structure is adopted and related structural measures are taken. The rigidity on two directions of the structure shall tend to uniform via adjusting the arrangement of shear wall. Elastic-plastic analysis is carried out to the present structure in accordance with the codes. On the basis of ensuring the facade of the building, the structure can be economic and reasonable.
Key words: Frame-shear wall structure, Pile-raft foundation, Seismic calculation, Elastic-plastic analysis
0 工程概况
中国兵器工业某研究所科研综合楼位于昆明市，科研综合楼建筑造型简洁大方，在满足工艺要求的前提下，体现了时代特点和研究所性质，达到了美观、适用、经济的最佳综合效果。
该科研综合楼裙房部分长54.0m，宽50.1m，主楼部分长54.0m,宽23.1m。地下一层，地上十九层，建筑物总高度为80.3m。地下一层平时为汽车库，战时为6级人防，地上三层主楼及裙房层高分别为6.4m,6.0m,6.0m，地上四至十层层高为3.9m,地上十一层至十九层层高为3.7m。2003年底设计结束，建成后的建筑物全景见图1。
图1 科研办公楼全景
Fig.1 View of The scientific research and office building
1 地基基础
根据地质勘察报告，建筑场地土层分布为：⑤砾砂；⑥砾砂；⑦圆砾；⑧粉土；⑨砾砂；⑩泥炭质土。地下水位稳定埋深0.58~1.20米，标高介于1891.90~1892.79米之间，属第四系孔隙水，略具承压类型，地下水位随季节变化而变动，但变幅不大。
结合该建筑物地质特点和当地施工经验，基础采用梁式筏板下振动沉管灌注桩即“桩-筏基础”。桩端持力层为⑦层圆砾，桩径540。桩端全断面入持力层深度大于1.40m，桩底端至桩顶全长L约23.5m，振动沉管混凝土灌注桩的单桩竖向承载力设计值根据“科研综合大楼岩土工程勘察报告”提供的地基土的物理力学计算指标及云南省地震工程研究院于二00三年十一月提供的《竖向抗压静载荷试验报告》提供的试验值，确定单桩竖向承载力设计值 Rd=2100KN.
该综合楼带有裙房，但由于场地地下水位较高，若设置沉降缝，会对以后的使用带来隐患，因而在基础设计时未设置沉降缝，通过控制“桩-筏基础”中桩的布置，调整建筑物主楼和裙房间的不均匀沉降以满足规范的要求。
基础采用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部编制的JCCAD模块进行计算分析，为调整基础不均匀沉降，适当加大了筏板厚度和基础翼缘宽度，提高了基础的整体刚度，使得上部荷载有效的扩散到桩基上。
2 上部结构
根据该建筑物的建筑规模及特点，主体结构采用了现浇钢筋混凝土框架―剪力墙结构。框架剪力墙结构充分发挥了框架结构布置灵活及剪力墙结构刚度大、抗侧力强的特点，是一种较好的结构体系，完全能满足新建科研综合楼的要求。
建筑物主楼部分长54.0m,宽23.1m，体型比较规则，建筑平面布置呈矩形，长宽比为2.34，两个主轴方向尺度差异较大，因而在确定结构方案时，通过调整剪力墙的位置和厚度及框架梁在两个方向上的尺寸来加大Y方向的刚度，使得两个方向的刚度基本均匀，减小结构的扭转效应。另外根据规范要求，剪力墙的布置遵循的基本原则为：均匀，分散，对称，周边，除了在建筑物的周边和中部均匀布置了一定数量的剪力墙外，在楼（电）梯间、平面形状变化及恒载较大的部位尽可能的设置了剪力墙，以保证楼盖与剪力墙的剪力传递。
图3 剪力墙布置图
Fig.3 Arrangement of shear wall
建筑物长度和宽度均接近规范规定的伸缩缝的最大间距要求，为了更好地发挥建筑物使用功能、增强建筑物抗震性能，不设伸缩缝，采取必要的构造措施和施工措施，减少温度和混凝土收缩对结构的不利影响。
根据框架―剪力墙的受力特点，从地下一层到剪力墙的厚度渐变为500，450，400，主要构件的混凝土强度等级：柱、墙：C50(地下一层到六层)、C45(七层到十五层)、C40(十五层以上)。
3 结构计算
根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)，新建科研综合楼所在场地的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组为第二组，抗震设防类别为乙类。混凝土结构的抗震等级为抗震墙：特一级， 框架：一级，采用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部编制的SATWE及系列程序进行整体计算。
通过计算可得结构的X向最大层间位移角 (Δu/h ) 为1/924，最小剪重比为4.02%，Y向最大层间位移角 (Δu/h )为1/847，最小剪重比为4.81%，周期与位移如下表所示：
表1周期与位移计算结果
Table.2 Result of vibration and vibration period
周期（S）
T1 T2 T3
周期值 1.437 1.339 0.979
转角（度） 166.08 74.08 94.13
平动系数（X+Y） 0.97
(0.91+0.06) 0.97
(0.07+0.89) 0.12
(0.03+0.09)
扭转系数 0.03 0.03 0.88
由上表可得，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.68，符合规范中不得超过0.8的要求，在基本振型地震作用下，框架部分承担的地震倾覆力矩与结构的总倾覆力矩X方向为14.83%，Y方向为10.14%，均小于规范规定的50％的限值，因而剪力墙的布置数量是合理的。
4 弹塑性分析
《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2002）【1】3.3.4条：7～9度抗震设防的高层建筑，下列情况应采用弹性时称分析法进行多遇地震作用下的补充计算。本建筑属8度乙类高层建筑，场地类别为III类，且建筑物高度大于80m，应进行弹塑性计算。
弹塑性分析运用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部编制的EPDA(Elastic and Plastic Time-history Dynamic Analysis)模块进行计算。EPDA分析时梁、柱等一维构件采用纤维束模型模拟，这种模型适应性较好，不受截面型式和材料限制，是一种较为精确的杆系有限单元模型，墙分析时EPDA程序将SATWE、TAT、PMSAP中使用的弹性墙单元进行了推广，考虑其弹塑性性质，使用弹塑性墙单元来模拟剪力墙的弹塑性性质，能够较为真实地分析和显示剪力墙的弹塑性状态，计算过程中能够实时显示结构的变形和弹塑性发展状态[2】 。
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）【3】5.1.2.3：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。
通过计算可得结构的在3组地震波的作用下X、Y向最大弹塑性层间位移角结果为：
X方向 1/1171/1391/139；Y方向1/5821/638 1/616
由计算结果可得，X、Y向最大弹塑性层间位移角均小于规范中规定的最大层间弹塑性位移角的限值。
5 结语
结构形式、受力特征对建筑形象的塑造、个性的发挥有着直接的作用，该科研办公楼从结构选型到结构布置均秉承了这一原则，在保证建筑物美观大方的同时兼顾了结构的合理和适用性，整个建筑物的结构设计体现了传统与现代相结合的特点。
参考文献
1 《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2002）
2陈岱林，李云贵，魏文郎. 多层及高层结构CAD软件高级应用. 北京:中国建筑工业出版社,：97-98
3 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
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