移動硅谷創(chuàng)新中心二期項目7#樓結構設計若干問題的討論
楊金明， 池彥忠， 凌沛春
（中國建筑科學研究院建筑設計院，北京100013）
[摘要] 移動硅谷創(chuàng)新中心二期項目7#樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，為滿足首層及2層大空間的要求，在首層和2層拔去了2根柱子，存在局部轉換。主要針對該項目結構設計中轉換桁架的性能化設計、首層室內(nèi)地面與外圍地下室頂板存在較大高差時如何實現(xiàn)上部結構在地下室頂板嵌固、地基基礎的變剛度調(diào)平設計等幾個關鍵問題進行討論。通過對結構進行計算和對比分析得出，結構能夠滿足安全和建筑功能的要求，實現(xiàn)了”三水準”抗震設防性能目標。
[關鍵詞] 移動硅谷創(chuàng)新中心；轉換桁架；地下室頂板嵌固；地基基礎變剛度調(diào)平
中圖分類號：TU318文章編號：1002-848X(2016)06-0025-04
1 工程概況
移動硅谷創(chuàng)新中心二期項目（圖1）位于北京市亦莊經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，其中7#科研辦公樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架．核心筒結構體系，該單體建筑地上24層，地下2層。該工程地下室埋深為12. 35m（基礎底板底面相對標高為- 12. 00m，室外地面相對標高為0. 35m），主體結構高度為98. 48m，本工程的±0. 000m標高相當于絕對標高25. 00m。標準層結構平面布置圖見圖2。為了滿足建筑首層及2層大空間的要求，在首層和2層拔去2個平面內(nèi)部的柱
子，拔柱位置見圖2，在3層和4層設置兩榀兩層高的轉換桁架，轉換桁架采用型鋼混凝土構件。該工程在9層、14層、19層和24層局部有躍層，存在2層通高的穿層柱；核心筒在13層局部收進。地下2層~地上8層采用直徑為1 200mm的鋼筋混凝土圓柱，9~16層采用直徑為1000mm的鋼筋混凝土圓柱，17~24層采用直徑為800mm的鋼筋混凝土圓柱；核心筒外墻厚度在底部為600mm，在頂部為400mm;內(nèi)墻在各層厚度均為200mm。墻、柱混凝土強度等級：地下2層~地上5層為C60，6～1 2層為C55，13～18層為C50，19~ 24層為C45。
該地區(qū)抗震設防烈度為8度(0.2g)，設計地震分組為第一組；場地類別為Ⅲ類，設計特征周期為0.45s。工程抗震設防類別為丙類，地基基礎設計等級為二級[3。
2 轉換桁架
為了滿足建筑功能的要求，在首層和2層拔去了2根柱子（圖2），在建筑入口大堂形成了大空間。拔柱之后，X向外框柱與核心筒墻體的距離為13. 9m，y向柱距為22. 7m。在X向對上部未落地的框架柱進行轉換。
2.1轉換方案
在X向的轉換跨度為13. 9m，轉換部位在2層頂，轉換部位以上共22層，由于轉換跨度較大，采用型鋼混凝土轉換構件。轉換方案有以下3種：
(1)方案一：在2層頂設置型鋼混凝土轉換梁與型鋼混凝土轉換柱相連(圖3(a))。經(jīng)過計算，梁高至少需要2 000mm才能滿足承載力和變形的要求。該方案的優(yōu)點是不占用上部樓層的建筑空間，轉換構件簡單；缺點是轉換梁截面高度較大，影響首層大堂的凈高，且因跨度較大，即使采用型鋼混凝土實腹梁，轉換結構的豎向剛度仍然偏小。根據(jù)計算結果，轉換梁的彎曲變形較大，且轉換梁上柱的軸力與負荷面積相同的落地柱相比明顯偏小，說明轉換梁上柱作為上部樓層梁的支座時，與落地柱之間存在明顯的差異沉降，可能導致與轉換梁上柱相連的樓面梁開裂。
(2)方案二：在3層空間內(nèi)設置型鋼混凝土轉換桁架與型鋼混凝土轉換柱相連(圖3(b))。經(jīng)過計算，滿足承載力和變形要求時，轉換桁架上弦桿、下弦桿截面均為1 200mm x1000mm，腹桿截面為1 000mm x1000mm。該方案的優(yōu)點是占用首層大堂凈高較少，轉換桁架的整體剛度較大，轉換桁架上柱的差異沉降較��；缺點是轉換桁架受力復雜，桿件節(jié)點多，不便于施工，且3層的部分建筑空間被兩榀轉換桁架分隔，影響建筑平面布置。
(3)方案三：在3層、4層兩層空間內(nèi)設置轉換桁架與型鋼混凝土轉換柱相連(圖3(c))。經(jīng)過分析計算，滿足承載力和變形要求時，穿層斜桿截面為1 200mm x1000mm，下弦拉桿截面為1200mm×1000mm。該方案的優(yōu)點是轉換桁架上柱的軸力直接轉換為穿層斜桿的軸力，力傳遞簡單、直接，豎向剛度大、自重小，節(jié)約材料，構件節(jié)點較少，方便施工；缺點是對3層和4層的局部建筑平面布置略有影響，但并未對建筑空間形成分隔，不影響辦公使用。
經(jīng)過對比3個方案，最終選定了方案三作為最終方案。該方案傳力簡單、直接，便于施工，對建筑功能的影響也較小，得到了設計各方認可。
2.2性能化設計
為保證轉換構件的安全性，對型鋼混凝土桁架進行了抗震性能化設計，性能目標為中震彈性。在抗震計算時，水平地震影響系數(shù)最大值am=0. 45，地震作用比“小震”時約放大2.8倍。按《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》( JGJ 3-2010)（簡稱高規(guī)）式(3. 11. 3-1)進行彈性設計，即：
因本工程轉換結構的跨度大于8m，需同時考慮水平地震作用和豎向地震作用，但不考慮與抗震等級有關的地震內(nèi)力調(diào)整。
2.3對結構整體剛度的影響
在結構平面核心筒的右側沿X向設置了2榀型鋼混凝土轉換桁架，對3層和4層X向的樓層側向剛度產(chǎn)生了影響。
根據(jù)高規(guī)3.5.2條，考慮層高修正的2層樓層側移剛度比y2，在X向為0. 880 2<0.9，在y向為1. 201，即2層為結構薄弱層。根據(jù)高規(guī)3.5.8條，在設計時將2層對應于地震作用標準值的剪力乘以
1. 25的放大系數(shù)。
由于轉換桁架僅在X向布置，如圖2所示，因此對y向扭轉剛度和抗側剛度的影響很小，可以忽略；在X向轉換桁架關于X軸對稱，在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，X+5%和X-5%方向的扭轉位移比均小于1.2，滿足規(guī)范要求。
3 地下室頂板嵌固
該工程各塔樓下為大面積的整體兩層地下室，地面以上無裙房。其中7#樓位于大面積地下室的東北角區(qū)域，7#樓的東側和北側距離地下室外墻較近（僅一跨）。主樓首層結構室內(nèi)地面(相對標高為0. 43m)與外圍純地下室頂板（相對標高為-2.15m，其上覆土）存在2.58m的結構高差，遠大于首層樓面梁的梁高。室外地面相對標高為0. 35m，室內(nèi)外建筑地面高差很小，但是地下室結構頂板以上的覆土為綠化種植土，壓實系數(shù)小、強度低，對主體結構的約束作用較小。另外，當僅考慮主樓范圍內(nèi)的結構構件時，其首層與地下1層的等效剪切剛度比大于0.5，因此需要考慮與主樓相鄰純地下室相關范圍內(nèi)地下室剪力墻的作用，才能滿足上部結構在地下室頂板的嵌固要求。為了滿足上部結構在地下室頂板嵌固的條件，采取以下措施：
(1)考慮到7#樓地下室相關范圍結構由于單側地下室外墻的影響，其剛度中心與上部結構偏離較大，因此在與地下室外墻對應的主樓的另一側，且距離上部結構1～2跨范圍的地下室內(nèi)適當增設剪力墻，減小剛度偏心及扭轉效應，同時保證首層與地下1層結構等效剪切剛度比≤0.5。
(2)由于主樓首層結構室內(nèi)地面與外圍純地下室結構頂板存在較大的高差，且高差范圍內(nèi)的回填種植土約束作用較小，在垂直于高差部位深梁方向的地下室頂板梁的端部采取豎向加腋的措施。當首層板外挑較小時，豎向加腋做法如圖4(a)所示；當首層板懸挑較大時，為便于室內(nèi)外結構高差部位的建筑外防水施工，同時保證首層挑板下回填土的施工質(zhì)量，豎向加腋做法如圖4(b)所示。加強加腋部位的配筋，提高其水平截面的抗剪承載力，保證上部結構底部地震剪力向地下室結構的有效傳遞。
4 變剛度調(diào)平設計
4.1設計思路
本工程為多棟高層塔樓帶有大面積整體地下室，基礎底面的荷載分布差異較大，很不均勻。具體表現(xiàn)為各主樓和相鄰純地下室的基礎荷載分布差異較大，主樓范圍內(nèi)的核心筒與外框架的荷載分布不均勻。在以往的地基基礎設計中，只重視主樓總體的地基承載力和沉降控制，多為均勻布樁，甚至有的設計還對基礎外圍樁進行增強。這種做法會使基礎沉降呈碟形分布、反力呈馬鞍形分布，差異沉降大，筏板基礎整體彎曲明顯，核心筒對基礎底板的沖切力大，通常要加大基礎底板厚度來滿足，進而導致配筋量增大。
而變剛度調(diào)平設計的思路是：通過“抑強補弱”合理地調(diào)節(jié)地基的豎向支撐剛度，使上部結構的荷載“就地消化”，地基沉降趨于均勻，大大減小筏板的整體撓曲變形和整體彎矩，減小核心筒對基礎底板的沖切力，從而減小底板厚度及配筋量。
4.2設計的實現(xiàn)
本工程主樓范圍內(nèi)采用CFG樁復合地基，純地下室部分采用天然地基；在主樓核心筒區(qū)與外圍框架區(qū)，根據(jù)不同的荷載集度按不同的地基承載力要求進行設計，見表1。根據(jù)表1所提的荷載要求，確定地基處理方案，CFG樁復合地基處理設計參數(shù)如表2所示。
根據(jù)上部結構各區(qū)域荷載的不同，通過調(diào)整相應地基的豎向支撐剛度，減小基礎的差異沉降，以達到減小筏板整體彎矩、沖切力和上部結構次內(nèi)力的目的。
5 結論
(1)對于轉換部位的結構形式，既要考慮承載力要求，又要考慮轉換構件的變形；既要考慮結構受力合理，還要兼顧建筑功能和施工便捷的要求。
(2)高層建筑首層室內(nèi)地面與外圍地下室頂板存在較大高差時，需要采取加強措施，實現(xiàn)地下室頂板作為上部結構的嵌固部位的設計要求。當?shù)叵?層相關范圍的剛度中心和質(zhì)量中心與首層偏離較大時，宜增設剪力墻，減小偏心，降低扭轉效應。
(3)對于帶有大面積地下室的高層建筑以及高層框架．核心筒結構，進行地基基礎設計時宜采用變剛度調(diào)平的設計思路。通過調(diào)整地基的豎向支撐剛度可以有效地減小基礎的差異沉降，減小基礎底板的整體彎矩和核心筒對基礎筏板的沖切力，降低上部結構的次內(nèi)力。
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