某办公楼结构设计分析与探讨

程冬咏

摘要：本次研究结合实际工作中的经验，对某办公楼的结构设计进行分析与研究，针对其中存在的问题，提出了相应的处理办法，以便在不违反相关规定、保障建筑结构安全的同时，获得业主、建设、监管部门三方的共同满意。

关键词：办公楼；结构设计；问题分析

1 工程概况

某办公楼地上部分的主楼层数为10层，裙房10层，地下5层，总建筑面积约为12.5万m2，采用钢筋混凝土框架的简体结构体系。建筑不同层使用功能如下：地下1~2层为厨房、食堂和展厅，地下3~4层为变配电室和库房，地下5层为人防。一楼为银行业务大厅、大堂以及电话、消防用房，2~16层为会议室和办公室，顶层为阳光温室。

建筑顶层层高为4.8m，2~16层层高3.9m，一层高5.7m，地下1~2层高3.6m，地下3~4层高3.3m，底层为3.6m。在混凝土强度方面，顶层~9层为C40~50，8层~5层为C50~55，4层~底层为C55~60。在框架柱截面方面，顶层~9层为800×800，8~5层为900×900,4~底层为1000×1000。

2 对于结构体系的分析

一般来说，在进行办公楼结构设计时，都会将竖向交通设置在整个建筑的中间位置，从而使那些能够直接采光的房间更多的被用于办公室，本次研究的对象也采用了这种设计方法。可以说，这种布局形式对于建筑的使用者是非常有利的，能够将“黑房”数量压缩到最低，但是从整体结构的角度来说，这种设计却存在着一定的缺陷。从平面上来看，该办公楼的竖向构件得到了非常均匀的布置，计算后显示钢心与平面内质心的距离较为接近。但由于抗侧力的主要构件混凝土筒体位于平面的中心位置，使得抗扭刚度有所降低，扭转周期成为了结构的第一周期。据了解，在该楼的设计之初，曾有过在外边缘增设剪力墙以提高抗扭刚度的提议，但未获业主单位通过。

为了解决这一问题，在进行结构设计时采用了如下应对措施：（1）通过增大边梁断面的方法来提高扭转刚度，但这种方式在稀疏框架方面却无法取得很好的效果。（2）在内筒混凝土墙部位增设结构计算洞，从而使平动刚度和第一周期的扭转成分得以降低。但是计算洞的尺寸则成为了另一个难题，若太大，连梁就会因为抗剪截面的不足而超筋；若太小，就无法获得明显的第一周期扭转作用缩小的效果。（3）根据《建筑抗震设计规范》的相关规定，对楼层竖向构件的层间位移和弹性水平位移进行控制，使其与楼层两端层间位移和弹性水平位移的平均比值被限制在1~2以内。（4）考虑到楼板对于增强梁刚度的积极作用，将其适当增加，以便在一定程度上降低抗扭成分。

通过采用上述应对措施，该楼的扭转效应得到了一定程度的控制，SATWE软件对周期及位移结果的计算详见表1、2。

表1 考虑扭转耦连情况下的扭转系数、平动系数和振动周期

表2 位移的计算结果

3 结构设计中的楼板超长问题

本次研究的办公大楼南北长度约为64m，东西长度约为118m，根据我国《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)中的相关要求，这一长度已经远远超出了有关现浇结构的长度规定。为了解决这一问题，在进行结构设计时，工作人员根据建筑物的实际高度使用防震缝将地上结构分为两个部分，未通过此法进行地下部分划分的原因是受防水设施的限制。为了解决结构受温度变化的影响，在设计过程中采取了如下应对策略：

（1）降低水灰比，使用收缩性更小的水泥和含泥量更小、级配更加合理的骨料。同时，进一步提高混凝土浇筑完成后的养护工作，使其在相当长的一段时间内保持湿润状态。

（2）为了解决施工过程中因混凝土收缩所引发的裂缝问题，设计人员使用后浇带将整块楼板分成长度约为30m的若干段，后浇带的设置均位于受力相对较小的区域。混凝土浇筑完成两个月之后，再使用比同构件混凝土高一等级的掺入了微膨胀剂的混凝土进行浇筑。

（3）虽然进行了地上部分裙房和主楼的分缝处理，但是机构长度仍然超出《混凝土结构设计规范》的相关要求，在与建筑专业的人员协商后，决定通过使用外保暖的手段来降低构件因温度变化而受到的影响。

（4）作为地上部分的嵌固端，《建筑抗震设计规范》对于±0.00层楼板的配筋和板厚都有着明确的要求，如果将其划分成为两个部分，就必然会对其嵌固作用造成不利影响，因此该层板不应进行分缝。与此同时，该层板在建筑物的装修没有完全结束之前，始终承受着温度变化所带来的各种影响，如果装修需要跨季进行，势必会导致该层板裂缝的出现。因此，必须要对其进行特殊处理。在本次研究中，使用AL—GOR软件进行该层板温度应力的计算，假设如下：环境温差△f=30E，考虑到混凝土徐变的积极影响，将混凝土的弹性模量定为±0.3E，其中，+0.3E为CAO混凝土的弹性模量。按楼板、梁进行折算，同时考虑楼板上下两层的墙、柱，得出±0.00层楼板的温度应力等高线：①在楼板高低差位置存在应力集中的情况。②中筒混凝土墙、地下室外墙对于楼板有着较大的约束，温度应力较高。

通过上面的分析，可知在实际配筋时应采取以下应对措施：①对板、梁构件施以一定的预应力，考虑到混凝土高应力状态下的延性和带裂缝工作的实际情况，将预应力定值为1.2MPa。预应力钢筋采用强度为1860MPa，+q5.24的钢绞线，间距为5束/m，同时对梁、板进行均匀施加。（2）楼板的上下两部分具有钢筋通长布置，这一部分的配筋率为0.28%。③楼板与混凝土墙较为接近的部分处于较强的约束状态，因此该部分及相应墙体的配筋应适当加大。④孔洞边缘和结构变截面部分应增配构造钢筋。

4 楼板开洞问题的分析

为了凸显建筑物的宏伟效果，设计人员取消了主楼1~3层的部分楼板，导致开洞面积超过了《建筑抗震设计规范》中的相关要求。在Z向轴⑥位置，有效楼板宽度：该层典型楼板宽度=40%，属于平面不规则的类型。楼板开洞对于结构计算基本假定楼板无限刚会受到一定程度的影响，与此同时，地震力的传递也成为了一项薄弱环节。为了对这一影响进行充分考虑，在使用SATWE软件进行计算时，将相应的楼板设定为弹性楼板，根据计算结果，应在相关梁处设置通长钢筋。在进行V向钢筋的计算时，应同时考虑垂直载荷和对本层地震力的承受，即As≥1.3Fi。需要将混凝土中筒连接部位的模板进行局部加厚，以便增加其于中筒的接触面积，为结构安全提供更多保障。

5 对于梁拖柱的分析

为了让建筑的立面效果变得更加丰富，设计人员将12层以上的轴②、@、①的外柱向内侧移动了1.5m，该柱由于临近梁端，因此需要承受相当程度的竖向载荷，梁端剪力较高，需要更大的梁断面。但作为楼层梁的一部分，并不允许该柱的截面过大。另外，当发生地震时，梁端也会因此出现塑性变形，容易导致严重问题。因此，设计人员在协商后，于上下柱之间设置了一道混凝土墙，以发挥斜柱功能。

5 分析结论

（1）在竖向刚度较大的位置，超长楼板容易导致应力集中的问题，应注意增加配筋。在施加相应的预应力后，能够有效降低温度变化对构件产生的影响。

（2）办公楼多采用内筒外框体系，第一周期常为扭转，可通过增加外筒厚度、重置剪力墙等方式来降低扭转成分，以满足有关规定中的要求。

（3）若楼板开洞超过了相关规定的限值，应重新考虑弹性楼板的计算方式，薄弱地段应注意增加安全储备，同时采用比较有利的构造措施。

（4）在进行梁托柱时，应考虑梁的构造要求，避免将柱设置于梁塑性区域内，以免因柱基不稳而留下安全隐患。

参考文献：［1］陈文辉、唐海清.结合实例分析办公楼结构设计［J］.建材发展导向，2011，(13):141-143.［2］江华.分析某综合办公楼结构设计［J］.建材与装饰，2011，(4):104-105.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。