瑞华高科二期研发中心大楼结构设计

摘要：瑞华高科二期研发中心大楼为一栋99.4 m、A级高度的高层建筑，建筑立面为螺旋形旋转造型。该结构采用悬挑空腹桁架的形式，实现建筑造型。文章介绍该工程结构设计特点，从结构抗震性能化设计、楼板应力分析和楼板舒适度分析这3个方面阐述悬挑空腹桁架结构设计思路和分析过程。结果表明：该结构安全合理，抗震性能良好。

[作者简介]吴镇江（1977—），男，本科，高级工程师，一级注册结构工程师，从事建筑结构设计工作。

瑞华高科二期研发中心大楼位于厦门市，建筑高度99.4 m，由5层裙房、18层主楼（标准层）和28 m出屋面造型钢构组成，主要层高4.2 m，设2层地下室。上部结构使用功能为研发办公，地下室主要作为设备用房和车库，地下2层局部区域作为战时6级甲类防空地下室。本工程建筑方案特点是主楼7～21层采用标准层平面（35 m×35 m）外轮廓按其中心点每层旋转6°，达到建筑立面的旋转效果（图1～图3）。

本工程为丙类建筑，抗震设防烈度为7度，设计基本加速度值为0.15g，场地类别Ⅱ类，基本风压为0.80 kN/m2。

1 结构布置

1.1 结构的承重及抗侧力体系

根据建筑方案，本工程结构水平抗侧力体系采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构，利用楼、电梯间及设备用房布置钢筋混凝土剪力墙，围合成核心筒。沿建筑周边布置钢筋混凝土框架柱，形成外框架柱，核心筒与外框架柱间通过框架梁联系成整体，共同组成承重和抗侧力体系。

1.2 大悬挑楼面结构竖向承载体系

本工程建筑设计采用主楼标准层核心筒外平面层旋转6°的独特形式，使得结构除12根中部外框柱可贯通至顶外，建筑四角无法设置角柱，在楼层不同位置、不同标高均出现尺度不同的较大懸挑（最大悬挑长度约10.6 m）。为便于设备管道安装和取得建筑最大净高，悬挑梁高度也受到限制。如采用传统悬挑桁架，因桁架斜腹杆严重影响建筑使用，不予采用。经过反复论证计算，结构设计最终采用悬挑空腹桁架方案作为大悬挑楼面的竖向承载体系。在楼层大悬挑部位随着建筑平面旋转由下而上均匀设置带竖杆的空腹桁架，桁架高度为单层（标准层）及双层（18～20层），将建筑美学和结构合理受力有机结合。

2 地基基础

综合考虑上部建筑物荷载、工程详勘报告及周边环境，本工程采用PHC预应力管桩基础，采用第5层全风化花岗岩为桩端持力层，由于2层地下室水浮力较大，对纯地下室部分柱下布置抗压桩兼抗拔桩。本工程主楼与裙房之间不设缝，二者差异沉降采用施工后浇带解决。

3 上部结构设计

3.1 上部结构整体计算结果

工程采用SATWE软件进行计算分析，框架-核心筒结构外围筒体剪力墙厚度由500 mm逐次收至300 mm，核心筒内部剪力墙厚度为300～200 mm。外框柱由1 100 mm×1 100 mm和1 300 mm逐次收为750 mm×750 mm和800 mm。主要框架梁截面为（450～600） mm×700 mm，受力最大处截面为700 mm×700 mm。混凝土强度等级：梁板均为C30，核心筒由C45逐次收至C30，框架柱由C55逐次收至C35。多遇地震及风荷载作用下整体计算结果如表1、表2所示。

3.2 悬挑空腹桁架设计

本工程典型单、3层高度悬挑空腹桁架平面布置及立面见图4～图7，其中桁架1为单层高度，桁架2为3层高度。

因悬挑桁架受力较大，根据计算结果，桁架弦杆及竖杆均采用型钢混凝土构件。上、下弦杆一般截面为：650 mm×700 mm，采用Q235型钢H500×250×16×32;竖杆一般截面为600 mm×600 mm，采用Q235型钢H-350×250×16×32。经对比分析可知，桁架竖杆上下端采用固接强制上下弦杆整体协同受力，竖向荷载下结构承载能力及整体刚度比纯悬挑梁大为增加。悬挑空腹桁架与同等条件悬挑梁体系恒+活工况下端部挠度对比如表3所示。由表3可知，桁架采用施工预起拱后，挠度限制均可满足规范要求，而悬挑梁即使采取起拱，挠度仍超出规范限制。

3.3 装饰性钢结构球体及斜撑设计

为加强建筑效果，建筑师在出屋面正上方7 m处设置一个约8 m直径的钢结构球体，从大屋面起在建筑四角分别设置斜撑伸向球体，在标高111.3 m处用圆环汇合，钢结构球体外表面为玻璃，形成托起明珠的整体效果。结构设计在不影响建筑效果的前提下，从球体下方设置钢筋混凝土柱，直接将球体重量传递至核心筒。本工程顶部造型采用3d3s软件进行计算分析，结构轴测如图8所示。

4 悬挑结构专项分析和设计

4.1 竖向地震计算及结构抗震性能目标

针对本工程悬挑桁架跨度较大，高度较高，结构设计时按规范补充竖向地震作用的计算，并考虑以竖向地震作用为主的工况组合。对空腹桁架根部弦杆及竖杆的抗震性能目标设定为中震弹性、大震不屈服。

4.2 悬挑部位楼板应力分析

悬挑桁架结构弹性设计时，采用弹性膜楼盖假定计算，楼板和桁架协同工作，楼板需承担较大轴力。楼板主拉内力最大处13层（桁架上弦）楼板在多遇地震包络工况下楼板主拉内力标准值及设计值如图9、图10所示。

通过应力计算可得桁架上弦楼板拉应力标准值峰值153/120=1.27 MPa，小于混凝土抗拉强度标准值2.01 MPa，理论上楼板不会出现裂缝。桁架上弦楼板拉应力设计值峰值186/120=1.55 MPa，大于混凝土抗拉强度设计值1.43 MPa，受拉区域的楼板需要根据其受力状态增加配筋。

通过分析可知，悬挑桁架楼板内力主要由恒、活荷载作用引起，多遇地震作用下楼板内力占比较小。另考虑楼板裂缝开展情况，在中震及大震工况承载力验算时，不再考虑楼板刚度对悬挑桁架上下弦杆的有利作用。

4.3 楼板舒适度分析

采用MIDAS Gen软件对悬挑桁架层进行楼板自振频率的计算，可得前3阶自振频率分别为3.79 Hz、3.80 Hz和5.55 Hz，如图11～13所示。大悬挑部位楼板自振频率均大于3.0 Hz，满足JGJ 3-2020《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.7.7条要求。

5 结束语

（1）本工程承重及抗侧力体系采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，大悬挑楼面竖向承载采用型钢混凝土空腹桁架结构，能满足建筑效果和使用功能要求。

（2）针对本工程的超限情况，采用了合理的结构体系、结构布置以及各项有效措施，计算分析表明，结构能满足既定的抗震性能目标，结构有效合理。

（3）通过对楼板的多遇地震包络工况应力分析，采用增加配筋等方式来保证空腹桁架楼板在受拉区域的抗拉能力;对中震及大震工况，抗震性能设计不再考虑楼板刚度的有利影响。

参考文献

[1] 肖丽娟，肖从真，徐自国，等.悬挑结构竖向地震作用分析及设计要点[J].土木工程学报， 2008，41（3）：65-70.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑抗震设计规范：GB 50011—2010（2016年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.