某游乐城堡项目结构设计

1 工程概况

某游乐城堡项目建设用地面积为2 741.07 m2，总建筑面积为12 078.4 m2，其中地上建筑面积7 658.49 m2，地下建筑面积4 349.35 m2。地上4层主要为商业餐饮，地下室主要是设备用房。项目依山而建，北低南高，高差约为15 m，南侧设置永久性支护进行护坡，建筑物的建筑高度从最低室外地面算起，±0.00 m相对于绝对标高51.5 m。地上4层在±0.00 m以上高37 m，考虑地下室存在临空面，故将实际结构高度取为45 m。首层及2层层高均为8 m，3层层高10.0 m，4层层高11.0 m。地下1层层高8 m，局部存在夹层，夹层层高4 m。首层板与地下室顶板高差为0.35 m。塔楼平面形状为矩形，上部结构存在长颈鹿构筑物13个，长颈鹿凸出屋面的高度约14～42 m，端部截面3～10 m，外包钢结构端部截面1.2～4.6 m；最大的长颈鹿离地高度为82 m，离屋顶约37 m，长颈鹿作为凸出构筑物作用于主结构。图1为建筑立面效果图，图2为鹿头示意图，图3为建筑剖面示意图。

图1 建筑效果图
Fig.1 Image of Architectural Rendering

图2 鹿头平面图
Fig.2 Plane Graph of the Giraffe

图3 典型剖面图
Fig.3 Typical Profile View

2 基础设计

2.1 基础形式

拟建场地内陆基岩土层按其成因自上而下分为：第四系全新统人工填土层、第四系坡积层、第四系残积土层、燕山期花岗岩风化层。各土层分布及其力学性质指标见表1。结合场地地质情况及项目特点，基础采用混凝土筏板基础，主要以砂质粘性土为持力层，地基承载力特征值为fak=200kPa；局部采用全风化花岗岩，地基承载力特征值为fak=350kPa。筏板厚度除局部加厚外为800mm，经验算基底压力满足设计要求。基础平面布置如图4所示。

表1 各土层分布及其力学性质指标
Table 1 Soil Layers Distribution and the Mechanical Properties Index

地层名称 状态 承载力特征值fakkPa〈1-0〉素填土 松散状 --〈3-0粉质粘土 硬塑状 180〈4-0〉砂质粘性土 硬塑状 200〈5-1〉全风化花岗岩 砂土状 350〈5-21〉砂土状强风化岩 半岩半土状 600〈5-22〉碎块状强风化岩 碎块、岩块状 700〈5-3〉中风化花岗岩 短柱状、长柱状 4000

图4 基础平面布置图
Fig.4 Foundation Layout Plan

2.2 抗倾覆及抗滑移验算

场地山坡侧设置永久性支护进行护坡，同时建筑南侧侧壁采用扶壁式挡土墙设计（图5），减少挡墙和永久支护间堆土对整体建筑的影响。将挡墙和永久支护间的单侧土的水平推力加于整体结构上，运用YJK（1.8.2.1版）软件进行验算可知，结构整体抗倾覆验算及结构整体稳定验算均满足规范要求［1］。计算结果如图6所示，筏板基底无0应力区，满足规范设计要求。

图5 扶壁式挡土墙示意图
Fig.5 Diagram of Buttress Retaining Wall

图6 筏板零应力区分布云图
Fig.6 Distribution Cloud Map of Raft Zero Stress Area

2.3 抗浮设计

DBJ 15-92-2013《高层建筑混凝土结构技术规程》13.2.2规定，高层建筑地下室设计，应考虑上部荷载、岩土侧压力及地下水浮力的不利影响作用。地下室应满足整体抗浮要求，抗浮设防水位可取使用年限内可能的最高水位或室外地坪。必要时可采取降排水控制地下水位、加配重或抗拔锚桩（杆）等措施。

本项目的特殊之处在于位于坡地，场地北面室外地坪标高同地下室底板标高，建筑南面室外地坪标高接近首层标高。抗浮水位结合实际按照梯度水头输入模型计算，基础建模显示整体抗浮可以通过计算；采取外挑板（如图5所示，结合扶壁式挡土墙局部外挑尺寸达3 m）增加土的压重，加强底板配筋的措施来满足局部抗浮。同时创新地设置排水盲沟（如图7所示）加快排水来减少局部较高水头对建筑的不利影响。

图7 排水盲沟做法大样示意图
Fig.7 Diagram of Drainage Hidden Ditch

3 结构布置

3.1 结构体系

本工程主结构采用框架剪力墙结构体系，A级高度高层建筑；长颈鹿鹿头部分采用混凝土筒体及外包钢结构实现建筑造型，主体结构仅考虑上部的影响。主要构件截面尺寸如表2所示。针对局部位置重要的转换梁采用型钢梁（型钢尺寸 H1500×400×25×40）。L4及以上各层均存在体型收进及错层，故采用板厚180mm进行加强。墙、柱混凝土强度等级从底到顶为C60～C40，梁板混凝土强度等级为C30，钢筋采用HRB400。

3.2 超限判断

针对本项目进行规则性判别（详表3）。按照《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》（粤建市函［2011］580号）要求，本工程存在扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变、刚度突变、构件间断、承载力突变、局部不规则共7项不规则，属于A级高度规则性超限结构。

表2 主要构件截面尺寸
Table 2 Main Component Section Size

建筑楼层 剪力墙，柱 框架梁 转换梁L1 600，400，300 800×800 300～600×700～800 600×1200 800×2000～2400型钢 H1500×400×25×40 L9～屋面 300，200 300×800 --L2～8 400，300，200 800×800 300～600×700～800

表3 结构超限情况判定表
Table 3 Decision Table for Structure Overrun

超限项目 简要涵义 超限程度 判定超限项目 简要涵义 超限程度 判定高度超限 框架-剪力墙结构6度区不超过130m结构主屋面高度为45m 否1扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比＞1.2结构位移比最大为 1.51（4F） 是4b尺寸突变竖向构件位置缩进＞25%（收进部位离地高与结构总高之比＞20%）或外凸＞10%和4m 4层、6层收进位置高于结构高度20%，且收进分别为29%、48%。是2a凹凸不规则平面凹凸尺寸大于相应边长30%，或突出部分长宽比≯2，l无否5竖向构件不连续 上下墙、柱、支撑不连续 存在 是Bmax≯35%6承载力突变层间受剪承载力＜相邻上1层的80%3层分别为66%、69% 是2b组合平面 细腰形或角部重叠形 无 否3楼板不连续有效宽度＜50%，开洞面积＞30%，错层＞梁高5层有效楼板8m，有效宽度＜50% 是4a侧向刚度不规则该层侧向刚度＜上层侧向刚度的80%X 向 0.895（7）Y 向 0.939（5） 是7局部不规则如局部的穿层柱、斜柱、夹层、个别构件错层或转换，或个别楼层扭转位移比略大于1.2等个别构件存在错层 是

3.3 典型7号鹿身底部壳的计算模拟

选取其中典型7号鹿身进行分析，其剖面及Midas Gen计算模型分别见图8、图9；钢筋混凝土壳采用厚板单元模拟，D=4 m范围，壳厚500mm，其余壳厚150mm；加载条件：除考虑壳本身的自重外，钢管柱顶施加集中力 DPz=-127 kN（恒载）、LPz=-91 kN（活载）；钢管柱施加水平风荷载8.0 kN/m，壳面水平风荷载2.0 kN/m2，附加恒载-6.5 kN/m2；楼板面附加恒载-6.5 kN/m2，附加活载-3.5 kN/m2。具体分析结果见后文4.5。

图8 7号鹿身剖面图
Fig.8 Section of the 7th Giraffe Body

图9 7号鹿身壳计算模型
Fig.9 Calculation Model of the 7th Giraffe Body

4 结构分析和设计

4.1 设计参数及性能目标

本工程属于标准设防类，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级，抗震设防烈度为6度（0.05g），设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅱ类，设计特征周期0.35 s。基本风压值为0.30 kN/m2，地面粗糙度为B类，风荷载体型系数1.4。结构框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为三级［2］。本项目高度为A级高度，综合考虑结构的安全性、经济性，设定结构抗震性能目标为C级。多遇地震、设防烈度地震及预估的罕遇地震作用下结构抗震性能分别对应1、3、4性能水准。

4.2 小震弹性分析

采用YJKS 1.8.2.0版和ETABS 2013进行整体建模计算分析。小震主要计算参数：⑴计算模型的计算嵌固端设置在地下室底板，考虑回填土对地下室的约束刚度；⑵考虑平扭耦联的扭转效应和偶然偏心效应；⑶周期折减系数0.80，连梁刚度折减系数取0.7，中梁刚度增大系数由软件根据板厚计算确定，梁扭矩折减系数为0.4，框架梁端弯矩调整系数取 0.80；计算结果见表4［2］。

表4 小震作用下ETABS和YJK计算结果对比
Table 4 ETABS and YJK Computational Analysis Result

计算软件 ETABS YJK地面以上总质量t 37296.9 38277.2自振周期T1 0.592 0.610地震作用下基底剪力s T1～T31.422，1.188，0.842 1.368，1.158，0.832 TtkN XY 4236.28 5267.11 1.050（0.80）1.300（0.80）地震作用下倾覆弯矩4006.64 4975.37结构首层剪重比%XY 1.120（0.80）1.390（0.80）95865.2 123204.2地震荷载下最大层间位移角kN·m-1 XY 98253.0 125394.9 1 XY 2198（7）112377（7）13116（7）----3423（7）考虑偶然偏心最大位移比4150.6 4143.5风荷载倾覆弯矩1.51（4）1.43（4）风荷载作用下基底剪力（kN）XYXY 4111.63 4138.55 131870.7 130679.9最大层间位移角kN·m-1 XY 122861.4 123387.8 1 XY 2387（7）113727（7）刚重比 X Y3876（7）2336（7）1----4.100 4.831

本工程还选取2条人工波和5条天然波，采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。小震地震作用取弹性时程分析法的平均值和振型分解反应谱法计算结果进行包络设计。

根据上述计算结果，结合规范规定的要求及结构抗震概念，可得出小震整体计算结论：

⑴Tt /T1＜0.90，满足高规［3］3.4.5 条要求；

⑵ 有效质量系数＞0.9，所取振型数满足要求；

⑶ 水平力作用下的层间位移角满足高规［3］3.7.3条要求；

⑷根据计算结果，剪重比满足抗震规范的设计要求；⑸ 在偶然偏心地震作用下，存在扭转不规则；

⑹ 第 7、8层，侧向刚度比不满足高规［3］3.5.2条要求，存在刚度突变；

⑺ 3层的层间受剪承载力分别为上1层66%、69%，＜上 1 层的 80%，不满足高规［3］3.5.3 条的规定，存在楼层抗剪承载力突变；

⑻ 结构刚重比大于2.7，满足高规［3］5.4.1条及5.4.4条对重力二阶效应及结构的整体稳定性的要求，不需考虑重力二阶效应影响；

⑼ YJK和ETABS软件计算结果相近，说明计算结果合理、可靠，计算模型可以反映结构的受力状况。

4.3 中震作用分析

中震弹性计算结果：采用YJK软件对结构进行了中震下受力分析，小震弹性和中震弹性竖向构件水平筋比较可以看出：剪力墙水平筋、竖向构件抗剪箍筋既有小震控制又有中震控制，两者取包络设计；小震弹性和中震弹性框支梁和框支柱，箍筋主要是小震控制。计算结果表明，所有竖向构件抗剪均未出现超筋，说明满足中震弹性的性能水准。

中震不屈服计算结果：采用YJK软件对结构进行了中震下受力分析，小震弹性和中震不屈服竖向构件剪力墙配筋比较，配筋有小震控制，也有中震不屈服控制；框支梁和框支柱，剪力墙连梁和框架梁同样如此，为了满足性能目标，取包络设计。结果表明，所有竖向构件抗弯及耗能构件抗剪均未出现超筋，说明满足中震不屈服的性能水准，也符合设定的抗震性能目标。

4.4 大震不屈服及抗剪截面验算结果

采用等效弹性法对结构进行了大震不屈服及抗剪截面验算。计算软件为SATWE，各计算参数取值如下：地震影响系数为0.5，特征周期为0.4 s，周期折减系数取1.0，阻尼比取0.07，不考虑偶然偏心，中梁刚度放大系数取1.0，连梁刚度折减系数取0.3。小震弹性和大震不屈服底部加强区水平筋比较可以看出，剪力墙水平筋主要是大震不屈服控制。同时抗剪验算数据满足本文4.1设定的构件性能指标。

4.5 7号鹿身底部壳的应力分析结果

数值分析结果表明，如图10～12所示，除钢管柱底应力集中外，壳顶最大弯矩343 kN·m/m，壳的其余部位弯矩较小，主要受压；因此，在D=4 m范围内，可算得壳顶抗弯钢筋As=2 177mm2/m；拱壳的最大竖向位移1.13mm；壳底钢筋混凝土梁最大轴力（拉力）110.5 kN，需要的最小纵筋As=110.5×103/360=307mm2。

图10 壳最大弯矩分布云图
Fig.10 Maximum Bending Mmoment Distribution of the Shell

图11 壳DZ向最大位移分布云图
Fig.11 Maximum Displacement Distribution of the Shell

图12 梁最大轴力分布云图
Fig.12 Maximum Axial Force Distribution Cloud Diagram

4.6 针对超限不规则项采取的应对措施

⑴ 根据各水准性能分析结果，底部加强区剪力墙竖向分布钢筋的配筋率0.6%，非底部加强区竖向分布筋配筋率为0.4%，经对比分析，关键构件、普通构件、耗能构件，均能满足性能目标，实际施工图设计时取包络设计，可以满足性能目标要求。

⑵ 针对楼板不连续、错层楼板、竖向构件体型收进处的楼板、与斜柱相连楼板所在楼层楼板，采用YJK软件对中震下受力进行了分析，通过适当的配筋可以满足中震不屈服的性能目标，可以保证结构的整体性，施工图设计时，根据中震应力分析去加强楼板配筋。

⑶ 针对存在转换梁，采用YJK软件对小、中、大震下受力进行了应力分析与设计，结构表明，转换梁抗压承载力和抗剪承载力均可以满足性能要求，对拉弯承载力，转换梁采用了型钢混凝土截面，通过适量的配筋即可满足转换梁拉弯承载力要求。

⑷ 针对长颈鹿形状的高耸结构进行了多力学模型的对比，论证了整体模型的可行性。对典型7号长颈鹿形状的高耸结构，进行了详细分析，结论是采用穹顶可以满足传力的要求。

⑸ 针对建筑首层～3层，长颈鹿城堡中庭楼梯，梁板不在同一平面，存在穿层柱进行屈曲分析得出柱子的计算长度系数，计算长度系数＞1.25的柱，按实际取；计算长度系数＜1.25的柱，按1.25取；并且施工图设计时对穿层柱进行并层计算，取包络设计。

5 结论

⑴ 对于坡地类建筑，需要重点对结构整体稳定进行验算，采取设置永久支护和扶壁式挡土墙等措施，保证结构的抗倾覆以及抗滑移验算满足规范要求。

⑵ 坡地建筑较高水头一侧可采取设置排水盲沟的措施，加快排水来减少局部较高水头对建筑的不利影响。

⑶ 针对超限不规则项须采取应对措施：针对楼板不连续、错层楼板、竖向构件体型收进处的楼板、与斜柱相连楼板所在楼层楼板，加强楼板厚度及配筋；针对重要的转换梁采用了型钢混凝土截面，通过适量的配筋满足转换梁拉弯承载力要求。

⑷ 针对穹顶托柱的高耸结构进行了多力学模型的对比分析发现，合理设计穹顶可以满足传力的要求。

参考文献

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑地基基础设计规范：GB 50007-2011［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.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，2016.

［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，2011.