某带地下室多层钢框架结构设计

于澎涛

（上海环境工程设计研究院有限公司，上海200072）

1 工程概况

本工程位于上海市松江东部工业区书敏路以北、申港路以西，单体名称为办公及质检楼。地上总建筑面积7 218.41m2，地下总建筑面积2 508.39m2，共5 层，底层层高4.5m，其余楼层层高均为4.0m，建筑高度20.5m。标准层结构平面布置图如图1 所示。单层地下室作地下车库使用，上部建筑用于办公和研发产品的质量检测。建筑抗震设防类别：丙类。抗震设防烈度7 度，设计地震分组第二组，设计地震加速度值0.1g。场地类别Ⅳ类，场地特征周期0.9s。多遇地震下阻尼比0.04。基本风压0.55kN/m2，地面粗糙度B 类。钢框架抗震等级四级[1]。

图1 标准层结构平面布置图

2 结构设计方案

《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》（2016 年2 月6 日）提出：“加大政策支持力度，力争用10 年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。积极稳妥推广钢结构建筑”。为做好装配式建筑推广工作，上海市也制定了《装配式建筑单体预制率和装配率计算细则》（沪建建材〔2016〕601 号）。

根据方案阶段建筑提资，地下室标准跨度8.1m，跨间布置3 个车位，方案阶段地下室柱截面定为700mm×700mm，上部结构使用装配式混凝土框架结构。进入施工图阶段，业主从工期、施工的难易程度和施工质量等方面考虑，要求上部结构使用钢结构。结构方案最终定为多层钢框架。楼板采用压型钢板、现浇混凝土非组合板，免模免支撑板。上部结构平面尺寸长69m，考虑温度效应的影响，设置温度伸缩缝，缝宽满足抗震缝要求。

根据DGJ 08-9—2013《建筑抗震设计规程》表5.5.1：多、高层钢结构，弹性层间位移角限值1/250。底层典型箱型截面柱为B500mm×500mm×18mm×18mm（Q345B），楼梯间四角钢柱截面B400mm×400mm×16mm×16mm（Q345B）。典型柱截面沿房屋高度逐渐减小，由B500mm×500mm×16mm×16mm 过渡到B400mm×400mm×16mm×16mm。伸缩缝两侧分别按单塔进行计算，模型的整体参数计算结果如表1 所示。

表1 模型整体计算参数

据DGJ 08-9—2013 第9.2.1 条第1 款“多层钢结构房屋可采用框架结构……，当设置地下室时，钢结构宜延伸至地下室”。JGJ 138—2016《组合结构设计规范》第6.1.4 条规定，型钢混凝土框架柱中型钢的混凝土保护层厚度不宜小于200mm。首层柱截面宽500mm，如果箱型截面柱作为钢骨直接延伸到地下室基础，需要900mm×900mm 的柱截面，不满足车库的建筑净宽要求。为解决此问题，首层使用B500mm×18mm 箱型钢柱，对应地下室柱采用700mm×700mm 的型钢混凝土柱，型钢采用300mm 高十字形截面。单塔计算模型，地下室建模范围为上部钢框架外扩两跨，且不大于20m。地下室层的侧移刚度大于2 倍首层钢柱抗侧移刚度，同时地下室顶板板厚取180mm，双层双向配筋且每层每个方向配筋率不小于0.25%。满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》第6.1.14 条关于地下室顶板作为上部结构嵌固端的计算和构造要求[2]。

型钢混凝土柱截面如图2 所示。伸缩缝两侧的型钢混凝土柱截面如图3 所示，建模时发现PKPM 型钢混凝土柱库无此类型，解决方法是混凝土柱截面保持尺寸保持不变，居中设置1 根十字形型钢。按照这样处理，结构刚度及承载力计算偏于保守，能够满足刚度和承载力要求。

图2 型钢柱截面

图3 伸缩缝两侧型钢混凝土柱

型钢混凝土柱与钢柱之间应设过渡节点，节点绘制参照图集16G519《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》中箱型截面柱与十字形截面柱的拼接做法，如图4 所示。型钢混凝土柱在节点过渡区域，箱型钢柱范围内柱截面900mm×900mm，在十字形钢柱范围内截面尺寸为700mm×700mm。变截面柱做法如图5 所示，型钢混凝土柱中纵筋贯通，纵向钢筋做1∶6 坡度放样。地下室建筑标高为-4.500m，变截面范围底标高-2.250m，净高2 250mm，满足建净高要求。

图4 箱型截面和十字形截面过渡节点

根据工艺提资，地下室顶板活荷载10kN/m2。现浇混凝土楼板厚度180mm，框架为主次梁结构体系。标高±0.000 及以下的梁板柱、挡土墙及基础混凝土强度等级均为C35。跨度为8.1m 的主框架梁截面400mm×800mm，跨度7.2m 框架梁截面350mm×750mm。组合结构一般同时使用型钢混凝土柱和型钢混凝土梁，H 型钢对混凝土梁刚度和承载力有大幅度提高，型钢混凝土梁可仅设单层受力钢筋。计算结果表明，本工程地下室顶板使用普通钢筋混凝土梁能满足计算要求，梁端顶部、底部要设双层受力纵筋。

图集12SG904-1《型钢混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图》提供了钢筋混凝土梁与箱型钢柱混凝土柱的连接节点。图集提供2 种做法：（1）柱型钢设置钢牛腿与梁纵筋焊接；（2）柱型钢采用套筒与梁纵筋连接。选择第2 种做法，为减少套筒数量，梁钢筋尽量选用较大规格的钢筋，直径28mm。梁两侧钢筋自然弯曲绕开柱内箱型钢柱通过节点区，中部钢筋通过机械连接套筒与钢柱连接。在套筒中心标高位置，箱型截面钢柱内设水平加劲隔板（厚度t=16mm），钢套管与钢柱等强焊接。本工程设计完成时间是2018 年12 月，施工时混凝梁纵筋使用套筒连接很方便。地下室外墙与型钢混凝土柱相接位置，挡土墙外侧水平钢筋贯通，内侧水平钢筋截断并锚入型钢柱内[3]。

图5 型钢混凝土柱变截面示意

3 挡土墙及基础设计

建筑室内外高差450mm，地下室在塔楼东侧外扩两跨，覆土厚度600mm，纯地下室板顶标高-1.050m，板顶活荷载10kN/m2。塔楼西侧为地下室入口坡道。本工程防水板顶标高-4.700m，防水板厚度h=450mm，地下室建筑功能为车库，活荷载取4kN/m2。塔楼下承台类型为四桩承台和五桩承台，承台厚度1 300mm。纯地下室区域设置三桩承台，为改善承台的受力状态，两桩侧布置在地下室的外部。坡道设单桩承台，桩作抗拔桩使用。基础平面布置图如图6 所示。

图6 基础平面布置图

一般位置挡土墙简化为单向板，墙底和墙顶分别按固定支座和铰接支座处理。挡土墙计算时，采用静止土压力，水位取室外地面下0.5m，即-0.95m。裂缝允许值按照0.2mm 控制，地下室外墙迎水面混凝土保护层厚度取50mm，裂缝计算保护层厚度取30mm，附加构造钢筋网片。

本工程所有桩均按抗压桩兼抗拔桩进行设计，桩端持力层为⑦1 粉砂层，单桩竖向抗压承载力设计值为1 600kN，单桩竖向抗拔承载力设计值450kN。由于桩拔力较大，桩选用先张法预应力混凝土实心方桩。选自图集T/SCDA020—2019《先张法预应力混凝土实心方桩》。桩型号选用YRS-450-B-13+13+13-F。顶节桩范围内存在③夹粉砂夹粉质黏土，此层土为轻微液化土层，顶节桩选用先张法预应力混合配筋混凝土实心方桩（HYRS Ⅱ型），螺旋箍筋直径由5mm 改为6mm，整节桩箍筋全长做加密处理。拟建场地潜水和土对混凝土有微腐蚀性，潜水对钢结构有中腐蚀性，接桩处钢端板及套箍防腐蚀措施按图集08J333《建筑防腐蚀构造》选取，表面涂刷环氧沥青涂层，厚500μm。

防水板和桩承台计算分抗压和抗拔2 种工况。历史最低水位（常规水位）偏于保守取室外地面以下2.0m，历史最高水位（抗浮水位）取室外地面标高。抗压工况计算时，上部结构和地下室荷载按照实际情况取值，基础计算水浮力基本组合分项系数取1.1，此种工况可以确定最大桩反力。抗拔工况主要用于复核基础抗浮，计算模型仅计入地下室结构构件及承台和防水板自重，不考虑纯地下室区域顶板覆土荷载，水浮力基本组合分项系数取1.4。承台和防水板配筋使用有限元分析结果，取抗压工况和抗拔工况包络值[4]。

4 结语

本文对上海市某带地下室多层钢框架结构的设计流程进行总结，对设计过程中遇到的问题及解决方法力求做详细介绍，为类似的工程提供借鉴。