南京大學(xué)大學(xué)生活動中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

陳佳

【摘要】對于仿生類建筑帶來的特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，本文就抗震縫設(shè)置、不規(guī)則處理、抗震性能設(shè)計(jì)、空間斜板抗震及溫度應(yīng)力計(jì)算、空間曲面設(shè)計(jì)建模等方面進(jìn)行了一些設(shè)計(jì)探索，就如何把握該類建筑的抗震概念設(shè)計(jì)，加強(qiáng)其抗震性能，提出了一些措施。

【關(guān)鍵詞】分塊包絡(luò)；抗震骨架；單向翼墻；輪廓包線

一、工程概況

南京大學(xué)仙林國際化校區(qū)大學(xué)生活動中心位于新校區(qū)中心位置，方案由美國哈佛大學(xué)建筑系主任Preston Scott Cohen教授設(shè)計(jì)。部分建成后的建筑實(shí)景照片如下圖1所示。

主樓高度為37.59米（主樓室外地坪至屋面面層），地上層數(shù)為10層，局部11層，無地下室，使用功能用于行政辦公。裙樓造型為仿自然生態(tài)，圍繞主樓以順時(shí)鐘方向盤旋上升，屋面低點(diǎn)高度7.65米，高點(diǎn)高度25.43米，其中又有高低起伏，其下房屋層數(shù)依高度為一層至三層，其寓意為大海中的波濤，而主樓如直立的燈塔，屹立于波濤之中，為大海中航行的船舶指引方向，其象征意義與大學(xué)生活動中心在青年學(xué)子中的地位緊密相扣。

本工程主樓與裙樓間設(shè)抗震縫，主樓平面、立面規(guī)則，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，為不規(guī)則結(jié)構(gòu)；裙樓作為仿生態(tài)建筑，其不規(guī)則程度較高，就平面不規(guī)則而言，其平面形狀復(fù)雜，存在樓面錯(cuò)層，樓面開洞，凹凸等多項(xiàng)不規(guī)則，就豎向不規(guī)則而言，屋面為一斜板攀高，高點(diǎn)與低點(diǎn)高差約18m，其下樓層有單層，有多層，已無傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層概念（層剛度、層位移角、層剪力），因此裙樓屬于平面、立面特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

圖 1 建筑建成后現(xiàn)場照片

二、設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1、結(jié)構(gòu)綜述

地基基礎(chǔ)擬采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。樁徑400、500。樁基持力層為4層粘土夾碎石層，樁端進(jìn)入持力層深度不小于3倍樁徑。

上部結(jié)構(gòu)主樓部分，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。主樓有一外部樓梯圍繞外立面盤旋向上，經(jīng)與建筑及設(shè)備專業(yè)協(xié)商，外部樓梯采用梁式樓梯，利用主樓各標(biāo)準(zhǔn)層樓層梁出挑以支承該外部樓梯，兩標(biāo)準(zhǔn)層間梯段跨度9～10m，標(biāo)準(zhǔn)樓層懸挑梁的出挑跨度為2m。

上部結(jié)構(gòu)裙房部分體型復(fù)雜，建筑功能復(fù)雜，有大劇場、小劇場、大小多功能廳、視聽廳、報(bào)告廳等，同時(shí)為與房屋體型及功能適應(yīng)，單個(gè)樓層的樓面標(biāo)高眾多，樓板錯(cuò)層不連續(xù)，錯(cuò)層柱較多，局部劇場部分因建筑功能要求部分樓面缺失。根據(jù)裙樓體型特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)選型有設(shè)抗震縫及不設(shè)抗震縫兩種考慮。設(shè)縫的優(yōu)點(diǎn)在于：可大致按建筑功能將裙樓劃分為幾個(gè)單體，各個(gè)單體房屋高度相差高度較原方案有改善。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)層概念有所體現(xiàn)，缺點(diǎn)在于：因房屋平面復(fù)雜，各個(gè)單體平面不規(guī)則，樓板錯(cuò)層不連續(xù)，每個(gè)單體均為特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)；單體房屋高差仍很大，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)層概念仍不明顯，而較多的抗震縫對建筑型體有較大影響，對未來使用也帶來較大麻煩。通過與建筑師協(xié)商及院內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案論證，最終確定裙樓不設(shè)抗震縫，結(jié)構(gòu)類型采用框架-少量抗震墻結(jié)構(gòu)，房屋高度較高及單層空曠部位設(shè)部分抗震墻，抗震墻為雙向布置長墻且盡量圍成筒體形成空間結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)房屋剛度較小部分的剛度，使房屋各個(gè)部分剛度接近均勻。

本工程裙樓大劇場區(qū)域二層樓座及其上屋面存在34m跨度的大跨度梁，該梁采用預(yù)應(yīng)力大梁，在劇院南面大劇場出口部位，屋面有一塊出挑區(qū)域，出挑最大跨度約8m左右，由于建筑效果要求，出挑結(jié)構(gòu)高度盡量薄，通過協(xié)商，采用預(yù)應(yīng)力變截面梁出挑，梁端部高度600mm，從建成效果看，達(dá)到了建筑效果要求。

2.裙樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

裙樓為特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，根據(jù)抗震規(guī)范，需根據(jù)結(jié)構(gòu)不規(guī)則性特點(diǎn)，進(jìn)行研究論證，采取特別的加強(qiáng)措施。

（2.1）抗震平面分塊包絡(luò)設(shè)計(jì)

裙房各個(gè)分部的房屋高度相差較大，層數(shù)有單層，多層，為剛度相差較大的各個(gè)分部聯(lián)成一個(gè)整體，因此，將房屋劃分為若干個(gè)部分，分別進(jìn)行計(jì)算，與整體模型一起，進(jìn)行平面分塊與整體包絡(luò)配筋設(shè)計(jì)，模型分塊示意圖見附圖。

圖2 計(jì)算模型的三維軸測圖

分塊1的屋面高度約25m，分塊1～5房屋高度依次降低，分塊5房屋高度約7m左右。各分塊結(jié)構(gòu)及整體結(jié)構(gòu)的x、y向第一周期如下表所示：

整體模型周期為0.736s（x向）、0.908s（y向），分塊模型的各向剛度剛?cè)岵灰唬兄芷诖笥谡w模型周期的分塊，也有周期小于整體模型周期的分塊。大致隨房屋高度的降低，分塊剛度從小到大（周期從大到?。?，整體模型的剛度為其間的中間值。

通過表1可知，各分部聯(lián)結(jié)成整體抵抗地震作用，地震作用在各分部中進(jìn)行了重新分配，剛度較小的分部的側(cè)向變形相較獨(dú)立結(jié)構(gòu)將變小，而剛度較好的分部的側(cè)向變形增大，承擔(dān)了更大的地震作用，相當(dāng)于整體模型中的弱骨架。根據(jù)抗震規(guī)范3.5.3條，結(jié)構(gòu)體系宜有多道防線，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按整體模型計(jì)算結(jié)果及分塊模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋包絡(luò)設(shè)計(jì)，保證地震作用時(shí)骨架的承載能力，同時(shí)又保證骨架屈服時(shí)附屬結(jié)構(gòu)獨(dú)立的承載能力，類似于在結(jié)構(gòu)體系中建立弱形式的二道防線，避免因局部結(jié)構(gòu)屈服導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)喪失承載能力。

（2.2）中震彈性性能設(shè)計(jì)

根據(jù)抗震審查專家意見：因結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，屋面高度相差較大，需保證中震作用下豎向構(gòu)件抗彎及抗剪彈性，屋面構(gòu)件部分屈服。該目標(biāo)相比目前2010年版抗震規(guī)范規(guī)定的C級抗震性能目標(biāo)略強(qiáng)。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震彈性計(jì)算。分析結(jié)果有以下特點(diǎn)：

●高度較低區(qū)域加大柱截面可滿足中震彈性要求。

●劇場部分柱原截面較大，同時(shí)設(shè)置了鋼筋砼筒體抗震墻，加強(qiáng)截面配筋即可滿足要求。

●其他區(qū)域框架柱截面需加大較多才能滿足要求，進(jìn)一步分析表明，框架柱均為單向而非雙向不滿足抗震要求。

根據(jù)上述特點(diǎn)，經(jīng)與建筑師協(xié)調(diào)，房屋高度較低區(qū)域柱截面加大，房屋高度較高區(qū)域：單層空曠區(qū)域柱截面不變，加大配筋；其他區(qū)域柱截面加大至建筑師許可的最大程度，在中震彈性不夠的方向單向加剪力墻翼墻，翼墻同建筑師協(xié)商盡量為長肢墻，局部無法避免短肢處短肢墻的截面高度與墻厚之比不小于6。

截面、配筋按中震彈性分析調(diào)整后，根據(jù)抗震規(guī)范，進(jìn)行pushover靜力彈塑性分析，附圖中給出了結(jié)構(gòu)的能力曲線與需求曲線，能力曲線與需求曲線的交點(diǎn)性能點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的最大層間位移角約為1/260左右，滿足規(guī)范要求。

3.裙樓屋面斜板的設(shè)計(jì)

（3.1）屋面斜板地震作用下的應(yīng)力分析

屋面斜板斜度較大，根據(jù)方案階段的計(jì)算結(jié)果，若將屋面板按坡屋頂用平屋頂方式建模模擬，結(jié)構(gòu)的第一周期為1.4s，而將屋面板按真實(shí)斜度建模，結(jié)構(gòu)的第一周期為0.9s，這表明，屋面斜板對抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)不容忽視，同時(shí)，各個(gè)分區(qū)域剛度相差較大，中間樓層樓面標(biāo)高眾多，區(qū)部樓板缺失，完整的屋面板是將各個(gè)分區(qū)域連接成一個(gè)整體，有效空間協(xié)同工作的重要抗震構(gòu)件。屋面板在地震作用下應(yīng)具備一定延性，這對確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震延性，實(shí)現(xiàn)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)有重要意義。為確保抗震性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對屋面斜板進(jìn)行中震彈性計(jì)算，經(jīng)反復(fù)計(jì)算，調(diào)整板厚，對局部薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，最終屋面斜板中震地震作用下各向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的最大值如下表2，詳細(xì)的圖形計(jì)算結(jié)果見附圖。

從計(jì)算圖形結(jié)果可以看出中震地震產(chǎn)生的樓板拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在屋面板端角、轉(zhuǎn)折角部、屋面板縮頸部兩端，方向與屋面板長向方向大致相同，最大拉應(yīng)力峰值未超砼拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值ft。

（3.2）屋面斜板溫度作用下的應(yīng)力分析

屋面板x向長度約123m左右，y向長度約80m左右。屋面板呈盤旋上升之勢，為一側(cè)放U型板帶，U型板帶總長約280m，結(jié)構(gòu)未設(shè)溫度縫，且屋面高度相差較大，其下豎向構(gòu)件抗側(cè)剛度差異較大，且U型板帶形狀不規(guī)則，存在縮頸、轉(zhuǎn)折區(qū)域，使得屋面在溫度作用下呈現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，有必要進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。

溫度應(yīng)力由砼的自身收縮及季節(jié)溫差兩部分產(chǎn)生，砼收縮應(yīng)力通過等效當(dāng)量溫度模擬，考慮為-15℃，屋面間隔30～40m設(shè)置后澆帶，后澆帶封閉前考慮砼收縮完成60%，砼水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力設(shè)定在后澆帶封閉前已經(jīng)釋放。對于季節(jié)溫差，南京最冷月份的平均溫度為-2℃，最熱月份的平均溫度28℃，對于季節(jié)溫差，選擇合適的砼澆注時(shí)間可有效降低結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，對于本工程，土建施工為6月份開始，為確保屋面砼澆注在低溫季節(jié)進(jìn)行，通過與甲方及施工單位會商，明確屋面砼澆注的時(shí)間為來年三月份，該月的平均溫度為10℃。因此結(jié)構(gòu)考慮兩種溫度工況：升溫：28-10-0.4*15=12℃；降溫：-2- 10-0.4*15）=18℃。計(jì)算應(yīng)力時(shí)，溫度作用的組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)和準(zhǔn)永久值系數(shù)分布取0.6、0.5和0.4，應(yīng)力折減系數(shù)取0.3，砼彈性模量折減系數(shù)取0.9。

屋面斜板溫度作用下各向主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果最大值如下表3，詳細(xì)的圖形計(jì)算結(jié)果見附圖。

從計(jì)算圖形結(jié)果可以看出，溫度產(chǎn)生的樓板拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在屋面板長向的端部和中部，最大峰值出現(xiàn)在中部，其值大于屋面板砼軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43MPa（C30），方向與屋面板長向方向大致相同，其位置與中震應(yīng)力峰值位置不在同一區(qū)域。

（3.3）屋面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，經(jīng)院內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案論證，決定沿屋面板長向通長施加預(yù)應(yīng)力，以抵消砼產(chǎn)生的拉應(yīng)力。因屋面板平面復(fù)雜，各區(qū)域抗側(cè)剛度相差較大，為避免施加預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生過大的次應(yīng)力，將預(yù)應(yīng)力筋的布置與樓面梁的設(shè)計(jì)結(jié)合起來，預(yù)應(yīng)力筋全部集中布置在樓面梁中，預(yù)應(yīng)力筋線型為直線筋，沿截面形心軸布置，僅施加預(yù)壓力，梁板截面施加的預(yù)應(yīng)力平均壓力約為2MPa，基本抵消中震作用下屋面板的拉應(yīng)力，大致保證溫度及預(yù)應(yīng)力作用下屋面板砼的拉應(yīng)力不超砼軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。預(yù)應(yīng)力筋屋面結(jié)構(gòu)布置圖見附圖。同時(shí)，加強(qiáng)材料及施工工藝控制，對材料、砼配合比、外加劑嚴(yán)格控制，對砼骨料、水泥品種、級配、外加劑。水膠比等給出具體量化指標(biāo)，對砼澆注、養(yǎng)護(hù)給出詳細(xì)的技術(shù)要求。

4.裙樓施工的難點(diǎn)及設(shè)計(jì)的考慮

本工程造型獨(dú)特，屋面為平斜板+連接板組成，平斜板斜度及方向均不同，為空間平斜板，為保證空間平斜板平滑過渡，連接板呈現(xiàn)曲面板的形態(tài)，該點(diǎn)也是建筑造型的特色之一。下圖為其中一塊曲面板的單向視圖。斜板兩端端部橫截直線傾斜方向組成x型，以兩根端部直線為基準(zhǔn)線按級數(shù)等分，相對直線連接兩端部直線等分點(diǎn)即得斜板網(wǎng)格線。左端最高臺階與最低臺階高差10m，右端最高臺階與最低臺階高差7m，斜板底面連接為一曲面。

圖3 曲面造型板A向視圖

曲面板區(qū)域較大，以上圖為例，該曲面板區(qū)域約40*50m，越過好幾個(gè)柱跨，區(qū)域需布置框架梁及板格屋面梁，同時(shí)，由于使用方要求，隨屋面高度增加，其下樓層數(shù)也增加，以保證盡可能多的使用面積，樓層過渡區(qū)域頂層樓層的使用凈高沒有富余，屋面層梁應(yīng)緊貼曲面板，呈曲線梁造型。由此，曲線梁、曲面板施工如何定位成為一個(gè)難點(diǎn)，目前尚無專業(yè)結(jié)構(gòu)軟件解決該問題，根據(jù)本工程特點(diǎn)，利用現(xiàn)有cad軟件，建立實(shí)體模型，再對實(shí)體在需要的方向取截面，可得該方向建筑造型的上下輪廓包線，結(jié)構(gòu)骨架層應(yīng)位于該包線之中，對于曲梁，采用折線去逼近曲線，給出折梁的折點(diǎn)處的位置及標(biāo)高，對于曲板，設(shè)計(jì)采用網(wǎng)格三角形逼近曲面，每個(gè)三角形區(qū)域?yàn)樾逼桨?，詳?xì)定位圖給出每個(gè)三角形的坐標(biāo)和標(biāo)高。通過對實(shí)體模型若干方向取一系列截面，對曲面區(qū)域所有的梁高、板厚及梁板的轉(zhuǎn)折形狀進(jìn)行定位，確保建筑造型及其下使用空間凈高，設(shè)計(jì)給出每根梁，每塊折板的模板定位圖，以指導(dǎo)施工。下圖為典型折梁、折板模板定位圖。

圖4 典型折梁、曲板模板定位圖

對于屋面斜板，局部區(qū)域斜板斜度過大，施工澆筑困難，通過與施工、監(jiān)理會商，對砼配合比提出要求，避免初凝過早，同時(shí)對施工過程操作給出詳細(xì)要求，在滿足施工條件下，盡量減少坍落度，避免在大風(fēng)降溫天氣時(shí)澆注砼，施工中根據(jù)斜板傾斜度不同，采取相應(yīng)的措施，斜度較大板表面設(shè)置模板，斜度中等板表面采用小間距鋼絲網(wǎng)格壓面，斜度較小板采用大間距鋼絲網(wǎng)格壓面。通過各方努力，順利解決斜板成型問題。

三、結(jié)語

本工程為本院首例與國外建筑師合作項(xiàng)目，因國外建筑師抗震概念薄弱，建筑方案過于強(qiáng)調(diào)仿生，結(jié)構(gòu)平、立面復(fù)雜，為特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，通過施工圖設(shè)計(jì)階段與建筑師的緊密配合，審圖階段結(jié)構(gòu)專家的指導(dǎo)，以及施工階段甲方及施工單位的大力支持，對該結(jié)構(gòu)在方案、設(shè)計(jì)、施工三階段認(rèn)真準(zhǔn)備，精心設(shè)計(jì)，以及積極配合施工，較好的完成了該項(xiàng)工程的建設(shè)。

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