關(guān)于建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的思考

臧傳剛

【摘要】本文主要通過對某建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的介紹，探討了這類建筑采用何種計算模型和分析軟件準(zhǔn)確模擬、超長鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力如何解決等問題。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計；預(yù)應(yīng)力

1、建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的注意要點分析

1.1概念設(shè)計

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良抗震性能的一種方法。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是要求建筑師和結(jié)構(gòu)師在建筑設(shè)計中應(yīng)特別重視規(guī)范、規(guī)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的各條規(guī)定，設(shè)計中不能陷入只憑計算的誤區(qū)。以下一些要點值得注意：

1.1.1 在結(jié)構(gòu)體系上，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的選型和平、立面布置的規(guī)則性，擇優(yōu)選用抗震和抗風(fēng)性能好且經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的傳遞地震力途徑，結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性宜相近。

1.1.2 一般工程都僅進(jìn)行小震下的彈性設(shè)計，而用概念設(shè)計和構(gòu)造措施保證“中震可修，大震不倒”，但沒有驗算和證實，那么建筑物是否真能做到“中震可修，大震不倒”，無人知曉。對抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)的特別重要建筑和超限建筑，審查專家往往會提出更具體的設(shè)計指標(biāo)：1）中震或大震不屈服設(shè)計；2）中震或大震彈性設(shè)計；要求設(shè)計單位確保實現(xiàn)“三水準(zhǔn)”的設(shè)計目標(biāo)。

1.1.3 水平地震作用是雙向的，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)能抵抗任意方向的地震作用，應(yīng)使結(jié)構(gòu)沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力；結(jié)構(gòu)剛度選擇時，雖可考慮場地特征，選擇結(jié)構(gòu)剛度以減少地震作用效應(yīng)，但是也要注意控制結(jié)構(gòu)變形的增大，過大的變形將會因p-δ效應(yīng)過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

1.2 結(jié)構(gòu)選型

1.2.1 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案?！币虼?，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計階段工作被動。

1.2.2 結(jié)構(gòu)的超高問題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為A級高度的建筑外，增加了B級高度的建筑，因此，必須對結(jié)構(gòu)的該項控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設(shè)計方法和處理措施將有較大的變化。

1.2.3 嵌固端的設(shè)置問題。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面。

2、工程實例概況

該建筑是一個集比賽、演出、展銷等功能于一體的大型綜合性公共建筑，建筑占地面積1.54萬m2，總建筑面積2.7萬m2，四層，建筑總高度（含鋼結(jié)構(gòu)屋面）30.6m。平面尺寸25m×151m，形狀近似橢圓。內(nèi)設(shè)6040個座席，其中固定看到座席3948個，活動看臺座席1950個，其他142個。館內(nèi)可以進(jìn)行手球、網(wǎng)球、籃球、排球、羽毛球、乒乓球、藤球、體操等各項正式比賽，還可以兼作大型文藝演出及大型展銷用地?？磁_部分局部4層，2層館外為觀眾疏散大平臺。屋面為雙曲球面鋼管桁架鋼結(jié)構(gòu)承重體系，鋼結(jié)構(gòu)柱角支撐在2層室外大平臺混凝土框架梁上，上部支撐在4層混凝土框架柱上，外包玻璃幕墻及鎂鋁錳復(fù)合板。整個工程體形獨特，宏偉壯觀，外形曲線流暢柔和。

3、地基基礎(chǔ)設(shè)計

本工程位于構(gòu)造活動帶中的相對穩(wěn)定地塊。擬建場地未見有明顯的斷裂構(gòu)造帶及斷層通過，不必考慮活動性斷裂的影響。場地抗震設(shè)防烈度6度區(qū)，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，設(shè)計地震分組屬第一組。根據(jù)上部荷載情況及地質(zhì)條件，確定采用柱下獨立基礎(chǔ)，以1層碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖為持力層，承載力特征值500kPa。設(shè)計時為減少沉降量和沉降差對屋面鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力，故有意加大基礎(chǔ)面積。

4、上部混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1計算模型的確定

本工程雖地處6度設(shè)防區(qū)，但由于其為空曠的大型建筑，按抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，工程屬于乙類建筑，應(yīng)按7度抗震構(gòu)造，框架結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)為二級?？磁_局部雖僅四層，設(shè)計時需考慮大空間結(jié)構(gòu)的不利影響。加之屋頂為雙曲球面鋼管桁架空間結(jié)構(gòu)，管桁架屋面在支撐柱頂產(chǎn)生較大的水平應(yīng)力，而框架柱的側(cè)移又直接影響到鋼桁架結(jié)構(gòu)中桿件的內(nèi)力分配，兩者互相影響。如何將鋼結(jié)構(gòu)屋面與混凝土框架作為一個整體進(jìn)行分析，是本工程的一大難點。目前SATWE程序無法做到這點，一般的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計程序，也不能對此混凝土結(jié)構(gòu)作出準(zhǔn)確的分析。考慮到鋼屋架對混凝土結(jié)構(gòu)的影響僅局限于支撐柱和梁，對樓層梁應(yīng)無太大影響，故設(shè)計時首先采用SATWE程序?qū)炷林黧w結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，由于看臺部分多為斜梁，SATWE 程序雖可以準(zhǔn)確分析較復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，但仍需抽取單榀框架，用PK程序?qū)π绷汉椭M(jìn)行復(fù)核。再用MIDAS GEN程序?qū)ξ菝婀荑旒苓M(jìn)行設(shè)計，計算時將支撐柱按實際長度輸入，以考慮支座剛度的影響。

4.2整體分析

根據(jù) MIDAS GEN 對屋面鋼結(jié)構(gòu)的分析，屋面結(jié)構(gòu)在恒、活、風(fēng)載、溫度（±30℃）作用的組合下，支座處最大水平力為1031kN，最大彎矩為 1150kN·m，可見鋼結(jié)構(gòu)對混凝土支撐柱及支撐梁有不小的影響。但樓層處影響有限，應(yīng)重點對支撐柱、支撐梁作應(yīng)力分析。屋面鋼結(jié)構(gòu)的恒、活、風(fēng)載、溫度產(chǎn)生的內(nèi)力，通過節(jié)點力分別輸入軸力、彎矩、剪力。但SATWE程序無法自動對附加溫度應(yīng)力進(jìn)行組合計算。設(shè)計時，通過 SATWE 程序中的“計算水平和特殊風(fēng)載”功能，將屋面鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力輸入到“特殊荷載定義”中，再通過“采用自定義組合及工況”進(jìn)行整體計算，以最大程度模擬混凝土結(jié)構(gòu)實際受力情況。由于本工程X 軸、Y軸基本對稱，分析結(jié)果顯示扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯，結(jié)構(gòu)層間位移最大值為1/611，均在規(guī)范的允許范圍內(nèi)。對于支撐鋼結(jié)構(gòu)的框架梁、框架柱，除用MIDAS GEN進(jìn)行有限元節(jié)點分析外，進(jìn)一步加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，以免重要構(gòu)件先于主體結(jié)構(gòu)破壞。

4.3混凝土樓板設(shè)計

根據(jù)建筑專業(yè)的要求，體育館不留伸縮縫，2層混凝土室外樓板最大弧長約300m，收縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力不容忽視，若不處理好，會造成樓板和墻體開裂。設(shè)計時采取以下措施：①樓板厚度取120mm，沿平面切向方向均勻布置8條后澆帶，將樓層平面分隔成8個區(qū)域，同時增大樓板配筋率。②混凝土摻入適量抗裂微膨脹外加劑，并摻入適當(dāng)?shù)蘑窦壏勖夯易鰮胶土蠝p少水泥用量，改善混凝土的性能，減少水化熱。施工時加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。③平面內(nèi)徑向框架梁、次梁均增加無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋。通過上述各項措施后，最大程度控制裂縫的發(fā)展。目前該工程已經(jīng)竣工，也度過一個冬季，基本未發(fā)現(xiàn)樓板開裂現(xiàn)象，說明這些措施達(dá)到了預(yù)期效果。

結(jié)束語

通過該建筑工程設(shè)計可以看到，一個合理的計算模型和分析方法，對建筑體型較復(fù)雜的大空間混凝土框架主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常重要的，否則，上下兩種結(jié)構(gòu)之間的相互作用無法準(zhǔn)確模擬。大面積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用優(yōu)化混凝土配合比、摻入適當(dāng)?shù)耐饧觿?、加?qiáng)養(yǎng)護(hù)、加大配筋率、增加預(yù)應(yīng)力等適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，是可以不留伸縮縫的。隨著設(shè)計理念的不斷發(fā)展，空曠空間結(jié)構(gòu)，必將朝著更加合理的方向發(fā)展。

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