某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)分析與設計

柳 艷 紅

(山西省建筑設計研究院,山西 太原　030013)

1　工程概況

警務訓練基地位于太原市清徐縣。建筑面積約26 715.11 m2,裙房建筑面積約為13 257.3 m2，地下1層平時為汽車庫，戰(zhàn)時為甲類核6級常6級物資庫。1層建筑功能主要為餐廳，會議室，辦公室。2層建筑功能主要為包間，設備用房。裙房采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。首層餐廳上空，為大空間12.8 m×42 m,首層主入口大廳上空，為大空間12.8 m×42 m，學術(shù)報告廳上空，為大空間25.2 m×33.6 m。均采用鋼結(jié)構(gòu)型鋼主次梁結(jié)構(gòu)形式。與設備給排水，暖通，電氣專業(yè)緊密配合。工程于2018年年初竣工驗收。滿足承載能力狀態(tài)與正常使用狀態(tài)質(zhì)量要求。設置多道抗震防線，提高抗震性能。

2　結(jié)構(gòu)布置及基礎(chǔ)設計

本工程采用結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)平面布置為(7×8.4)m與(8×8.4)m，接近于正方形。地下1層，柱網(wǎng)為8.4 m×8.4 m。鋼筋混凝土截面尺寸為800 mm×800 mm，地上首層局部由于功能要求抽掉框柱變?yōu)榇罂臻g，框柱采用型鋼混凝土柱子，柱子截面尺寸為800×1 200，內(nèi)部型鋼為18×500×350×18×350×18,鋼材等級為Q345B?？蚣芸拐鸬燃墳槎?。地下1層為人防區(qū)，地下頂板覆有1.5 m焦渣，人防等級界別為核6，頂板人防等效靜荷載70 kN/m2。通過計算框架梁截面尺寸X方向500×1 250，Y方向截面500×1 300。滿足荷載受力要求。樓層框架梁截面尺寸為350×750，350×800，板厚為120 mm。大空間處有樓板開洞。鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板可以布置在水平方向，連接上豎向抗側(cè)力構(gòu)件協(xié)同工作。整個樓而言，結(jié)構(gòu)平面規(guī)則，X方向與Y方向質(zhì)量與剛度分布均勻。很好承擔吸收水平地震作用。由于質(zhì)量剛度沒有突變，樓具有較好抗扭轉(zhuǎn)剛度。地基基礎(chǔ)部分，采用天然地基，梁板式筏形基礎(chǔ)?；A(chǔ)梁截面為900 mm×1 500 mm，板厚為550 mm?；炷翉姸鹊燃墳镃35。通過可靠連接將上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)連接起來，地基變形對上部結(jié)構(gòu)也有影響，協(xié)同工作。

3　結(jié)構(gòu)整體分析

3.1　結(jié)構(gòu)的安全等級

本工程設計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑物中的各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全等級為二級。地震地面運動三水準是多遇地震(小震)，設防烈度地震(中震)，預估的罕遇地震(大震)?？拐鹪O防三水準要求是：“小震不壞，中震可修，大震不倒”。通過兩階段設計完成三水準抗震設計要求。太原市在2016年5月前設計，地震設防烈度為8度，設計地震分組第一組，高度小于24 m,抗震等級為二級。場地類別為Ⅲ類。特征周期為0.45 s,確定了水平地震影響系數(shù)最大值為0.16 s。從而計算出結(jié)構(gòu)的總水平地震作用數(shù)值，進行下部具體設計計算。

3.2　房屋適用高度和高寬比

本工程是A級高度鋼筋混凝土丙類建筑。高寬比是12/(8.4×8)滿足規(guī)范中抗震設防烈度8度區(qū)3的限值要求。結(jié)構(gòu)平面布置簡單，規(guī)則。從而減小扭轉(zhuǎn)的影響，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主第一自振周期(某一振型完成一次振動所需的時間)Tt=0.488 3，平動為主的第一自振周期為T1=0.551 2，Tt/T1=0.886,滿足A級建筑物不應大于0.9規(guī)范要求。規(guī)范沒有明確規(guī)定，另一個方向也滿足周期比的比值限值要求。如果滿足，說明雙向抗扭剛度控制的較為理想。

3.3　結(jié)構(gòu)的平面布置

首層頂板樓板有較大的開洞，洞口附近樓板板厚加強為120 mm，雙層雙向配筋。裙房與主樓相接處在地上部分設置100 mm防震縫。

3.4　結(jié)構(gòu)豎向布置

建筑而言，豎向體型宜規(guī)則，均勻，避免有過大的外挑和收進，本工程在8.95 m處有外挑11.1 m大雨篷。采用型鋼梁挑梁實現(xiàn)建筑功能要求，側(cè)向剛度要求滿足下大上小，均勻變化的原則。通過SATWE有限元計算軟件分析結(jié)果看出首樓層側(cè)移剛度與上一層側(cè)移剛度70%的比值或三層剛度平均值的比值不宜小于80%的比值。采用層間剪力與層間位移之比的層剛度算法，從結(jié)果中看出未出現(xiàn)薄弱層，見表1。

表1　剛度比值表

3.5　水平位移限值和舒適度要求

正常使用條件下，高層建筑結(jié)構(gòu)應具有足夠的剛度，保證結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)，避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力，穩(wěn)定性和使用要求。

樓層最大層間位移與層高比值(滿足規(guī)范位移角1/550限值要求)見表2。

考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下最大層間位移與平均層間位移比值(滿足規(guī)范1.2要求),見表3。

表3　位移比值表

本工程不具有明顯的薄弱部位，也不是不規(guī)則結(jié)構(gòu)，所以不進行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析。

4　計算模型與計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)模型通過PKPM軟件計算，主要采用《結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件》WATWE 2010版分析計算。PMCAD工具，將實際工程工程幾何形狀構(gòu)建到計算機中，加上面荷載，線荷載。輸入控制參數(shù)，通過SATWE有限元計算分析，結(jié)果數(shù)據(jù)直觀的呈現(xiàn)，有助于分析調(diào)整模型，進行設計，然后將工程施工變?yōu)閷嵺`的建筑作品。

1)計算軟件分析水平力作用下結(jié)構(gòu)層平均側(cè)移簡圖。扭轉(zhuǎn)位移比計算時，采用的是“規(guī)定水平地震力”，計算方法是樓層剪力差(規(guī)范方法)。而計算地震作用，結(jié)構(gòu)樓層位移與層間位移計時采用的方法是振型組合方法(CQC耦聯(lián))?！陡咭?guī)》3.4.5條文說明中明確寫到“規(guī)定水平地震力”可采用振型組合后的樓層地震剪力換算的水平地震作用，每一個樓面處的水平作用力取樓面上下兩個樓層的地震剪力差的絕對值。同時考慮偶然偏心(見圖1，圖2)。

2)根據(jù)混凝土構(gòu)件計算簡圖可以直觀看到梁由于抗剪截面不足超筋，柱軸壓比超限，節(jié)點域超筋。調(diào)整截面滿足規(guī)范要求。當然SATWE分析計算軟件為了體現(xiàn)規(guī)范的概念要求，對構(gòu)件設計承載力進行了調(diào)整。比如為了體現(xiàn)抗震設計的弱梁強剪力弱彎矩的概念，《建筑抗震設計規(guī)范》在第6.2.4條梁端剪力做了適當?shù)姆糯?。為了體現(xiàn)抗震設計中框柱的強柱弱梁與強剪力弱彎矩的概念設計要求?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》第6.2.5條，6.2.6條對框柱與角柱柱端彎矩設計值與剪力設計值進行適當?shù)姆糯蟆前鍢?gòu)件通過調(diào)整板厚滿足正常使用狀態(tài)的裂縫與撓度要求。

3)本工程中首層為局部抽掉柱子作為餐廳、會議室。采用鋼筋混凝土梁用于跨度大于18 m空間，不經(jīng)濟不合理。采用鋼結(jié)構(gòu)型鋼主次梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式。進行了鋼梁與型鋼混凝土柱節(jié)點固接設計。次梁與鋼梁鉸接節(jié)點設計。

5　結(jié)語

在本工程中，將概念，規(guī)范，軟件分析運用于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。首先進行概念設計，結(jié)構(gòu)本身布置合理。按照規(guī)范的設計要求。通過規(guī)范的計算機結(jié)構(gòu)分析程序進行設計，調(diào)整結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件梁，柱，板截面滿足計算要求，滿足建筑造型功能要求。結(jié)構(gòu)受力合理，達到抗震性能目標要求。