大跨度網(wǎng)監(jiān)大廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

趙敏越 董 磊 姚文軍 趙宇娟

(中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080)

1 概述

通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控大廳一般設(shè)置于電信大樓里，是電信運(yùn)營和維護(hù)者進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、日常維護(hù)、指揮調(diào)度等活動(dòng)的重要場所，要求有高大的內(nèi)部空間，以設(shè)置滿足視覺舒適度要求的監(jiān)控大屏幕，設(shè)置監(jiān)控臺及指揮調(diào)度室。由此結(jié)構(gòu)需要解決如下問題：監(jiān)控大廳屋蓋的大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大空間對大樓主體結(jié)構(gòu)的削弱引起薄弱的驗(yàn)算及結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)、監(jiān)控大屏幕荷載及與結(jié)構(gòu)主體連接及其他項(xiàng)目的具體問題。

空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)即網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)傳力簡單、自重輕、安裝便捷、構(gòu)件工廠生產(chǎn)，便于標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)其結(jié)構(gòu)形式較易滿足大跨度的建筑空間要求。在建材技術(shù)及計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展的今天，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)及民用建筑。在技術(shù)創(chuàng)新的時(shí)代浪潮下，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)應(yīng)用于通信建筑的探索研究，相關(guān)技術(shù)發(fā)展成熟助力通信建筑整體技術(shù)水平的提升。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土主體形成組合結(jié)構(gòu)可解決監(jiān)控大廳所需的大空間問題，適用于抗震高烈度區(qū)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

鋼筋混凝土大跨度框架在低烈度區(qū)用于網(wǎng)監(jiān)大廳屋蓋設(shè)計(jì)能很好地與大樓主體結(jié)構(gòu)形成整體。整體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的，不需要進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)分包采購，實(shí)施方便。同時(shí)在控制跨度和承載力驗(yàn)算的前提下，鋼筋混凝土框架屋蓋可應(yīng)用于上人屋面，屋面上可根據(jù)需要考慮布置冷卻塔等設(shè)備。 本文通過實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程的展示、對鋼筋混凝土大跨框架、空間網(wǎng)格鋼網(wǎng)架應(yīng)用于網(wǎng)監(jiān)大廳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，為此類通信建筑的應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。通過不同適用條件下的兩種方案的對比，為大跨度網(wǎng)監(jiān)大廳屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案的選擇確定提供思路。

2 設(shè)計(jì)案例分析

2.1 空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)屋蓋案例工程概述

該網(wǎng)監(jiān)大廳為全網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)管某功能監(jiān)控中心，大廳內(nèi)設(shè)置有超大監(jiān)控屏幕、操作控制臺區(qū)域、指揮觀摩室等。項(xiàng)目所在地為北京昌平,為8度抗震設(shè)防區(qū),第二組,當(dāng)?shù)?0年一遇基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2，場地類別為Ⅲ類場地。網(wǎng)監(jiān)大廳設(shè)置于一棟四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)通信辦公綜合樓頂層及次頂層的中部。局部空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)屋蓋與下部鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)主體組成組合結(jié)構(gòu)體系。鋼屋蓋采用正交正放四角錐螺栓球網(wǎng)架，上弦支撐。網(wǎng)監(jiān)大廳跨度為33.6 m×42 m，見圖1。

2.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)屋蓋案例工程概述

該網(wǎng)監(jiān)大廳為廣西南寧五象某運(yùn)營商某省網(wǎng)管監(jiān)控中心，大廳內(nèi)設(shè)置有超大監(jiān)控屏幕、操作控制臺區(qū)域、指揮觀摩室等。項(xiàng)目所在地為6度抗震設(shè)防區(qū),第一組,當(dāng)?shù)?0年 一遇基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，場地類別為Ⅱ類場地。

網(wǎng)監(jiān)大廳設(shè)置于一棟16層通信辦公綜合樓頂層及次頂層的中部。主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，網(wǎng)監(jiān)大廳跨度為23.4 m×33.6 m，其中拔柱形成的大跨結(jié)構(gòu)跨度為15.6 m。其上屋蓋為上人屋面且需要設(shè)置冷卻塔設(shè)備，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)屋蓋，見圖2。

2.3 案例工程分析

案例一需要解決高烈度區(qū)超大跨度結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)問題，同時(shí)屋面為不上人屋面，采用大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)合理。采用3D3S結(jié)構(gòu)軟件對網(wǎng)架進(jìn)行計(jì)算分析。規(guī)范JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第4.4.1條在抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，對于周邊支承的中小跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行豎向抗震驗(yàn)算。對其他網(wǎng)架結(jié)構(gòu)均應(yīng)進(jìn)行豎向和水平抗震驗(yàn)算。本工程采用的3D3S軟件采用各種工況下38種荷載組合對用于屋蓋的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下內(nèi)力計(jì)算，采用內(nèi)力包絡(luò)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。

根據(jù)規(guī)范JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第4.1.6條空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析時(shí),應(yīng)考慮上部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)之間的相互影響。一般網(wǎng)架支承條件有以下幾種情況:

1)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)直接支承在地面上;

2)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)各支座支承在柱子上，網(wǎng)架單獨(dú)作為建筑屋蓋;

3)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)直接支承在整體剛度和質(zhì)量很大的混凝土結(jié)構(gòu)上，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋僅為屋蓋的一部分。本工程屬于第三種情況，對網(wǎng)架+鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組合體系進(jìn)行整體建模分析，主要分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對下部支承結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)整體計(jì)算顯示下部剛度大質(zhì)量大的大樓主體對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響很小。

案例二需要解決大跨度結(jié)構(gòu)上需要承載大型設(shè)備，屋蓋為上人屋面，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)屋蓋，經(jīng)濟(jì)合理。本工程采用PKPM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。計(jì)算控制關(guān)鍵點(diǎn)是樓板大開洞形成的薄弱層的位移，并取按剛性樓板假設(shè)及非剛性樓板假設(shè)的結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)方案

3.1 網(wǎng)監(jiān)大廳結(jié)構(gòu)工程案例共性方案

1)抗震設(shè)防分類：監(jiān)控的網(wǎng)管中心屬于重要通信建筑。根據(jù)GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)及YD 5054—2010通信建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。

2)結(jié)構(gòu)安全等級及結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：根據(jù)YD 5003—2014通信建筑工程設(shè)計(jì)規(guī)范第3.2.2條1款：特別重要的及重要的通信建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級。結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

3)對于主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案處理：因網(wǎng)監(jiān)大廳空間要求，次頂層樓板大開洞，形成平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。需要在計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)方面進(jìn)行處理。

a.計(jì)算時(shí)采用PKPM設(shè)計(jì)軟件建模對薄弱層進(jìn)行驗(yàn)算，取按非剛性樓板假定計(jì)算和剛性樓板假定計(jì)算的包絡(luò)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。樓板大洞周圍形成的穿層柱進(jìn)行特殊構(gòu)件計(jì)算和設(shè)計(jì)，對穿層柱采用計(jì)算系數(shù)調(diào)整，設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整的計(jì)算處理。無梁拉結(jié)的方向按兩層層高計(jì)算柱高，計(jì)算長度系XY向均取為1.25，同時(shí)構(gòu)件抗震構(gòu)造等級提高一級。

b.構(gòu)造加強(qiáng)處理：該層開大洞周圍樓板加厚加強(qiáng)，及樓板雙層雙向通長配筋進(jìn)行加強(qiáng)。樓板大洞周圍形成的穿層柱按角柱通長加密箍筋等措施進(jìn)行加強(qiáng)處理。

4)網(wǎng)監(jiān)大廳功能要求結(jié)構(gòu)方案：網(wǎng)監(jiān)大廳功能要求根據(jù)設(shè)備布置確定大廳地面荷載(在設(shè)備資料未有時(shí)可按6.0 kN/m2)，大屏幕所在墻面需考慮大屏剛架錨固及荷載(根據(jù)監(jiān)控屏幕大小，綜合考慮屏幕重量及支撐鋼架和檢修馬道的重量，按實(shí)際重量考慮)。

3.2 設(shè)計(jì)案例方案特殊處理

3.2.1案例一結(jié)構(gòu)方案

為達(dá)到建筑限高要求，將建筑限制在非高層建筑的高度范圍內(nèi)，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采取上弦支撐，并縮小網(wǎng)架主體平面尺寸(網(wǎng)架主體平面覆蓋范圍縮小為41 m×33 m)、將網(wǎng)架鑲嵌入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主體的中庭空間中。超出中庭頂部標(biāo)高通過檁條體系向四周懸挑滿足大廳42 m×33.6 m的平面覆蓋要求。網(wǎng)監(jiān)大廳屋蓋結(jié)構(gòu)根據(jù)當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度，跨度大小，確定整體結(jié)構(gòu)體系和桿件截面?？紤]屋面板及其上防水、保溫做法，網(wǎng)架消防管空調(diào)風(fēng)管等的懸掛荷載檢修荷載，并根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范第5.3.1條：確定恒、活荷載如表1所示。

表1 網(wǎng)架屋面設(shè)計(jì)荷載一覽表

根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范第8.1.2條及規(guī)范附錄E.5采用50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓0.45 kN/m2。并統(tǒng)一按照24 m高度輸入計(jì)算網(wǎng)架風(fēng)壓高度系數(shù)。溫度作用考慮計(jì)算正溫差1：30.0 ℃，計(jì)算負(fù)溫差2：-30.0 ℃。考慮溫度應(yīng)力影響結(jié)合支座豎向及水平最大反力選用平板橡膠支座。為便于生產(chǎn)安裝，平板橡膠支座的平面尺寸統(tǒng)一按反力最大的支座統(tǒng)一規(guī)格。

屋蓋結(jié)構(gòu)方案的處理：整個(gè)結(jié)構(gòu)方案傳力簡單，網(wǎng)架設(shè)計(jì)成對稱結(jié)構(gòu)便于設(shè)置桿件、檢查計(jì)算結(jié)果和桿件設(shè)計(jì)優(yōu)化，也使得網(wǎng)架廠家生產(chǎn)及施工更方便。結(jié)構(gòu)方案需滿足建筑限高及網(wǎng)架下空間要求，滿足網(wǎng)管大廳內(nèi)監(jiān)控大屏幕、控制臺、指揮席等的功能要求。同時(shí)需兼顧屋面排水組織、建筑防水保溫處理等各專業(yè)配合問題。

3.2.2案例二結(jié)構(gòu)方案

網(wǎng)監(jiān)大廳屋蓋結(jié)構(gòu)根據(jù)當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度，跨度大小及其上需要設(shè)置大型屋面設(shè)備等情況，采用與主體結(jié)構(gòu)一致的鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，考慮屋面設(shè)備重量及其上防水、保溫做法，并根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范第5.3.1條確定恒、活荷載如表2所示。

表2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計(jì)荷載一覽表

4 案例結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)總結(jié)

根據(jù)以上不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)監(jiān)大廳屋蓋的設(shè)計(jì)介紹，為進(jìn)一步梳理總結(jié)，給出兩方案在結(jié)構(gòu)跨度，抗震設(shè)防烈度等不同方面的對比?；炷廖萆w結(jié)構(gòu)施工較網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡單便捷，較為經(jīng)濟(jì)，且工期更短。其他方面的比較詳見表3。

表3 案例結(jié)構(gòu)方案對比表

案例結(jié)構(gòu)方案效果如下：

1)方案一較好的解決了抗震設(shè)防高烈度區(qū)，安全等級為一級的大跨度網(wǎng)監(jiān)大廳結(jié)果設(shè)計(jì)問題，空間跨度達(dá)到33.6 m，監(jiān)控大廳內(nèi)部空間開闊。經(jīng)濟(jì)效果良好，總用鋼量為51 t，每平方米用鋼量為36 kg。

2)方案二較好的解決了抗震設(shè)防低烈度區(qū)，需要利用大廳屋蓋頂部擺放大型設(shè)備，安全等級為一級的大跨度網(wǎng)監(jiān)大廳結(jié)果設(shè)計(jì)問題，空間跨度約16 m，施工便捷，工期短，方案效果良好。

3)案例方案設(shè)計(jì)解決了主體結(jié)構(gòu)因網(wǎng)監(jiān)大廳空間要求樓板大開洞形成的薄弱部位的驗(yàn)算和薄弱處構(gòu)件設(shè)計(jì)加強(qiáng)問題。其中案例一為地震高烈度區(qū)大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分與主體結(jié)構(gòu)部分協(xié)調(diào)受力與變形，整體抗震性能良好。

5 結(jié)論

本文通過對實(shí)際工程案例的設(shè)計(jì)總結(jié)，對不同基本抗震設(shè)防烈度區(qū)，不同跨度大小以及不同屋面設(shè)備擺放條件下，在主體結(jié)構(gòu)因網(wǎng)監(jiān)大廳大開間要求拔柱，結(jié)構(gòu)削弱情況設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)問題和網(wǎng)監(jiān)大廳功能實(shí)現(xiàn)等問題進(jìn)行研究探討，得出以下結(jié)論：

1)鋼筋混凝土框架屋蓋空間跨度較小。一般根據(jù)柱網(wǎng)設(shè)計(jì)情況按拔一行柱子考慮，跨度一般為15.6 m～16.8 m；空間網(wǎng)格鋼網(wǎng)架屋蓋適用跨度更大，當(dāng)有更大空間要求時(shí)應(yīng)考慮采用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

2)大跨度鋼筋混凝土框架屋蓋適用于低烈度區(qū)，因?yàn)樽陨碇亓看蟛蝗菀诐M足高烈度區(qū)抗震驗(yàn)算要求?？臻g網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)屋蓋自重輕，自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)較容易滿足高烈度抗震要求。

3)大跨度鋼筋混凝土框架屋蓋造價(jià)較低，可以與大樓主體一起實(shí)施不用進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)分包施工，施工較為便捷，工期相對較短。

4)在跨度滿足要求的前提下，經(jīng)過承載力和抗震驗(yàn)算，鋼筋混凝土框架屋蓋可以設(shè)置大型設(shè)備。而空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋承載力有限一般為不上人屋面。

5)由于網(wǎng)監(jiān)大廳功能特點(diǎn)，兩種方案主體結(jié)構(gòu)均形成穿層柱及樓板大開洞需要進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)充驗(yàn)算及構(gòu)造加強(qiáng)處理。

6)網(wǎng)監(jiān)大廳功能要求根據(jù)設(shè)備布置確定大廳地面荷載(在設(shè)備資料未有時(shí)可按6.0 kN/m2)，大屏幕所在墻面考慮大屏剛架錨固及荷載(根據(jù)監(jiān)控屏幕大小按實(shí)際重量考慮)。