某帶地下室多層鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

于澎濤

（上海環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200072）

1 工程概況

本工程位于上海市松江東部工業(yè)區(qū)書敏路以北、申港路以西，單體名稱為辦公及質(zhì)檢樓。地上總建筑面積7 218.41m2，地下總建筑面積2 508.39m2，共5 層，底層層高4.5m，其余樓層層高均為4.0m，建筑高度20.5m。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1 所示。單層地下室作地下車庫使用，上部建筑用于辦公和研發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測。建筑抗震設(shè)防類別：丙類?？拐鹪O(shè)防烈度7 度，設(shè)計(jì)地震分組第二組，設(shè)計(jì)地震加速度值0.1g。場地類別Ⅳ類，場地特征周期0.9s。多遇地震下阻尼比0.04?；撅L(fēng)壓0.55kN/m2，地面粗糙度B 類。鋼框架抗震等級四級[1]。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》（2016 年2 月6 日）提出：“加大政策支持力度，力爭用10 年左右時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%。積極穩(wěn)妥推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑”。為做好裝配式建筑推廣工作，上海市也制定了《裝配式建筑單體預(yù)制率和裝配率計(jì)算細(xì)則》（滬建建材〔2016〕601 號）。

根據(jù)方案階段建筑提資，地下室標(biāo)準(zhǔn)跨度8.1m，跨間布置3 個(gè)車位，方案階段地下室柱截面定為700mm×700mm，上部結(jié)構(gòu)使用裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)。進(jìn)入施工圖階段，業(yè)主從工期、施工的難易程度和施工質(zhì)量等方面考慮，要求上部結(jié)構(gòu)使用鋼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)方案最終定為多層鋼框架。樓板采用壓型鋼板、現(xiàn)澆混凝土非組合板，免模免支撐板。上部結(jié)構(gòu)平面尺寸長69m，考慮溫度效應(yīng)的影響，設(shè)置溫度伸縮縫，縫寬滿足抗震縫要求。

根據(jù)DGJ 08-9—2013《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》表5.5.1：多、高層鋼結(jié)構(gòu)，彈性層間位移角限值1/250。底層典型箱型截面柱為B500mm×500mm×18mm×18mm（Q345B），樓梯間四角鋼柱截面B400mm×400mm×16mm×16mm（Q345B）。典型柱截面沿房屋高度逐漸減小，由B500mm×500mm×16mm×16mm 過渡到B400mm×400mm×16mm×16mm。伸縮縫兩側(cè)分別按單塔進(jìn)行計(jì)算，模型的整體參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 模型整體計(jì)算參數(shù)

據(jù)DGJ 08-9—2013 第9.2.1 條第1 款“多層鋼結(jié)構(gòu)房屋可采用框架結(jié)構(gòu)……，當(dāng)設(shè)置地下室時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)宜延伸至地下室”。JGJ 138—2016《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.4 條規(guī)定，型鋼混凝土框架柱中型鋼的混凝土保護(hù)層厚度不宜小于200mm。首層柱截面寬500mm，如果箱型截面柱作為鋼骨直接延伸到地下室基礎(chǔ)，需要900mm×900mm 的柱截面，不滿足車庫的建筑凈寬要求。為解決此問題，首層使用B500mm×18mm 箱型鋼柱，對應(yīng)地下室柱采用700mm×700mm 的型鋼混凝土柱，型鋼采用300mm 高十字形截面。單塔計(jì)算模型，地下室建模范圍為上部鋼框架外擴(kuò)兩跨，且不大于20m。地下室層的側(cè)移剛度大于2 倍首層鋼柱抗側(cè)移剛度，同時(shí)地下室頂板板厚取180mm，雙層雙向配筋且每層每個(gè)方向配筋率不小于0.25%。滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.14 條關(guān)于地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端的計(jì)算和構(gòu)造要求[2]。

型鋼混凝土柱截面如圖2 所示。伸縮縫兩側(cè)的型鋼混凝土柱截面如圖3 所示，建模時(shí)發(fā)現(xiàn)PKPM 型鋼混凝土柱庫無此類型，解決方法是混凝土柱截面保持尺寸保持不變，居中設(shè)置1 根十字形型鋼。按照這樣處理，結(jié)構(gòu)剛度及承載力計(jì)算偏于保守，能夠滿足剛度和承載力要求。

圖2 型鋼柱截面

圖3 伸縮縫兩側(cè)型鋼混凝土柱

型鋼混凝土柱與鋼柱之間應(yīng)設(shè)過渡節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)繪制參照圖集16G519《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》中箱型截面柱與十字形截面柱的拼接做法，如圖4 所示。型鋼混凝土柱在節(jié)點(diǎn)過渡區(qū)域，箱型鋼柱范圍內(nèi)柱截面900mm×900mm，在十字形鋼柱范圍內(nèi)截面尺寸為700mm×700mm。變截面柱做法如圖5 所示，型鋼混凝土柱中縱筋貫通，縱向鋼筋做1∶6 坡度放樣。地下室建筑標(biāo)高為-4.500m，變截面范圍底標(biāo)高-2.250m，凈高2 250mm，滿足建凈高要求。

圖4 箱型截面和十字形截面過渡節(jié)點(diǎn)

根據(jù)工藝提資，地下室頂板活荷載10kN/m2?，F(xiàn)澆混凝土樓板厚度180mm，框架為主次梁結(jié)構(gòu)體系。標(biāo)高±0.000 及以下的梁板柱、擋土墻及基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級均為C35?？缍葹?.1m 的主框架梁截面400mm×800mm，跨度7.2m 框架梁截面350mm×750mm。組合結(jié)構(gòu)一般同時(shí)使用型鋼混凝土柱和型鋼混凝土梁，H 型鋼對混凝土梁剛度和承載力有大幅度提高，型鋼混凝土梁可僅設(shè)單層受力鋼筋。計(jì)算結(jié)果表明，本工程地下室頂板使用普通鋼筋混凝土梁能滿足計(jì)算要求，梁端頂部、底部要設(shè)雙層受力縱筋。

圖集12SG904-1《型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工鋼筋排布規(guī)則與構(gòu)造詳圖》提供了鋼筋混凝土梁與箱型鋼柱混凝土柱的連接節(jié)點(diǎn)。圖集提供2 種做法：（1）柱型鋼設(shè)置鋼牛腿與梁縱筋焊接；（2）柱型鋼采用套筒與梁縱筋連接。選擇第2 種做法，為減少套筒數(shù)量，梁鋼筋盡量選用較大規(guī)格的鋼筋，直徑28mm。梁兩側(cè)鋼筋自然彎曲繞開柱內(nèi)箱型鋼柱通過節(jié)點(diǎn)區(qū)，中部鋼筋通過機(jī)械連接套筒與鋼柱連接。在套筒中心標(biāo)高位置，箱型截面鋼柱內(nèi)設(shè)水平加勁隔板（厚度t=16mm），鋼套管與鋼柱等強(qiáng)焊接。本工程設(shè)計(jì)完成時(shí)間是2018 年12 月，施工時(shí)混凝梁縱筋使用套筒連接很方便。地下室外墻與型鋼混凝土柱相接位置，擋土墻外側(cè)水平鋼筋貫通，內(nèi)側(cè)水平鋼筋截?cái)嗖㈠^入型鋼柱內(nèi)[3]。

圖5 型鋼混凝土柱變截面示意

3 擋土墻及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

建筑室內(nèi)外高差450mm，地下室在塔樓東側(cè)外擴(kuò)兩跨，覆土厚度600mm，純地下室板頂標(biāo)高-1.050m，板頂活荷載10kN/m2。塔樓西側(cè)為地下室入口坡道。本工程防水板頂標(biāo)高-4.700m，防水板厚度h=450mm，地下室建筑功能為車庫，活荷載取4kN/m2。塔樓下承臺類型為四樁承臺和五樁承臺，承臺厚度1 300mm。純地下室區(qū)域設(shè)置三樁承臺，為改善承臺的受力狀態(tài)，兩樁側(cè)布置在地下室的外部。坡道設(shè)單樁承臺，樁作抗拔樁使用。基礎(chǔ)平面布置圖如圖6 所示。

圖6 基礎(chǔ)平面布置圖

一般位置擋土墻簡化為單向板，墻底和墻頂分別按固定支座和鉸接支座處理。擋土墻計(jì)算時(shí)，采用靜止土壓力，水位取室外地面下0.5m，即-0.95m。裂縫允許值按照0.2mm 控制，地下室外墻迎水面混凝土保護(hù)層厚度取50mm，裂縫計(jì)算保護(hù)層厚度取30mm，附加構(gòu)造鋼筋網(wǎng)片。

本工程所有樁均按抗壓樁兼抗拔樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，樁端持力層為⑦1 粉砂層，單樁豎向抗壓承載力設(shè)計(jì)值為1 600kN，單樁豎向抗拔承載力設(shè)計(jì)值450kN。由于樁拔力較大，樁選用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁。選自圖集T/SCDA020—2019《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁》。樁型號選用YRS-450-B-13+13+13-F。頂節(jié)樁范圍內(nèi)存在③夾粉砂夾粉質(zhì)黏土，此層土為輕微液化土層，頂節(jié)樁選用先張法預(yù)應(yīng)力混合配筋混凝土實(shí)心方樁（HYRS Ⅱ型），螺旋箍筋直徑由5mm 改為6mm，整節(jié)樁箍筋全長做加密處理。擬建場地潛水和土對混凝土有微腐蝕性，潛水對鋼結(jié)構(gòu)有中腐蝕性，接樁處鋼端板及套箍防腐蝕措施按圖集08J333《建筑防腐蝕構(gòu)造》選取，表面涂刷環(huán)氧瀝青涂層，厚500μm。

防水板和樁承臺計(jì)算分抗壓和抗拔2 種工況。歷史最低水位（常規(guī)水位）偏于保守取室外地面以下2.0m，歷史最高水位（抗浮水位）取室外地面標(biāo)高?？箟汗r計(jì)算時(shí)，上部結(jié)構(gòu)和地下室荷載按照實(shí)際情況取值，基礎(chǔ)計(jì)算水浮力基本組合分項(xiàng)系數(shù)取1.1，此種工況可以確定最大樁反力?？拱喂r主要用于復(fù)核基礎(chǔ)抗浮，計(jì)算模型僅計(jì)入地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件及承臺和防水板自重，不考慮純地下室區(qū)域頂板覆土荷載，水浮力基本組合分項(xiàng)系數(shù)取1.4。承臺和防水板配筋使用有限元分析結(jié)果，取抗壓工況和抗拔工況包絡(luò)值[4]。

4 結(jié)語

本文對上海市某帶地下室多層鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行總結(jié)，對設(shè)計(jì)過程中遇到的問題及解決方法力求做詳細(xì)介紹，為類似的工程提供借鑒。