某中學(xué)綜合樓—風(fēng)雨操場上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉 順 宋 勇 錢解煌 胡 亮

(深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000)

0 引言

學(xué)校風(fēng)雨操場及報告廳等公共建筑中由于建筑使用功能的要求，經(jīng)常出現(xiàn)躍層柱、大跨度、豎向構(gòu)件不連續(xù)等不規(guī)則項，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員如何在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下實現(xiàn)建筑的使用功能需求，需要對此類結(jié)構(gòu)進行合理的選型和仔細(xì)的分析，文章針對某存在較多不規(guī)則項的多層綜合樓—風(fēng)雨操場上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，介紹了針對各類不規(guī)則項所采取的設(shè)計方法和加強措施。

1 工程概況

本工程地上5層，地下1層，其中地下1層層高為3.7 m，首層層高6.0 m，2層～5層均為3.9 m，結(jié)構(gòu)主體地上高度21.6 m，采用的結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻。

本工程所在地合肥市抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類。按照《合肥市防震減災(zāi)條例》第十九條、《安徽省防震減災(zāi)條例》第十四條規(guī)定，中小學(xué)建筑應(yīng)在本地抗震設(shè)防要求的基礎(chǔ)上提高一檔進行抗震設(shè)防，即按7度0.15g，根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，中小學(xué)為重點設(shè)防類，故地震作用的計算分析按7度0.15g執(zhí)行，抗震措施按8度，綜上，結(jié)構(gòu)基本設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。

2 單體不規(guī)則項分析

本工程建筑功能分為-1層風(fēng)雨操場和地上綜合教學(xué)辦公樓，綜合樓地上設(shè)縫，設(shè)縫后分為東西兩個單體，結(jié)構(gòu)縫的位置見圖1，文章主要針對設(shè)縫后東側(cè)單體(圖1中斜線區(qū)域)分析。

表1 基本設(shè)計數(shù)據(jù)

2.1 樓板局部不連續(xù)

此單體風(fēng)雨操場位于地下1層，由于籃球場凈高要求，首層樓板開洞，且風(fēng)雨操場東側(cè)為下沉庭院，風(fēng)雨操場東側(cè)局部框架柱為躍層柱。

2.2 豎向構(gòu)件不連續(xù)

由于籃球場布置原因，綜合樓局部兩跨4根框架柱不能落至-1層，在2層樓面形成跨度20.7 m轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，考慮籃球場凈高要求，若采用混凝土轉(zhuǎn)換梁對凈高影響較大，最終設(shè)置高度與3層層高相同的轉(zhuǎn)換桁架，完成對上部3層結(jié)構(gòu)(3跨×6.9 m)的局部轉(zhuǎn)換。

2.3 豎向收進

由于風(fēng)雨操場區(qū)域僅地上1層，存在局部收進的水平向尺寸大于相鄰下1層的25%，故存在豎向收進。

綜上，該單體(如圖2所示)主要存在樓板局部不連續(xù)、豎向構(gòu)件不連續(xù)、豎向收進三項不規(guī)則項，且由于-1層籃球場布置原因，籃球場屋面形成24.5 m的大跨度混凝土梁，此單體為存在多項不規(guī)則的多層建筑。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 樓板大開洞及大跨度混凝土梁

針對首層樓板大開洞樓板，將該樓層定義為彈性模計算，并對樓板予以加強，首層樓板結(jié)合地下室頂板設(shè)計，板厚取為180 mm，配筋均雙層雙向拉通設(shè)置，洞口周邊邊梁截面均適當(dāng)加大，配筋加強。針對籃球場屋頂24.5 m大跨度混凝土梁，采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，以減小其變形，并且采用結(jié)構(gòu)找坡，減少屋面面層荷載，且考慮豎向地震作用，對支撐大跨度結(jié)構(gòu)的框架抗震等級提高為一級，并對邊框柱進行適當(dāng)加強。

3.2 躍層柱

考慮躍層柱計算長度較大，應(yīng)適當(dāng)提高其在地震下的變形能力，本工程躍層柱均采用型鋼混凝土柱，且為了保證躍層柱不會在材料破壞之前就發(fā)生屈曲破壞，通過YJK軟件屈曲分析模塊對躍層柱進行屈曲分析計算，從而得到相應(yīng)躍層柱的臨界荷載系數(shù)，并計算出躍層柱達到屈曲時的荷載特征值，具體特征值見表2。通過屈曲分析結(jié)果可知：該穿層柱的極限承載力值664 699 kN遠(yuǎn)大于該柱的最大組合內(nèi)力3 505 kN，表明該柱不會發(fā)生屈曲破壞。

表2 躍層柱屈曲分析數(shù)據(jù)

此外，人工對穿層柱進行手工復(fù)核，采用正常柱的剪力、躍層柱的計算高度，對躍層柱進行補充計算，防止躍層柱的破壞發(fā)生在普通混凝土柱之前，躍層柱配筋設(shè)計時按程序及手算結(jié)果的大者設(shè)置。

3.3 轉(zhuǎn)換桁架

3層設(shè)置的整層高的轉(zhuǎn)換桁架考慮桁架上弦受壓、下弦受拉的受力特點，并且考慮施工時下弦距離風(fēng)雨操場9.7 m，存在高支模，故本工程轉(zhuǎn)換桁架上弦采用型鋼混凝土梁，混凝土梁截面尺寸為600×1 100，其內(nèi)部鋼骨尺寸為H700×400×24×32；下弦桿及腹桿均采用H型鋼，其中下弦桿截面尺寸為H900×400×34×38，直腹桿FG-1截面尺寸為H450×300×30×36，斜腹桿截面尺寸為H300×350×30×38，鋼號均為Q345B。

轉(zhuǎn)換桁架在設(shè)置時，要在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡可能地滿足建筑的使用要求。由于3層建筑功能為教室，部分斜腹桿對建筑門窗洞口尺寸有一定影響，經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析并與建筑協(xié)商后，選擇如圖3所示的腹桿布置方案。在滿足建筑門窗洞口設(shè)置要求的同時，結(jié)構(gòu)未因轉(zhuǎn)換桁架的設(shè)置出現(xiàn)其他不規(guī)則項，轉(zhuǎn)換桁架上下層剛度比和層間受剪承載力的比值均滿足規(guī)范的要求。另外，雖然本工程為多層結(jié)構(gòu)，但考慮本工程轉(zhuǎn)換的重要性，本工程轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計時結(jié)構(gòu)計算和抗震措施均按滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第10.2節(jié)“帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)”的相關(guān)要求，包括抗震等級的選取、支撐轉(zhuǎn)換桁架的框支柱的構(gòu)造措施、剪力墻底部加強部位的選擇等要求。

3.4 時程分析及性能化設(shè)計

除了上述針對各種不規(guī)則情況的常規(guī)計算外，考慮本工程不規(guī)則項較多，屬于較復(fù)雜的多層建筑，為確保結(jié)構(gòu)有足夠的安全度補充了時程分析，并且針對結(jié)構(gòu)的不規(guī)則項補充性能化設(shè)計。

1)時程分析：本工程取三組加速度時程曲線進行多遇地震下的時程分析補充計算，并將地震波產(chǎn)生基底剪力與CQC法基底剪力進行比較，其結(jié)果見表3，表4，結(jié)合時程分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)設(shè)計時對多遇地震下的地震剪力取全樓統(tǒng)一的地震剪力放大系數(shù)1.15進行計算。

表3 主方向0.0°時多條波包絡(luò)值與CQC法計算結(jié)果比較

表4 主方向90.0°時多條波包絡(luò)值與CQC法計算結(jié)果比較

2)性能化設(shè)計：針對本工程的不規(guī)則情況，首先需要確定結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)，結(jié)合本工程抗震設(shè)防類別、結(jié)構(gòu)的重要性、設(shè)防烈度及場地條件等，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.11.1節(jié)確定采用性能目標(biāo)。并根據(jù)確定的性能目標(biāo)，確定如表5所示的主要關(guān)鍵構(gòu)件性能化設(shè)計參數(shù)及指標(biāo)。

表5 主要關(guān)鍵構(gòu)件性能化設(shè)計參數(shù)及指標(biāo)

此外，考慮到單體采用的鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)共同工作，在地震計算時結(jié)構(gòu)的阻尼比的選取也需要綜合考慮，根據(jù)《抗規(guī)》附錄G中G.1.4條相關(guān)要求，結(jié)構(gòu)的阻尼比不應(yīng)大于0.045，因此，設(shè)計時除按照材料區(qū)分阻尼比進行計算外，還采用了綜合阻尼比0.045復(fù)核結(jié)構(gòu)設(shè)計，其計算結(jié)構(gòu)均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

4 節(jié)點構(gòu)造

由于本工程采用了大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁、型鋼混凝土梁柱、鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桁架等較復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，需要處理好大跨預(yù)應(yīng)力梁與型鋼柱(如圖4所示)、型鋼混凝土梁柱(如圖5所示)以及鋼桁架節(jié)點(如圖6所示)等復(fù)雜節(jié)點的連接。

實際施工過程中，此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的混凝土或者鋼結(jié)構(gòu)施工難度更大，對預(yù)應(yīng)力混凝土梁、轉(zhuǎn)換桁架均要求具有相應(yīng)資質(zhì)的施工單位進一步深化設(shè)計，相關(guān)的施工方案也要求進一步論證后方可實施。

5 結(jié)語

本工程結(jié)合某中學(xué)綜合樓—風(fēng)雨操場項目上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，介紹了針對復(fù)雜多層學(xué)校建筑所存在的各項不規(guī)則情況以及針對相應(yīng)不規(guī)則項采取的設(shè)計加強措施，重點針對學(xué)校類建筑中風(fēng)雨操場較容易出現(xiàn)的樓板大開洞、大跨度混凝土梁、躍層柱等進行結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)造加強；此外，針對轉(zhuǎn)換桁架在本工程中的應(yīng)用作了詳細(xì)的介紹，并且對類似出現(xiàn)多項不規(guī)則項的建筑應(yīng)進行的時程分析和結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計做了簡要的介紹。通過本工程的分析設(shè)計，建議對類似項目除進行常規(guī)的設(shè)計加強外，還應(yīng)根據(jù)規(guī)范確定適用于本工程的抗震性能目標(biāo)，進行了合理的結(jié)構(gòu)布置方案優(yōu)化和調(diào)整，根據(jù)計算對關(guān)鍵部位采取更為有效的加強措施，滿足規(guī)范相關(guān)抗震要求，達到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)，最后通過對關(guān)鍵節(jié)點構(gòu)造的介紹，明確設(shè)計階段應(yīng)進行的節(jié)點加強措施，對類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計有一定的參考和指導(dǎo)意義。