鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)化

鄒曉帆

（北京首創(chuàng)華業(yè)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著我國已建成的建筑越來越多，人們對(duì)日新月異的生活文化需要的增加，建筑的功能和質(zhì)量成為人們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)，同時(shí)，我國也是一個(gè)人均資源占有量相對(duì)緊缺，能耗總量相對(duì)較大的國家。發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展成為國家的發(fā)展目標(biāo)，目前最適宜的結(jié)構(gòu)首推鋼結(jié)構(gòu)。

鋼材于其他建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比，強(qiáng)度要高得多，彈性模量也高，因此結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量輕且截面小，特別適用于跨度大，荷載大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)自重輕，可以減小地震作用，進(jìn)而減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力，還可以使基礎(chǔ)的造價(jià)降低。由于鋼材的強(qiáng)度高，構(gòu)件截面小，所占空間也就小。以相同受力條件的簡(jiǎn)支梁為例，混凝土梁的高度通常是跨度的1/10~1/8，而鋼梁約是1/16~1/12，有效的增加了房屋的層間凈高。由于鋼材內(nèi)部原子排列均勻接近各向同性，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能比較符合目前采用的理論計(jì)算模型，因此可靠性高。同時(shí)，因鋼材塑性、韌性好，耗能能力強(qiáng)，一般不會(huì)因超載而發(fā)生突然斷裂，適于承受動(dòng)力荷載和沖擊荷載，抗震性能非常優(yōu)越[1]。

1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況介紹

某配套中小學(xué)位于北京市，總建筑面積為23296m2，其中地上建筑面積16776m2，地下建筑面積6520m2。由三個(gè)相連的單體建筑組成，之間由抗震縫分開，地下一層，地上五層，三個(gè)建筑圍護(hù)的位置有下沉庭院。

北樓首層為地下一層的風(fēng)雨操場(chǎng)的上空范圍，開洞尺寸為36.65m×20.00m，形成樓板開洞的情況，屬于結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，而且為了滿足風(fēng)雨操場(chǎng)使用功能要求，保證籃球場(chǎng)內(nèi)沒有柱子，在風(fēng)雨操場(chǎng)頂?shù)奈恢迷O(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換鋼桁架將從3.980m標(biāo)高開始的鋼框柱進(jìn)行了轉(zhuǎn)換框支，框支的范圍為2~4軸的位置，共有6根鋼框柱，框支轉(zhuǎn)換桁架梁的軸線跨度為19.500m，屬于大跨度框支轉(zhuǎn)換。

東樓地下一層為報(bào)告廳、維修用房、給水泵房、消防水泵房等功能房間，由于報(bào)告廳為大空間房間，需要將柱子位置移動(dòng)避免遮擋后排視線，柱距變?yōu)?3.8m，地上同位置柱距為10.5m，形成框支轉(zhuǎn)換。

整個(gè)項(xiàng)目北樓、東樓、南樓圍成的室外區(qū)域設(shè)置了-6.100m深的下沉庭院，使得三個(gè)單體建筑在-1層的職位缺少部分側(cè)限，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利影響。根據(jù)北京市建設(shè)工程施工圖設(shè)計(jì)文件審查專家委員會(huì)房屋建筑組的《北京市建設(shè)工程施工圖設(shè)計(jì)文件審查專家委員結(jié)構(gòu)專業(yè)相關(guān)問題研討會(huì)紀(jì)要2015（京施審專家委房建〔2015〕結(jié)字第1號(hào)）》6.1條的要求，緊鄰下沉式庭院的地下一層外墻，當(dāng)起總長度大于建筑面積總周長的1/4或某側(cè)的長度大于相應(yīng)單邊邊長的1/2時(shí)，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)分別按嵌固在地下一層頂板和地下二層頂板兩種計(jì)算模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)；底部加強(qiáng)部位應(yīng)延伸至地下一層。結(jié)構(gòu)計(jì)算的設(shè)計(jì)高度需要從基礎(chǔ)頂算起，即7.3+21=28.3m，已經(jīng)需要執(zhí)行高鋼規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]。

根據(jù)以上各條原因，將三個(gè)單體建筑設(shè)置抗震縫分開，單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，保證這個(gè)項(xiàng)目不出現(xiàn)三項(xiàng)不規(guī)則的情況，避免成為超限建筑。

2 各單體建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹

2.1 北樓設(shè)計(jì)情況

北樓地下一層建筑層高為5.7m，由于地下一層室外為下沉庭院，結(jié)構(gòu)埋深需要從下沉庭院室外標(biāo)高開始向下計(jì)算結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深，深度需大于房屋高度的1/15，結(jié)合地勘報(bào)告確定基礎(chǔ)埋深為-7.700m，筏板厚度400mm，地基進(jìn)行CFG地基處理。由于產(chǎn)生框支，只有周圈的框架柱將重力傳遞至基礎(chǔ)筏板，所以在筏板上設(shè)置了1.8m高的地基梁平衡變形。地上的鋼框架柱在地下一層為型鋼混凝土柱，在地下一層的層高范圍可以形成外包柱腳。北樓北側(cè)和西側(cè)地下一層直徑緊鄰覆土，但是首層為風(fēng)雨操場(chǎng)的開洞范圍，如果將外圈框架柱之間用混凝土墻連接在一起的話，會(huì)造成土壓力直接傳遞到框架柱上，正負(fù)零位置沒有樓板，且內(nèi)側(cè)有下沉庭院，缺少另外一側(cè)的土壓力來平衡，只能靠結(jié)構(gòu)自身截面和配筋程度土壓力，再加上地下一層7.3m的結(jié)構(gòu)高度，首層4.2m的層高，在土壓力和地震荷載共同作用時(shí)，地下一層的框支柱的外側(cè)柱底彎矩太大，結(jié)構(gòu)方案嚴(yán)重不合理。為了解決這個(gè)結(jié)構(gòu)難題采取了外擋土墻和型鋼混凝土柱分開，之間留設(shè)變形縫的做法，在北側(cè)型鋼混凝土柱外側(cè)單獨(dú)設(shè)計(jì)了一道擋土墻，墻頂標(biāo)高至-1.600m，上側(cè)設(shè)置蓋板。此結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)化的整個(gè)建筑的受力傳遞路徑，將土壓力完全由擋土墻自己承擔(dān)再傳遞給基礎(chǔ)。北樓結(jié)構(gòu)受力完全靠主體結(jié)構(gòu)自身承擔(dān)，結(jié)構(gòu)體系明確，減輕了型鋼混凝土的所受荷載[3]。

通過和外審老師的溝通，并結(jié)合《北京市建設(shè)工程施工圖設(shè)計(jì)文件審查專家委員結(jié)構(gòu)專業(yè)相關(guān)問題研討會(huì)紀(jì)要2015（京施審專家委房建〔2015〕結(jié)字第1號(hào)）》4.1條的要求，乙類建筑采用單跨框架的建筑超過3層時(shí)應(yīng)進(jìn)行大震彈塑性變形驗(yàn)算。北樓選取了性能目標(biāo)C的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，并保證框支柱、框支桁架的大震彈性承載力。模型建立時(shí)將首層和二層作為一個(gè)層單位，層高9900mm，上面幾層為標(biāo)準(zhǔn)層，層高4200mm，出屋面樓梯間層高3500mm。設(shè)計(jì)地震分組為二組，地震烈度為Ⅷ度（0.2g），場(chǎng)地類別為Ⅲ類場(chǎng)，特征周期為0.55s。阻尼比按材料區(qū)分，混凝土是0.050，鋼結(jié)構(gòu)是0.040，型鋼混凝土是0.050；特征周期在罕遇地震時(shí)為0.60s。阻尼比按材料區(qū)分，混凝土是0.070，鋼結(jié)構(gòu)是0.040，型鋼混凝土是0.050。為了抵抗框支型鋼混凝土柱靠近建筑型心，周邊剛度弱，在東西兩側(cè)框架間設(shè)置屈曲約束支撐來增加周邊鋼筋，保證第一振型為平動(dòng)。

罕遇地震作用彈塑性層間位移值如下，其中X方向地震作用下的樓層最大位移如表1所示，Y方向地震作用下的樓層最大位移如表2所示。

表1 X方向地震作用下的樓層最大位移

表2 Y方向地震作用下的樓層最大位移

在彈塑性層間位移的計(jì)算結(jié)果中，首層轉(zhuǎn)換部位滿足彈性變形2倍，高于性能4的要求，X向3層位置的位移為1/47，超過規(guī)范要求的1/50的限制，但是3層位置已經(jīng)是結(jié)構(gòu)薄弱位置以外的范圍，嚴(yán)格保證首層的大跨度單跨框支轉(zhuǎn)換的位置的彈塑性層間位移滿足規(guī)范要求，其他位置承載力能夠達(dá)到大震不屈服的要求，彈塑性層間位移可適當(dāng)放寬，滿足高彈性低承載力的設(shè)計(jì)理念[4]。

罕遇地震設(shè)計(jì)下，屈曲約束支撐按照《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297—2013)的要求，需要采用承載型，承載型屈曲約束支撐是指利用屈曲約束的原理來提高支撐的設(shè)計(jì)承載力，保證支撐在屈曲前不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

抗震性能目標(biāo)選取性能C時(shí)，對(duì)應(yīng)設(shè)防烈度性能水準(zhǔn)3，罕遇地震設(shè)計(jì)時(shí)性能水準(zhǔn)4。特別要求框支柱和框支桁架梁達(dá)到大震彈性承載力。指定方式依據(jù)表3中的原則。

表3 抗震性能目標(biāo)

2.2 東樓設(shè)計(jì)情況

東樓地下一層為報(bào)告廳、維修用房、給水泵房、消防水泵房等功能房間，由于報(bào)告廳為大空間房間，西側(cè)室外為下沉庭院，東側(cè)室外為覆土；東樓北段為衛(wèi)生間、樓電梯間和變配電室的夾層；東樓南端為樓電梯間和學(xué)生餐廳。整個(gè)東樓的地下一層有-7.2m、-6.1m和-5.7m多種地面標(biāo)高，建筑功能較多，設(shè)計(jì)難度較大。

東樓首層為學(xué)校主入口，東側(cè)為學(xué)校入口大門，西側(cè)為教學(xué)樓的室外平臺(tái)可俯瞰下沉庭院。東樓南北方向總長度為91.3m，東西向總長度為21.7m。

2~3層的東側(cè)為各類教室，西側(cè)為通高中庭，四層的東側(cè)為舞蹈教室和音樂教室，西側(cè)為通高中庭。由于存在3層的通高中庭存在，造成最西側(cè)的鋼框架柱越三層，計(jì)算長度很大。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，為保證中庭的通高效果，在層間中庭的位置框架梁沒有連接到西側(cè)的鋼框架柱上面，只有存在樓板相連的位置將鋼框架梁貫通連接，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來很大難度。

為了滿足抗側(cè)剛度的需要，在6、9、C、D、J、K軸設(shè)置耗能型屈曲約束支撐來滿足層間位移角的要求，有效減小了梁、柱的截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)用量。將中庭開大洞對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響完成承擔(dān)了過去。主要抗側(cè)力剛度傳遞到設(shè)置的屈曲約束支撐的每一榀鋼框架中去。模型計(jì)算中同樣進(jìn)行了包絡(luò)設(shè)計(jì)，采用了有地下室的模型，和沒有地下室的模型分別計(jì)算，兩種模型下均滿足結(jié)構(gòu)指標(biāo)要求[5]。

2.3 南樓設(shè)計(jì)情況

南樓地下一層為學(xué)校廚房和文化藝術(shù)室，北側(cè)室外為下沉庭院，南側(cè)室外為覆土，西側(cè)與地下車庫相連，中間設(shè)置沉降縫將結(jié)構(gòu)分開，東側(cè)與東樓南端相連，中間設(shè)置抗震縫。

南樓地上首層至四層均為普通教室及教室辦公室，結(jié)構(gòu)平面規(guī)則。地下室外墻和地下室框架柱連接在一起，地下一層頂有結(jié)構(gòu)樓板，能夠4跨的連續(xù)框架，加上剛性樓板的作用，可以有效傳遞水平力至每一根柱子，均勻分擔(dān)了土壓力的作用。

3 業(yè)主方設(shè)計(jì)階段工作

作為業(yè)主方，在此項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段工作尤為重要，由于項(xiàng)目較復(fù)雜，為了滿足建筑的一些特殊功能和效果要求，結(jié)構(gòu)需要增加很多成本，需認(rèn)可此方案帶來的結(jié)構(gòu)影響、造價(jià)影響和施工影響。在方案落地前，業(yè)主需組織設(shè)計(jì)院咨詢外審專家，對(duì)大跨度框支轉(zhuǎn)換的安全性進(jìn)行評(píng)估，確保不出現(xiàn)超限論證的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

現(xiàn)代建筑已經(jīng)不只是滿足人民的功能需求的單一要求，還有滿足審美需要和多重使用用途相結(jié)合的特點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)的快遞發(fā)展和應(yīng)用給建筑帶來的更多的可能性。讓更高更新穎的建筑能夠得以落地，不僅期待房子建筑的速度快，而且要求房子環(huán)保綠色，還要有自己的個(gè)性。

在設(shè)計(jì)階段通過有效、準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)概念分析，確定準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)方案，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)體系，明確傳力路徑，能夠用簡(jiǎn)單的方法解決復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問題，增加結(jié)構(gòu)的安全性是設(shè)計(jì)前期最重要的工作。業(yè)主方在設(shè)計(jì)階段緊密參與，規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，準(zhǔn)確決策能夠有效的推薦設(shè)計(jì)進(jìn)度，節(jié)省大量重復(fù)勞動(dòng)，為設(shè)計(jì)質(zhì)量帶來最有力的保障。