廣州某百米高層建筑無內(nèi)柱大空間結(jié)構(gòu)設(shè)計探析

盧啟奇 （深圳中灝國際建筑設(shè)計院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 前言

1 工程概況

廣州鴻粵集團汽車集群大樓位于廣州市白云區(qū)永平街東平村。地上塔樓19 層，建筑總高度93.7m（消防高度98.00m）；為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，本工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度7 度，特征周期為0.35s；場地類別：Ⅱ類，地震加速度：0.10g 。本工程塔樓Y 方向高寬比93.7/18.4=5.09，小于高寬比限值6的要求。

圖1 建筑標準層平面圖

2 大空間大跨度結(jié)構(gòu)布置的選型及比較

國家及地方出臺的相關(guān)規(guī)范[1～5]以及全國幾大設(shè)計院編寫的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一技術(shù)措施[6～7]，對本工程結(jié)構(gòu)進行合理選型，確定計算參數(shù)，分析如下。

2.1 鋼-混凝土組合梁樓蓋

此種結(jié)構(gòu)為鋼梁上托鋼筋桁架樓承板，其之間設(shè)置抗剪栓釘?shù)挚箖烧咴诮唤缑嫣幍南鄬?，使之形成一個整體，進而共同作業(yè)。但樓承板至少100mm厚，鋼梁剩余750mm 高。鋼梁樓蓋不容易設(shè)計成正交方向的梁雙向受力，只能設(shè)計成主次梁的傳力體系，因而沿Y軸方向布置較密的19m 跨度主梁，柱列之間的鋼結(jié)構(gòu)主梁在K軸M 軸處與邊梁鉸接，為受力均勻13 軸、15 軸處的鋼結(jié)構(gòu)主梁與柱也做成鉸接，其傳荷載路線由樓承板→次梁→主梁→邊梁或柱。主梁受荷較大、跨度也大且兩端為鉸接，在梁中會產(chǎn)生較大的彎矩，撓度也大，也可能在人行走的作用下，產(chǎn)生較大的豎向加速度，產(chǎn)生震動。尤其是目前廣東某超高層鋼結(jié)構(gòu)大廈已出現(xiàn)不明震動問題，更應(yīng)慎重對待。還有防火問題及現(xiàn)場焊縫問題等難以把控，在近百米的高層建筑內(nèi)，層層采用相對較大的19m 單跨鋼梁是不合適的。

2.2 鋼筋混凝土主次梁樓蓋鋼筋混凝土井字梁樓蓋

由于Y 向梁跨相對較大,若以主次梁方式傳遞內(nèi)力,對于19m 跨度主次梁樓蓋結(jié)構(gòu),要么加大主框架梁高度，要么改用密肋梁。前者雖能解決受力問題,但因結(jié)構(gòu)梁高偏大,對建筑功能所要求的大空間影響較大,而后者雖可減輕主框架梁荷載，但大跨度次梁梁高也不小，與主框架梁梁高一樣高。因此，從建筑空間的使用及舒適度分析,以上的方法都稍顯笨拙。另外,按主次梁樓蓋布置，其傳荷是由板→次梁→框梁→柱。最終所有荷載都集中到主框架梁傳給柱,致使主框架梁產(chǎn)生過大的彎矩,而為滿足正截面受彎承載力及撓度計算不超限，不得不采用較大的梁高。因而19m 跨度的主框架梁，采用鋼筋混凝土主次梁樓蓋方案，850mm 梁高是遠遠不夠的[8]，所以此方案不可行。

2.3 鋼筋混凝土井字梁樓蓋

由于有2 個對稱布置的鋼筋混凝土筒體具有較好的抗側(cè)移及抗扭轉(zhuǎn)作用，消除了13 軸和15 軸有2 跨19m 跨的單跨框架的不利影響，結(jié)合建筑內(nèi)部柱網(wǎng)尺寸較規(guī)整的特點,最終選擇了鋼筋混凝土井字梁樓蓋[9]，如圖2 所示。井字梁樓蓋好比一塊大跨度的雙向板,將板底一些對承載力無用的混凝土去掉，同時也減輕了結(jié)構(gòu)重量，而且是雙向受力，比一般的主次梁樓蓋性能更為優(yōu)越。這種樓蓋的2個正交方向的梁不分主次,互相交叉形成井狀網(wǎng)格，其互相協(xié)同工作,共同承受板上傳來的荷載,改善了大跨雙向樓蓋受力情況，能實現(xiàn)的跨度遠比雙向板大得多。為了保證雙向井字梁樓蓋的雙向受力特征，其長短跨度比一般控制在1.5 以內(nèi)，而大于1.5 長短跨度比的井字梁布置，其受力特性隨長短跨比值增大，而逐步傾向于單向受力，井字梁的性能亦趨下降。井字梁的梁距網(wǎng)格不應(yīng)太大,本工程控制在2.7m 以內(nèi)，樓板截面厚度控制在100mm[8]，盡量減輕樓面恒荷載。本項目井字梁的兩端在X 向基本上是連續(xù)貫通的，增加了雙向井字梁樓蓋的整體剛度，減小了跨中撓度及裂縫寬度，也提高了樓蓋結(jié)構(gòu)豎向震動舒適度。

圖2 標準層結(jié)構(gòu)井字梁布置圖

本工程標準層結(jié)構(gòu)井字梁布置如圖2 所示，除K 軸及M 軸處邊框梁梁高為900mm 外，其余的內(nèi)部梁梁高均為850mm。由于在13 軸和15 軸處有2 根框架井字梁兩端被框架柱約束，抗彎剛度比非框架井字梁大很多，吸收的樓層豎向荷載傳來的內(nèi)力（包括彎矩和剪力）也大很多，需要的梁寬也就比非框架井字梁大很多，取梁寬為600mm，1/L軸處框架井字梁梁寬也取600mm，其余內(nèi)部非框架井字梁梁寬均為250mm，K 軸及M 軸處邊框梁因抗扭需要，梁寬為500mm。10軸和18軸兩處框架梁雖然是大跨度井字樓蓋的邊支座梁，但井字梁貫穿此支座，此2 根框架梁為井字梁的中間支座，沒有過大的扭矩，主要是承擔次梁傳來的彎矩和剪力很大，梁寬為600mm。

3 結(jié)構(gòu)計算和設(shè)計控制

本工程采用YJK-A 進行結(jié)構(gòu)計算分析與設(shè)計。按《廣東省高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 15-92-2021）設(shè)計[4]，按《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015）計算地震作用[10]；標準層辦公樓面活荷載加活動隔墻活荷載共3.5kN/m；考慮樓面附加恒荷載（不包結(jié)構(gòu)自重）2kN/m2；混凝土強度等級豎向構(gòu)件采用C55～C30,梁板采用C30，鋼筋強度等級均采用Ⅲ級螺紋鋼（HRB400），其他計算參數(shù)如表1所示。

計算參數(shù) 表1

計算中,框架井字梁端與柱及墻連接按固接計算考慮。X 向非框架井字梁端基本上是連續(xù)貫通的，也按固接計算考慮。為減小Y 向非框架井字梁梁端在M 軸及K 軸處對邊框梁的扭轉(zhuǎn)作用，盡量按鉸接處理。但此處梁端無法做到理想的鉸接，同時也是為了減小非框架井字梁跨中的撓度，此處梁端按半鉸接計算考慮,轉(zhuǎn)動釋放比例取90%，接近于鉸接，盡量放松了非框架井字梁梁端彎矩，減小了對邊框架梁的扭轉(zhuǎn)作用，計算結(jié)果如表2所示。

計算指標匯總 表2

以上指標除地下室頂板質(zhì)量比1.52略大于1.5，X向最小剪重比3.65%，略小于3.70%外，均滿足規(guī)范要求。所有樓層扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.2，結(jié)構(gòu)為扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯，全樓沒有小偏拉豎向構(gòu)件，13層以下沒有大偏拉豎向構(gòu)件，本工程無剛度突變現(xiàn)象，滿足規(guī)范要求。

Y 方向風荷載作用下的樓層最大頂點位移84.23mm，與塔樓地上總高度93.7m 之比84.23/93700=1/1112，滿足按彈性方法計算的風荷載作用下結(jié)構(gòu)的頂點位移與結(jié)構(gòu)總高度之比Utop/H 不宜大于1/600的要求。

經(jīng)過對計算結(jié)果的分析,數(shù)據(jù)顯示大部分梁配筋率在0.6%～1.6%,與經(jīng)濟配筋率接近。邊框柱除頂層外，絕大部分都是構(gòu)造配筋，表明大跨度鋼筋混凝土雙向井字梁樓蓋結(jié)構(gòu)對框架柱的受力沒有造成惡劣的影響。

本工程按抗震性能目標等級C 級，第3 性能水準的結(jié)構(gòu)進行了彈塑性計算分析，能夠滿足《廣東高規(guī)》性能水準3對結(jié)構(gòu)整體、構(gòu)件的承載力及變形要求?？沟顾治霰砻?，在假定的失效模式下，結(jié)構(gòu)能夠滿足抗連續(xù)倒塌設(shè)計要求[3]。

4 混凝土極限撓度和裂縫寬度計算

計算井字梁撓度和裂縫寬度之前，先按裂縫寬度≤0.3mm 和鋼筋直徑≤25mm 生存配筋，并沿梁全長頂面配筋不少于梁頂面、底面兩端縱向配筋中較大截面面積的1/4[4]；梁底配筋全部伸入支座錨固；樓板雙層雙向通長配筋，每層每個方向采用配筋8@150，配筋率≥0.3%。

4.1 樓面梁的撓度計算

通常來說，梁跨中撓度最大，也是最大裂縫寬度出現(xiàn)的位置。

現(xiàn)以計算撓度最大的第14 層第13軸與15 軸之間Y 向非框架井字梁為例。梁寬250mm，梁高850mm，梁中至梁中跨度L 為18.6m，梁凈跨LN為18.1m，梁 的 計 算 跨 度Lo 取min(L，1.05LN)即18.6m。本工程是近百米高度的高層建筑，而且從±0.00 開始到頂層每層都是大空間較大跨度梁（中間2 跨是單跨），所以撓度從嚴控制，按計算跨度Lo 的1/400 計算[3]，撓度允許值為18600/400=46.5mm。

計算出13 軸與15 軸之間Y 向非框架 井 字 梁 撓 度 值 為29.3+9.0+3.4=41.7mm＜46.5mm，滿足規(guī)范要求。

4.2 樓面梁的裂縫寬度計算

本工程大空間井字梁都在室內(nèi)環(huán)境，環(huán)境類別為一類，最大裂縫寬度的限值為0.3mm[3]。同樣計算第14 層裂縫寬度,最大裂縫寬度出現(xiàn)在井字梁的跨中部位，最大裂縫寬度為0.29mm＜0.3mm，滿足要求。

5 樓蓋結(jié)構(gòu)豎向震動舒適度的計算

按《廣東省高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 15-92-2021）第3.7.7條樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動舒適度的計算，應(yīng)符合下列規(guī)定：

①鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)豎向頻率不宜小于3Hz；

②對于豎向自振頻率不小于4Hz的樓蓋豎向振動加速度限值，人員活動的住宅、辦公環(huán)境，峰值加速度限值為0.05（m/s2）[4]。

本文采用行走路線法，與時程激勵相關(guān)的一些參數(shù)取值[11]如下：①阻尼比0.02；②人的體重為0.7kN；③步距取為0.75 m；④單步落足激勵的步頻取人行步頻的平均值2 Hz。

現(xiàn)抽取撓度最大的第14 層計算結(jié)果，第14 層鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)豎向頻率為6.59683Hz＞3Hz，忽略瞬態(tài)響應(yīng)，豎向振動加速度最大值為0.027（m/s2）＜0.05（m/s2），均滿足要求。

由以上計算可知，本工程大空間井字梁主要由裂縫寬度及撓度控制，均滿足規(guī)范要求，本工程井字梁設(shè)計上是可行的，但都接近規(guī)范限值。

為解決較大跨度井字梁結(jié)構(gòu)中，梁跨中彎矩大、撓度大、裂縫大以及跨中梁頂負鋼筋過少、梁頂裂縫大等問題，可采取以下措施：①增加大跨度梁底鋼筋及選用直徑不大于25mm 的鋼筋；②配置一定量的梁頂貫通鋼筋；③樓板配鋼筋雙層雙向8@150；④施工時起拱。

6 結(jié)束語

由于在高層建筑內(nèi)部層層不設(shè)內(nèi)框架柱，并且梁高還受到限制的大跨度鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)，在全國還屬于首例，樓蓋實際豎向振動加速度還有待觀測。建議對廣州鴻粵集團汽車集群大樓無內(nèi)柱大空間井字梁樓蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及豎向振動加速度進行監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析總結(jié)，以便能更好地服務(wù)于實際工程。