大跨不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

郭偉華/GUO Weihua

（浙江創(chuàng)新建筑設(shè)計(jì)有限公司，浙江 嘉興 314000）

學(xué)校類建筑中，報(bào)告廳是校區(qū)內(nèi)學(xué)術(shù)交流及大型活動(dòng)的主要活動(dòng)場所，具有不可替代的功能作用，隨著人們對(duì)教育重視程度加大，要求報(bào)告廳具備的功能越趨于多樣化，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求。本項(xiàng)目為報(bào)告廳類建筑中極具代表性的建筑案例。因此，對(duì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行梳理探討有著重要的意義。

1 工程概況

本工程為浙江省嘉興市南湖區(qū)某中學(xué)報(bào)告廳項(xiàng)目，總層數(shù)為地上3 層，設(shè)1 層地下室，建筑高度為12.9m，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)地震分組為一組，基本風(fēng)壓為0.45kN／m2。由于建筑使用功能要求左側(cè)區(qū)域抽柱形成大空間報(bào)告廳，右側(cè)輔助用房保留3 層混凝土結(jié)構(gòu)，形成左側(cè)2層，右側(cè)3 層錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中存在錯(cuò)層、局部穿層柱、樓板大開洞不規(guī)則項(xiàng)。典型建筑平面如圖1 所示，屋面層結(jié)構(gòu)布置如圖2 所示。

圖1 典型建筑平面布置圖

圖2 屋面層結(jié)構(gòu)布置圖

2 屋蓋結(jié)構(gòu)布置方案選型

2.1 屋蓋可行性方案介紹

屋面呈不規(guī)則弧形布置，最大跨度為24m 左右，建筑使用功能要求屋面采用重型混凝土屋面，結(jié)構(gòu)擬采2 種方案對(duì)比，其中方案一采用型鋼混凝土梁柱，混凝土柱尺寸700mm×700mm，內(nèi)置工字鋼300×300×25×25mm（Q355B)，型鋼混凝土梁之間采用混凝土梁連接。方案二屋面采用平面鋼桁架，弦桿采用H500×250×16×20×20mm，跨中腹桿采用H300×200×10×14×14mm，支座腹桿采用H400×200×10×20×20mm，鋼材均為Q355B，屋面層桁架間采用鋼次梁連接，桁架立面如圖3所示，桁架上下弦桿與型鋼混凝土柱采用剛接。

圖3 典型鋼桁架布置圖

2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

結(jié)構(gòu)指標(biāo)計(jì)算過程結(jié)果如表1 所示，位移比、位移角均取2 個(gè)方向中較大值。其中方案一結(jié)構(gòu)主要指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；方案二中位移比超規(guī)范限值1.2，其余指標(biāo)滿足均滿足規(guī)范要求。報(bào)告廳大空間范圍內(nèi)恒荷載增加約410kg／m2。

表1 兩種方案主要計(jì)算指標(biāo)對(duì)比

從計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，屋面采用桁架梁模型對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度削弱較大，第一階周期方案二較方案一增加約27%，結(jié)構(gòu)整體呈扇形布置，剛度減弱后帶來了結(jié)構(gòu)整體的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大；同時(shí)，結(jié)構(gòu)平面存在樓板局部不連續(xù)，開洞面積大于30%，報(bào)告廳存在二層通高，局部存在躍層柱。相比較方案一，方案二結(jié)構(gòu)指標(biāo)超限項(xiàng)為3 項(xiàng)，從經(jīng)濟(jì)性及工程周期綜合考慮，決定采用方案一。

3 上部結(jié)構(gòu)時(shí)程分析

根據(jù)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，結(jié)構(gòu)頂部取消柱形成空曠房間時(shí)，宜進(jìn)行彈性時(shí)程分析作為小震下的補(bǔ)充計(jì)算，本項(xiàng)目擬采用3 組加速度時(shí)程曲線輸入，其中1 條為人工波、2 條為天然波。計(jì)算結(jié)果取時(shí)程分析法的包絡(luò)值和振型分解譜法的較大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。地震波選取原則為，控制每條時(shí)程分析曲線計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于規(guī)范譜計(jì)算結(jié)果的65%，3 條時(shí)程分析的平均值不小于規(guī)范譜結(jié)果的80%，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算結(jié)果中，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，主要方法的最大層間位移角和層間位移曲線如圖5 所示，時(shí)程分析分析的平均值總體小于場地規(guī)范譜計(jì)算結(jié)果，最大值局部樓層略大于規(guī)范反應(yīng)譜結(jié)果。根據(jù)多條波包絡(luò)值與CQC 法計(jì)算結(jié)果比較，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)全樓地震剪力放大系數(shù)取為1.12，對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

圖5 時(shí)程分析與規(guī)范譜指標(biāo)對(duì)比圖

對(duì)于多層不規(guī)則結(jié)構(gòu)，不規(guī)則項(xiàng)的控制應(yīng)引起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的重視，對(duì)于頂部抽柱形成大空間區(qū)域應(yīng)補(bǔ)充時(shí)程分析法驗(yàn)算，必要時(shí)可對(duì)躍層柱等關(guān)鍵構(gòu)件采取性能化設(shè)計(jì)。

4 型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用500×1200 混凝土梁，內(nèi)置H500×250×16×25mm（Q355B)，混凝土強(qiáng)度C30，型鋼梁最大跨度為22.6m，抗震等級(jí)為一級(jí)，采用盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建模，跨中考慮地震組合工況最大設(shè)計(jì)彎矩為4 400kN／m；支座采用梁柱剛接形式，最大剪力設(shè)計(jì)值為1 330kN，梁截面示意如圖6 所示。

圖6 鋼骨混凝土梁截面示意

4.1 正截面受彎承載力計(jì)算

型鋼腹板上端至截面上邊距離與h0的比值由式（1)計(jì)算

式中，h為截面總高度，h0為截面有效高度，hw為腹板高度；計(jì)算得δ1=0.4。

型鋼腹板下端至截面上邊距離與h0的比值由下式（2)計(jì)算

式中，f′y、A′S分別為受壓區(qū)的鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和面積；fy、As分別為受拉區(qū)的鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和面積；fa、Aaf分別為型鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和面積；Naw為型鋼腹板承受的軸向合力；tw為腹板厚度；b為截面寬度；其余參數(shù)同文獻(xiàn)[4]。將式Naw=[2.5x／h0-（δ1+δ2)]twh0fa帶入式（3)，計(jì)算得δ2=0.86。

可得受壓區(qū)高度x=365mm。

彎矩設(shè)計(jì)值由式（5)得

計(jì)算得Mu=3557kNm>3150kNm。

4.2 斜截面受剪承載力計(jì)算

受剪截面驗(yàn)由式（6）、式（7)驗(yàn)算可得

式中，βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)。

型鋼混凝土梁斜截面受剪承載力按式（8)計(jì)算

計(jì)算得Vu=3179kN>1130.5kN。

型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)式（4)手動(dòng)復(fù)核正截面承載力計(jì)算公式使用的前提條件，如不成立則應(yīng)優(yōu)先調(diào)整鋼骨高度。設(shè)計(jì)師往往根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)放大結(jié)構(gòu)軟件的計(jì)算結(jié)果，如縱筋配筋量，此時(shí)也應(yīng)按應(yīng)根據(jù)式（4)手動(dòng)復(fù)核公式應(yīng)用前提條件。

5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

5.1 場地條件

場地地貌單元屬于浙北平原區(qū)，為沖積湖積平原地貌，表層①#土為素填土，分布厚度約為1m，③#土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，分布厚度約為2.2～6.4m，埋置深度約為自然地坪下2m。表層兩層土均屬于高壓縮性土，工程力學(xué)性質(zhì)差。場地典型地質(zhì)土層分布如圖7 所示。根據(jù)地區(qū)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如采用預(yù)制樁等擠土樁型，此類高壓縮性土?xí)?duì)周圍環(huán)境（包括市政道路、已建成房屋）產(chǎn)生比較嚴(yán)重的破壞后果。

圖7 場地典型地質(zhì)土層分布

5.2 可行性方案對(duì)比

本工程為已建學(xué)校內(nèi)改擴(kuò)建項(xiàng)目，周圍道路及教學(xué)樓已使用多年，且與新建項(xiàng)目距離較近，為減小對(duì)已建工程的擠土效應(yīng)影響，基礎(chǔ)擬采用勁性復(fù)合樁基及灌注樁做經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析以確定合理的基礎(chǔ)形式。勁性復(fù)合樁采用等芯散剛復(fù)合樁，剛性樁一般選擇預(yù)制樁，為保證復(fù)合樁成實(shí)際成樁效果，復(fù)合段外芯厚度不應(yīng)太大，厚度應(yīng)控制在150～250mm。本項(xiàng)目采用水泥土外徑725mm，剛性樁采用邊長300mm實(shí)心預(yù)制方樁，樁長17m，樁端持力層為⑥1、⑥2 聯(lián)合持力層。水泥摻量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果確定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以備注，本項(xiàng)目水泥參量為18%。對(duì)比方案中灌注樁擬采用600 鉆孔灌注樁，水下混凝土強(qiáng)度C30，樁長采用26m，持力層為⑥3 砂質(zhì)粉土。

勁性復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于內(nèi)、外芯界面時(shí)采用式（9)計(jì)算抗壓承載力

勁性復(fù)合樁樁側(cè)破壞面位于外芯與土層界面時(shí)采用式（10)計(jì)算

式（9)與式（10)兩者取最小值作為基樁抗壓特征值，根據(jù)地勘報(bào)告中土層參數(shù)計(jì)算，本項(xiàng)目采用單樁抗壓承載力為1 050kN，靜載極限加載值為2 150kN。靜載樁中心剛性樁的選取，應(yīng)滿足樁身承載力不小于2 150kN 要求，且承載力宜按照預(yù)制樁最低限值計(jì)算。必要時(shí)剛性樁可不與工程樁統(tǒng)一，以達(dá)到節(jié)省造價(jià)目的。本項(xiàng)目采用邊長300 高強(qiáng)度實(shí)心方樁，樁身承載力為2 120kN滿足靜載加載值要求。

兩種樁型均采用1.5m 樁間距，選取典型柱網(wǎng)尺寸進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，單柱下樁基造價(jià)，灌注樁方案為4.1 萬元，勁性復(fù)合樁1.3 萬元。本項(xiàng)目采用勁性復(fù)合樁基礎(chǔ)，項(xiàng)目實(shí)施過程中加強(qiáng)對(duì)周圍環(huán)境影響實(shí)時(shí)監(jiān)控，現(xiàn)基礎(chǔ)已施工完畢，實(shí)踐結(jié)果表明此樁型對(duì)周圍環(huán)境影響較小，既避免了采用灌注樁時(shí)場地對(duì)泥漿池布置的限制，又兼顧經(jīng)濟(jì)性，此經(jīng)驗(yàn)在類似項(xiàng)目中可值得借鑒推廣。

6 結(jié)語

通過對(duì)典型多層報(bào)告廳結(jié)構(gòu)分析得出如下結(jié)論，由于頂層大空間使用功能要求，在類似跨度結(jié)構(gòu)布置中，屋面梁板體系可優(yōu)先采用型鋼混凝土梁柱體系；對(duì)于改擴(kuò)建項(xiàng)目中，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中擠土效應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境的影響應(yīng)引起重視，勁性復(fù)合樁型作為一種非擠土樁型有兼顧經(jīng)濟(jì)性和施工可行性，做法值得參考；對(duì)于頂部抽柱的不規(guī)則項(xiàng)建筑，應(yīng)進(jìn)行彈性時(shí)程補(bǔ)充分析，合理確定小震下地震剪力放大系數(shù)，以期達(dá)到抗震設(shè)防目的要求；大跨型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)過程中，撓度、裂縫的驗(yàn)算不可忽略，撓度過大時(shí)，應(yīng)注明施工起拱值以滿足正常使用工況下?lián)隙纫?，同時(shí)應(yīng)注意復(fù)核規(guī)范公式使用的前提條件，如不滿足應(yīng)采取其他可靠的分析方法，如實(shí)體單元分析法等。