某展覽館結構分析與設計

□文/朱黎蓬 張書鴛

某展覽館結構分析與設計

□文/朱黎蓬 張書鴛

通過某展覽館建筑結果分析與設計，總結討論設計過程中遇到的問題及采取的對策：空曠建筑結構體系選型；角部大懸挑平臺梁板布置方案選型，支撐大懸挑梁板的框柱及基礎分析；屋蓋（網架）同下部結構整體計算分析；越層柱的屈曲分析；怎樣合理計入夾層部分的影響等。

結構體系；選型；大懸挑；豎向地震作用；屈曲分析；夾層；空曠建筑

“結構成就建筑之美”，各種外形優美、體型復雜的建筑夢想，只有在廣大結構設計人員的細心、精心、創新下不斷挑戰自我方可實現，否則就是空中樓閣。

展覽館作為一個區域的地標，在立面造型及功能方面有極為嚴格的要求，通常致使結構設計方案十分復雜，此外，業主對工程成本皆有嚴格的控制，這都給結構設計提出了較大的挑戰，要求廣大結構設計人員付出更多的努力，進行更深入的研究分析。

1 工程概述

某展覽館總建筑面積6 500 m2，主體2層（局部設置設備夾層），首層層高8.6 m（局部夾層為首層高度一半），二層層高5.8 m，室內外高差為1.5 m，主要功能為展陳及會議等，見圖1-圖6。

圖1 工程效果

圖2 正視

圖3 剖面

圖4 首層平面

圖5 夾層平面

圖6 二層平面

2 分析設計過程中遇到的問題及采取措施

設計使用年限50 a，設防烈度7度（0.10g），場地類別為Ⅲ類場地，設計地震分組為第二組。

2.1 空曠建筑結構體系選型

基于建筑使用功能要求，本工程開洞較多、較大，屬于樓板不連續，從外側看為一整體，其實內部各分區結構樓板聯系十分薄弱，雖通過設置抗震縫能達到將該建筑分成幾個規則合理體塊的目的，但是勢必嚴重影響建筑的整體效果，最終確定結構不設縫。當采用框架結構時，由于首層計算層高高達11.6 m，框架梁、柱截面較大才能滿足在規范位移角要求，單位移比超過1.5限值[1]，針對此種情況，在空曠空間的四周，利用建筑隔墻布置剪力墻，即采用框架-剪力墻結構體系。通過多輪試算調整并結合建筑布置，最終確定剪力墻位置見圖7和圖8。

圖7 首層頂結構平面

圖8 屋頂層結構平面

剪力墻均布置在樓電梯間以及開大洞空間的周圍，目的是將空曠空間進行圍合，提高整個結構的整體性，同時對樓板進行加厚，配筋加強，實際計算時，采用彈性樓板進行分析，更加接近結構真實的工作狀態；另外布置剪力墻后，形成剪力墻和框架雙重抗側力體系，二道設防，提高結構的抗震性能，考慮工程情況，實際設計時剪力墻的抗震等級采用三級，框架的抗震等級采用四級，而抗震構造措施的抗震等級分別上調一級，對于開洞形成的越層柱，抗震等級直接提高至二級（抗震構造措施的抗震等級不再提高）。經過計算，結構的周期比、位移比、位移角等參數都符合規范要求，具體到構件配筋率也控制在相對合理范圍內且由于采用框剪結構，比采用單純框架結構更加經濟合理。

對于此類空曠結構，采用框剪結構更加合理，能更好滿足安全性和建筑方案功能要求。

2.2 角部大懸挑平臺方案選型、支撐懸挑梁框柱及基礎分析

建筑右下角下部為圓形，而上部外伸成為矩形且圓形外部為室外，不允許布設豎向構件，圓形邊距離矩形邊最不利處懸挑接近11 m，怎樣解決此大懸挑平臺是比較棘手的問題。

大懸挑存在的問題：外挑大，內襯小，其外挑最大處接近11 m，而內部僅有一跨配重作為內襯且屋頂為網架，壓重較小，后排框架柱容易產生抗拔的情況，另外基礎軸壓力小，而彎矩大時，易致使基礎偏心距較大而同土體脫空，對于大懸挑端部，需重點控制其撓度，一為安全，二為滿足懸掛于一層和屋頂層平臺間幕墻的正常使用要求。

首先，在懸挑位置較大處布置剪力墻，提高此處外飄部分結構的整體抗扭性能，減小結構地震時水平向位移響應；減小懸挑平臺端部荷重，同建筑專業商議，此平臺功能定義為非上人平臺，通過設置隔斷杜絕后期使用過程中上人可能，僅考慮檢修荷載，將兩種方案中最外側環梁以外的樓板板厚取為80 mm，環梁同圓形間樓板板厚取為120 mm，板上皮設裝修作法，僅鋪設一層塑膠，板下吊頂有原石材吊頂改為鋁板吊頂，最大程度上減輕懸挑端自重，同時增大內跨自重，使其起到秤砣的作用，壓住懸挑端。

其次，對比了兩種懸挑方案，方案一（圖9）采用后張法有粘結預應力框架梁方案，梁截面500 mm×1 600 mm，內設高強度低松弛預應力鋼絞線；方案二（圖10）為普通斜向交叉梁方案，梁截面400 mm×1 500 mm。兩種方案都能滿足設計要求，方案一梁少結構自重輕，但是由于采用預應力結構，對施工技術要求相對較高；方案二采用普通梁板結構，但梁數目較方案一多，自重大，同時梁柱節點及斜梁節點相交處，有6排鋼筋相交叉，交叉點鋼件較密，對混凝土澆筑及振搗有嚴格要求，最終采用方案一。據規范[1]，本工程無需考慮豎向地震作用，但考慮到實際情況，實際設計采用振型反應譜法考慮豎向地震作用的不利影響，提高關鍵部位構件的安全裕度。

圖9 角部平臺方案一

圖10 角部平臺方案二

最后，遠離懸挑端的框架柱，需驗算復核其是否受拉。考慮最不利的情況，懸挑部分恒載、活載（分項系數按起不利作用考慮）都考慮，內跨僅考慮恒載（分項系數1.0），不考慮活載作用，此時發現8.6 m以下標高框架柱未出現受拉情況，而8.6 m以上框架柱出現受拉情況，但是拉力小于混凝土軸心抗拉強度同框架柱截面的乘積，實際設計時配置足夠縱筋并延伸至基礎，同時要求框架縱筋鋼筋接頭為一級接頭，以保證框架柱在受拉工況下的安全性。對于基礎，由于軸力小、彎矩大，存在較大的偏心作用，出現較大零應力區，也就是存在基礎下皮同持力土層脫開情況，設計時增大基礎截面，增加厚度，控制基礎零應力區在規范范圍內，同時增配基礎上皮鋼筋網片，確保在基礎脫空時有足夠的安全裕度。

2.3 屋蓋（網架）同下部結構整體計算分析

本工程設置圓形展廳和方形展廳各一處，由于跨度較大，采用鋼網架方案。以往設計，都是網架單獨計算，然后將網架的支座反力傳至主體結構，兩者分別設計，對于一般項目，這樣設計可能合理，但是對本工程而言，這樣設計則極不合理。

如圖11所示的矩形網架，它位于結構的左上角，一側支撐在結構最外排的框架柱上且此框架柱為單邊通高越層柱，對網架而言，它除承受自身的荷重以外，實際上還起到框架柱側向支點的作用，如框架柱的水平向荷載（風、地震作用）是通過網架的水平向剛度進行傳遞的，若采用以往分開建模，則無法考慮其相互支撐作用，即網架支座荷載通過框架柱傳遞至基礎，而同時框架柱的水平向荷載通過網架的水平剛度傳遞至整體結構。所以設計時，首先在網架專用軟件里不考慮下部結構影響，確定網架的大致截面，然后將網架模型建入整體模型，考慮屋蓋和下部結構共同工作，發現網架桿件上弦及支座處桿件有較多截面不足處，對其調整加強，分析原因，就是網架承擔了框架柱傳遞的水平向作用。

通過網架同下部結構整體分析，模擬了結構的真實受力狀態，更加安全合理。

圖11 框架柱荷載傳至網架上弦簡

2.4 越層柱的分析設計

由于開大洞較多，形成了較多越層柱，高度達16 m左右，對于越層柱要進行詳細分析。

首先，模型計算時不能考慮剛性樓板假定，否則柱子計算長度系數同實際不符，會致使配筋偏小，不安全；其次，對于這種越層柱，其在豎向荷載作用下的穩定性極為重要，針對此種情況，進行了屈曲分析，在1.2 kN/m2恒+1.4 kN/m2活的荷載工況下，越層柱的第一屈曲因子為55，遠超規范限值要求，故認為其穩定性有較大安全裕度。設計時，將此類框架柱抗震等級上調一級并要求施工方將此類框架柱按照整體一根來進行施工，而不是按照一層的概念來施工，具體設計到箍筋加密區長度、縱筋接頭位置等，同時要求鋼筋接頭為一級接頭。從設計分析和構造上提高其安全性。

2.5 合理計入夾層部分的影響

處于展覽布展的要求，建筑首層層高為8.6 m（結構首層計算層高為11.6 m），但除展廳外，其余空間的層高無需這么高，為增加利用面積，在4.3 m標高的位置設置了局部夾層，同時為減少幕墻龍骨的跨度，在4.3 m標高位置也設置了框架梁，見圖12，則如何考慮夾層部分對整體結構的影響尤為重要。

圖12 4.3 m標高處夾層結構平面

首先，夾層面積比較小，不能作為一個層的概念來輸入，若因為夾層的存在，建模時人為在4.3 m標高設置一結構標準層，則會致使位移角、位移比等大參數的統計原則同規范原意不符，同時許多一層框架柱人為分成兩段，質量矩陣和剛度矩陣都同實際不符；但不考慮此部分夾層的影響顯然更不合理。針對此種情況，利用YJK軟件的層間梁功能，將標高4.3 m位置處的結構夾層部分按照層間梁的概念計入整體模型，既考慮了層間部分梁板的影響，又相對合理的提取了位移角、位移比、周期等大參數，一舉兩得。

類似帶夾層的工程都可按照這個思路處理，同時新版的YJK軟件能計入夾層部分樓板剛度的貢獻（蒙皮剛度），更加合理。

3 結語

基于設計人的知識水平和對設計軟件的了解，結合本工程的特點，總結了類似工程設計過程遇到的問題并提出解決方法，使建筑安全適用、經濟合理，、達到建筑方案設計的要求，取得較好經濟效益和社會效益。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

□張書鴛/天津大學建筑設計規劃研究總院。

TU242.5

C

1008-3197（2015）06-75-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.027

2015-07-18

朱黎蓬/男，1981年出生，高級工程師，碩士，天津中天建都市建筑設計有限公司，從事復雜結構分析研究工作。