淄博建筑工程學校綜合實訓樓結構設計

魏偉，伊永忠，李明義，逯芳

（淄博市建筑設計研究院第一設計所，山東淄博　255037）

淄博建筑工程學校綜合實訓樓結構設計

魏偉，伊永忠，李明義，逯芳

（淄博市建筑設計研究院第一設計所，山東淄博255037）

隨著大型公共建筑的發展，超長混凝土結構得到越來越廣泛的應用。文章結合淄博建筑工程學校綜合實訓樓項目的結構設計，針對超長樓蓋和南部主入口處大懸挑的超長混凝土結構進行了方案設計，并對超長樓蓋溫度應力進行了計算，采取了設置膨脹加強帶、加強縱向鋼筋等減小溫度應力對鋼筋混凝土結構不利影響的措施；對建筑南部主入口處大懸挑結構進行了結構選型分析，采用型鋼混凝土結構以滿足結構承載力需要和抗震性能。

超長混凝土結構；溫度應力；型鋼混凝土

0　引言

近年來，我國各種大型公共建筑的建設得到蓬勃發展。因建筑功能以及造型的需要，對超長混凝土結構無縫設計的要求也越來越高。

目前，國內已有較多超長結構設計的理論研究和工程實踐［2-8］。華丹等對混凝土溫度應力進行了計算，并從設計、材料、施工方面采取了不同的技術措施［2］。黃以莊等推薦采用設置膨脹加強帶、加強建筑保溫隔熱等措施進行超長結構設計［3］。孫璨等著重闡述了超長混凝土結構施工全程的溫差效應非線性仿真分析方法［4］。潘立等對超長混凝土地下結構進行組合應力彈塑性時程分析，作為抗裂驗算的補充［5］。

2013年，淄博市建筑設計研究院承擔了淄博建筑工程學校綜合實訓樓結構設計，建筑專業要求不設置伸縮縫。該工程采用框架結構，平面最大長度為112.9 m，遠超GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（以下簡稱混凝土規范）［1］中對伸縮縫最大間距做出的規定，屬于超長結構。在綜合實訓樓結構設計中，設計人員針對工程特點，選擇經濟、成熟、易于操作的結構措施，成功實現了超長結構設計。此外，該建筑在大懸挑結構設計等方面也頗具特色。

1　工程概況

淄博建筑工程學校綜合實訓樓位于山東省淄博市。建筑面積為20 730 m2。建筑物地面以上共四層，無地下室。首層層高5.7 m，其余各層層高均為4.5 m。從室外地面算起，結構總高度19.65 m。建筑平面最大長度112.9 m，最大寬度81.6 m。建筑效果如圖1所示。建筑物平面布置呈風車狀，整體布局方圓結合，形意相連，由三個矩形，一個橢圓形（西南方向）與中部圓形連廊融為一體。建筑師為保證建筑使用功能及造型效果，要求不設置結構縫。建筑物南側中部為主入口，此處設有大懸挑雨篷且在相應二層位置存在平面凹進，如圖1所示建筑物右下側位置。

該工程為學校類建筑，根據GB 50223—2008《建筑抗震設防分類標準》［9］，抗震設防類別為重點設防類。工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1 g，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類。

圖1　建筑效果圖

2　綜合實訓樓結構設計

2.1結構選型

綜合考慮結構高度及平面布置等設計條件，工程采用鋼筋混凝土框架結構。基礎采用鋼筋混凝土獨立基礎。結構柱網主要尺寸為8.1 m×8.1 m主要框架柱截面尺寸為700 mm×700 mm（1層）600 mm×600 mm（2～5層），主要框架梁截面尺寸為300 mm×650 mm。一層結構布置示意如圖2所示。

圖2　一層結構平面示意圖/mm

建筑連廊及南部位置造型呈流線型，存在大量弧形線條。弧形的框架梁在地震作用下受力不佳會同時產生較大的軸向力、剪力、扭矩和彎矩，在實際地震中也表現較差，所以在框架梁布置時，將圓弧位置框架梁做成以框架柱為折點的折線形，并在建筑物外圍設置弧形次梁和挑板。如圖2所示。采用直線形的框架梁來保障結構抗震性能，而采用弧線形的次梁、挑板來表達建筑造型，兼顧了建筑、結構兩個專業的設計要求。

2.2超長樓蓋設計

2.2.1結構溫度應力計算

采用Midas Gen通用有限元計算程序，建立結構整體模型。框架梁、柱采用桿單元模擬，樓板采用殼單元模擬。桿單元與殼單元協調變形。

淄博市極端最高氣溫約為40℃，最低氣溫約為-20℃。考慮建筑設有保溫措施，在計算中屋面溫差按-30℃考慮；各層樓面根據室內溫度范圍15 ～30℃，按溫差-15℃考慮。

計算結果表明，框架梁在溫度作用下將產生軸向應力，升溫時為壓應力，降溫時為拉應力。拉應力是導致混凝土開裂的主要原因。在結構中部位置拉應力最大，向兩邊逐漸減小；在樓梯間、電梯間等樓板開洞處，產生了應力集中。框架柱在溫度荷載作用下產生較小的剪力。在進行結構構件計算時，將構件溫度應力計入荷載組合，按照計算結果進行構件配筋。在樓板開洞位置附加了放射狀鋼筋，避免因應力集中造成開裂。

2.2.2減少溫度應力對鋼筋混凝土結構不利影響的措施

超長樓蓋設計措施混凝土的收縮和結構的溫度變形是超長樓蓋混凝土開裂的主要原因。設計中相應采取了以下針對性措施:

（1）添加膨脹劑并設置膨脹加強帶 在樓、屋面混凝土中添加UEA膨脹劑，摻量為8%。每隔30 ～40 m設置一道膨脹加強帶，帶寬2000 mm，帶內UEA摻量為12%。UEA膨脹劑等量取代水泥。根據RISN—TG 002—2006《補償收縮混凝土應用技術導則》［12］的研究成果，膨脹劑使混凝土在鋼筋和周邊結構的約束下，產生0.2～0.7 N/mm2的預壓自應力，部分抵消了由于混凝土收縮產生的受拉應變，從而提高了抗裂性能。

（2）在樓、屋面混凝土中添加聚丙烯抗裂網狀纖維添加方式如下:纖維直徑為18 μm，抗拉強度≥360 MPa，彈性模量≥3300 MPa，極限延伸率≥25%，混凝土中纖維摻量為0.6 kg/m3，后澆帶處增加為1.0 kg/m3，纖維長度為19 mm［6］。混凝土是一種非均質脆性材料，聚丙烯纖維的加入，提高了混凝土的極限拉伸率和韌性，有效地減小收縮和裂縫的發生。

（3）嚴格控制混凝土施工質量 對于超長混凝土結構，設計工作和施工工作緊密相連、不可分割。工程中采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，并選擇后期收縮小的外加劑。在工程施工階段，對混凝土后期養護措施和拆模時間進行了重點監督，確保滿足設計要求。混凝土結構澆筑時的氣溫對后期溫度應力有較大影響。而溫度應力的不利影響主要是混凝土澆注完成后，溫度下降時期引起的混凝土開裂，溫度升高則對混凝土影響相對較小，所以超長樓蓋混凝土澆注時間以較冷的季節為好［4］。

（4）加強梁、板縱向鋼筋縱向梁上部通長鋼筋不小于支座或跨中鋼筋面積的1/4；梁側面設置縱向構造鋼筋，間距不大于200 mm且直徑不小于14 mm。同時，適當加強了樓板通長鋼筋。樓板縱向鋼筋最小配筋率不小于0.3%，雙層雙向通長配置在樓板洞口等應力集中處，設置了放射狀附加鋼筋梁、板縱向鋼筋的加強可提高鋼筋混凝土抵抗收縮應力、溫度應力的能力，從而提高結構抗裂性能。

（5）采用可靠的保溫隔熱措施 經與甲方及建筑專業溝通，建筑物外墻采用了加氣混凝土砌塊自保溫體系，該保溫體系效果可靠，使用壽命長。屋面采用擠塑聚苯板保溫材料，并適當增大聚苯板厚度提高其保溫能力。保溫措施的加強，既有利于減小后期混凝土溫度應力，又可以達到節能減排的效果2.3南部主入口處大懸挑設計

2.3.1結構選型與分析

建筑南部主入口上部雨篷及相應位置二層平面凹進處，均為大懸挑結構，懸挑尺寸超過7 m。各層建筑平面如圖3所示。

圖3　南入口位置各層建筑示意圖/mm

原計劃此位置采用鋼結構桁架進行懸挑，這種方案在技術上可行，但鋼結構在耐火性能和剛度表現上比混凝土結構略差，工程造價也較高。經與建筑專業溝通，對柱網及梁格進行了優化布置，采用了以大跨度梁為支座，用次梁進行懸挑的結構方案，有效減小了懸挑尺寸。結構布置如圖4所示。此位置大跨度梁跨度超過16 m且承受荷載范圍較大，如采用普通鋼筋混凝土結構，將會導致梁柱截面尺寸偏大。經多次計算比較，確定采用型鋼混凝土結構型鋼混凝土具有很強的結構承載能力，經計算，大跨度梁截面尺寸為500 mm×1200 mm，即可滿足承載力及撓度需求，且結構含鋼量經濟合理。型鋼混凝土抗震性能也非常優異，在罕遇地震下即便混凝土有較嚴重的開裂，其內部鋼框架仍能與箍筋內的混凝土組成具有一定剛度的抗側體系，保證建筑物“大震不倒”，保障出入口的暢通。

圖4　南入口位置結構布置示意圖/mm

2.3.2型鋼混凝土構件設計

型鋼混凝土結構具有較高的承載力和良好的抗震性，但結構施工工藝復雜。在進行型鋼混凝土結構設計時，要充分考慮施工的可行性，并配合現場不斷完善設計。

圖5（a）為型鋼混凝土柱大樣圖。框架柱截面尺寸為800 mm×700 mm，型鋼柱為H450×350×24 ×40。型鋼柱周邊存在較大空間，方便柱縱筋及箍筋布置。在進行箍筋設計時，充分考慮了柱箍筋與型鋼柱的位置關系，避免箍筋穿過型鋼。在箍筋肢距較大位置，設置了U型箍筋。箍筋設計時還考慮了型鋼柱栓釘位置的影響，避免箍筋不能一次套入［13］。

型鋼混凝土柱的體積配箍率比普通鋼筋混凝土柱有所提高，以提高柱極限變形能力［14］。

圖5（b）為型鋼混凝土梁大樣圖。框架梁截面尺寸為500 mm×1200 mm。型鋼梁采用H型鋼，鋼材型號選用 H900×300×20×30，型鋼含鋼率為5.9%。型鋼含鋼率在合理范圍，確保了型鋼混凝土梁具備較好的延性［15］。型鋼翼緣側邊至梁側邊距離為100 mm，確保振搗棒可伸入梁內振搗。型鋼梁上、下翼緣外邊距梁外邊為150 mm，避免梁縱筋鋼筋交叉位置鋼筋保護層厚度不足。在型鋼腹板處設置附加鋼筋與梁腰筋拉結，避免拉筋穿過型鋼腹板造成施工困難以及梁腹板被削弱。

圖5（c）為型鋼梁、柱節點大樣圖。節點設計的關鍵在于梁縱向鋼筋的布置。梁縱筋特別是角筋應盡可能繞過型鋼。如存在困難，可適當加大梁寬度，或調整縱筋根數及層數。對于無法繞過型鋼的縱筋，當其與柱型鋼腹板垂直時，考慮將腹板鉆孔；當其與柱型鋼翼緣垂直時，采用套筒連接。

腹板鉆孔時，鉆孔直徑應比鋼筋直徑大5～8 mm，以利于穿筋。腹板因鉆孔造成截面損失超過腹板總面積25%時，應采用補強板對腹板進行補強。采用鋼筋套筒進行縱筋連接時，應在相應位置設型鋼加勁板，以保障傳力可靠。

圖5　型鋼混凝土大樣圖

3　結語

文章結合淄博建筑工程學校綜合實訓樓結構設計，介紹了超長混凝土結構設計和南部入口位置大懸挑結構設計。在超長混凝土設計中，采用有限元軟件計算出混凝土樓蓋在溫度作用下產生的內力并根據應力分布規律，采取針對性設計措施，有效減小了溫度作用和混凝土收縮變形對結構的不利影響；在南入口位置大懸挑結構設計中，采用以大跨度型鋼梁為支座，設置次梁進行懸挑的方式，實現了懸挑尺寸超過7 m的結構設計。

［1］GB 50010—2010，混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［2］華旦，吳杰，干鋼.超長混凝土結構的溫度應力分析與設計實踐［J］.建筑結構，2012，42（7）:56-59.

［3］黃以莊，黃華敬，王利，等.超長混凝土結構無縫設計［J］.建筑結構，2010，40（6）:90-92，25.

［4］孫璨，傅學怡，朱勇軍，等.杭州奧體中心主體育場超長混凝土結構環境溫差效應分析［J］.建筑結構，2014，44（17）:34-39.

［5］潘立，張建林.超長混凝土地下結構組合應力彈塑性時程分析［J］.建筑結構，2014，44（16）:21-25.

［6］王奇，張守峰，朱炳寅.東營會展中心展館超長結構設計［J］.建筑結構，2009，39（7）:9-12.

［7］馬林建，劉新宇，邱旭光，等.地下超長結構環境溫度效應數值模擬分析［J］.建筑結構，2011，41（7）:111-114.

［8］彭英，柯葉君，陳威文，等.超長混凝土結構溫差收縮效應分析及工程實踐［J］.建筑結構，2010，40（10）:86-90.

［9］GB 50223—2008，建筑抗震設防分類標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［10］藺建中，孫守榮，王剛.不規則大開洞結構受力性能分析［J］.建筑結構，2007，37（10）:27-29，13.

［11］JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［12］RISN-TG 002—2006，補償收縮混凝土應用技術導則［S］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［13］王多民，陳雷，岳君威.北京移動通信綜合樓型鋼混凝土結構設計與施工［J］.建筑結構，2007，37（12）:58-61.

［14］郭子雄，林煌，劉陽.不同配箍形式型鋼混凝土柱抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2010，31（4）:110-115.

［15］張建文，司馬玉洲，張仲先.不同鋼骨含鋼率的鋼骨混凝土梁抗彎性能試驗研究［J］.建筑結構，2005，35（8）:79-80，51.

（學科責編：李雪蕾）

Structural design of the Comprehensive Training Building of Zibo Construction Engineering School

Wei Wei，Yi Yongzhong，Li Mingyi，et al.
（Zibo Architecture Design and Research Institute，Zibo 255037，China）

With the development of large public buildings，super-long concrete structures are being widely used.On the base of structural design of the Comprehensive Training Building of Zibo Construction Engineering School，the scheme design of super-long floor and large cantilever at the south entrance are discussed.The temperature stress in super-long concrete floor is calculated，and the adverse effect of temperature on the structure is reduced by setting expansion-reinforcing-band，deploying vertical steel bars.Besides，the structural scheme of the large cantilever on the south of the building is discussed.Steel reinforced concrete structure is applied to meet the needs of bearing capacity and ductility requirements.

super-long concrete structure；temperature stress；steel reinforced concrete

1673-7644（2015）06-0596-04

TU318

A

2015-03-11

魏偉（1982-），男，工程師，學士，主要從事結構設計等方面的研究.E-mail:weiwei0967@163.com