公共建筑結構設計分析

商群濤

奧意建筑工程設計有限公司 廣東深圳 518000

摘要：本文根據工程實例對某公共建筑結構設計采用的多種解決方案，在不同部位能較好地滿足建筑功能的需求，供同行借鑒參考。

關鍵詞：公共建筑；結構設計

一、工程概況

本工程為單體建筑，總建筑面積1.4x104m2。建筑內部由劇場、會議商務、展廳等功能組合而成。由于建筑功能的多樣化，出現躍層或層高不同、大跨度樓蓋等平面及豎向均不規則的現象。主結構為框架結構，業主要求要以低成本及多種結構形式混合來達到建筑功能的要求。本項目的結構設計重點是如何通過調整結構布置和加強結構整體性能來滿足復雜結構的抗震性能。工程抗震設防分類為重點設防類，抗震設防烈度6度，抗震措施7度，框架的抗震等級二級，50a一遇的基本風壓0.35 kN/m2，地面粗糙度類別B類；風荷載體型系數1.3，鋼筋混凝土強度等級均為C30一C40，鋼筋采用HRB400，鋼材采用Q345B及1860級鋼絞線。設計荷載均按現行荷載規范進行取值。

二、巖溶地區基礎設計

考慮施工的方便及可靠性和結構的經濟性，采用鋼筋混凝土柱下獨立基礎，場地處在石灰巖溶地區，部份巖面高出基礎埋深的石灰巖，需進行鑿除；部分基礎位于巖層斷面處，且落差較大，需加大受力面積并用混凝土填平至最高點方能做基礎持力層；部分基坑經開挖較大深度后仍未發現持力層（如舞臺后側部分的基坑），持力層承載力特征值 ；設計采用換填毛石混凝土的方法處理該部份基礎，嚴格控制相鄰基礎的沉降差滿足規范要求。設計在施工過程中根據現場實際情況確定了基礎的處理措施，但每個基礎的埋深隨巖石面變化、處理措施均有不同。持力層變化大，巖面破碎，從局部巖面出露，到巖面深7～10m，采用獨立基礎，現場逐一核準每一基礎標高、尺寸，減少了樁基施工難度。

三、不規則平面、超長結構設計

結構長104.8 m，寬74 m，平面不規則，存在開大洞和樓板不連續的情況，樓面亦存在高差、錯層。結構設計中通過調整結構布置、加強薄弱部位的連接及周邊梁板的配筋，采用彈性板計算復核配筋等措施，保證結構平面的剛度和整體性能。

此外，由于建筑立面及功能需要，平面內不設置抗震縫和伸縮縫。但由于結面內設置了后澆帶，并加強了構件配筋。結構的平面布置如圖1所示。

圖1 二層平面結構布置

四、大跨度混凝土樓蓋設計

展廳、大型會議室的屋面為大跨度結構，展廳的跨度為17.4 m，梁高限制900 mm。為滿足強度、變形要求，采用后張有粘結預應力梁。梁截面尺寸400 x 900，跨高比約1 /20，預應力梁單向布置，梁間距為2.5 m。采用預應力梁的優點是施工簡單、變形小。典型預應力梁施工圖如圖2所示。

圖2 預應力梁

主體完工后預應力部分的實景如圖3所示，整個樓蓋呈現出一種結構之關，梁截面整齊劃一，梁沿一個方向布置時縱向可走噴淋答，有效滿足凈高需要。

圖3 20m跨度預應力梁展廳施工完成圖

1～4層展廳、兩邊門廳部分框架跨度為14.2 m，柱距為8.2～12.6 m不等。經過對比分析，在此跨度以內可以不采用預應力，簡單采用單向密肋梁樓蓋予以實現。梁高為900mm，梁間距為2.1 m，在恒載和活載作用下梁的撓度不滿足要求，要求施工時預先垂直向上起拱，最后計算發現梁配筋并不大，僅1.2%左右，在經濟配筋率范圍之內。密肋梁的布置如圖4所示。

圖4 密肋單向樓蓋局部平面布置

五、鋼結構屋蓋設計

劇場屋蓋橫向跨度30m，長30m，舞臺頂屋蓋寬30m，進深20 m。從便于施工、經濟竹省的角度來考慮，觀眾席及舞臺屋蓋采用鋼管析架+支撐的鋼結構屋蓋體系，屋面采用鋼筋桁架樓承板，滿足建筑隔音要求的同時也避免了高空支撐模板的困難。觀眾席鋼屋架下安裝懸掛面光橋，舞臺鋼屋蓋下懸掛演出設備的鋼構格柵，作為一個整體進行設計。

采用鋼桁架結構的優點是自重輕，設備管道等可以從桁架中間穿過，間接增加建筑空間。不占用建筑空間，在大跨度結構中經常使用。鋼桁架和混凝土樓板及周邊混凝土結構結合部分構造需考慮防水及建筑美觀。

鋼結構的圖紙繪制應采用簡明、清晰的表達方式以便于施工。鋼構件的設計連接充分考慮減低施工難度。實際施工反映效果良好，鋼結構施工安裝沒有施工難度，鋼析架采用地面拼裝完成，一次安裝就位，高空作業的工作量很少。

劇場屋蓋采用鋼結構桁架（圖5），為滿足劇場的隔聲要求采用鋼筋混凝土屋面板。劇場屋面離地面標高為19.4m，28.2m采用普通模板現澆樓面的方式，其高空模板施工代價過大，經比較采用不需要模板支撐的鋼筋桁架樓承板，降低了施工難度并節省了高空支模成本。

圖5 觀眾廳鋼結構屋蓋平面布置

鋼筋桁架樓承板是將樓板中的鋼筋在工廠采用設備加工成鋼筋桁架，并將鋼筋桁架與鍍鋅鋼板在工廠焊接成一體的組合模板。該模板系統是將混凝土樓板中的鋼筋與施工模板組合為一體，組成一個在施工階段能夠承受濕混凝土自重及施工荷載的承重構件。在使用階段，鋼筋桁架與混凝土共同工作，承受使用荷載。鋼筋桁架樓承板上、下弦鋼筋采用成盤供應的熱軋帶肋鋼筋（HRB400）或冷軋帶肋鋼筋（CRB550級）；腹桿采用成盤供應的冷軋光圓鋼筋；底模采用鍍鋅鋼板，厚度常用為0.5 mm，雙面鍍鋅量不小于120 g /m2。鋼桁架樓承板具有技術領先、施工快捷、抗震、防火、防腐性能好、質量穩定、安全可靠、板底平整、關觀環保、選材經濟、綜合造價低、板型豐富等優點。本項目采用的鋼筋桁架樓承板如圖6所示。

圖6 鋼筋桁架樓承板

六、計算分析

（一）SATWE彈性反應譜計算結果

結構計算軟件卞要采用SATWE進行計算。在彈性階段各項指標均在規范允許范圍之內，其中前三個周期為 ，X方向位移比為1.14，Y方向的位移比為1.22。從計算結果來看，雖然平面較為不規則，但可通過樓面加強，盡量調整豎向構件布置等方式，結構抗扭轉性能較好。

（二）彈性時程分析結果

由于平面不規則，設計時采用了SATWE進行了小震作用下的彈性時程分析。根據抗震規范，加速度峰值取18 cm/S2，通過與反應譜方法進行比較，反應譜方法分析出結構X方向和Y方向最大層間位移角分別為1 /3 174及1 /2 175，而彈性時程分析方法得出結果為1/3 033和1/2 066，結果比較接近。在基底剪力方面，反應譜方法分析時X方向和Y方向剪力分別為5003 kN和4163kN，而彈性時程分析方法得出結果分別為5820kN和4710kN，結果相近。

（三）靜力彈塑性分析結果

為了考察結構在大震階段的表現，采用靜力彈塑性分析方法對結構進行了考察，所用軟件為EPDA&PUSH，采用第一振型的樓層剪力分布模式作為側推荷載模式，靜力推覆結果如圖7所示。罕遇地震性能控制點對應的x方向結構頂點位移為30.6 mm，此時基底剪力約為20 346 kN，約為小震時的4倍，最大層間位移角為1 /588遠小于規范的1/100的限值。說明結構在罕遇地震下也能保證足夠的承載力和剛度。

圖7 靜力彈塑性分析能力譜與需求譜

設計還分析了罕遇地震作用下塑性鉸的發展情況。隨著荷載一步一步增加，二層平面圖中右上角樓板削弱比較嚴重的周邊梁柱首先出現塑性鉸，隨后就是右側柱子不斷出現塑性鉸直至完全屈服，而在此過程中左側區域由于樓板比較連續，梁柱出現塑性鉸的不明顯。此結果進一步說明樓板對于結構抗震性能的貢獻比較顯著，結構設計時應盡量采取措施減小樓板開洞對結構整體性能的影響。

七、結束語

本公共建筑面積不大，但是如何通過合理的結構設計、采用不同的技術以滿足建筑功能和結構本身受力的需要是結構設計必須考慮的問題。設計中必須對平面和豎向進行優化，使得結構設計除了保證建筑本身的安全和抗震需要之外，能更好地為建筑功能服務。本工程設計過程在建筑的不同部位混合采用不同結構形式的設計思路可供同類建筑參考。

參考文獻：

[1]GB50011--2010 建筑抗震設計規范[S]

[2]JGJ 3-2010高層建筑結構混凝上結構技術規程[S]