某中學綜合樓—風雨操場上部結構設計

劉 順 宋 勇 錢解煌 胡 亮

(深圳市建筑設計研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000)

0 引言

學校風雨操場及報告廳等公共建筑中由于建筑使用功能的要求，經常出現躍層柱、大跨度、豎向構件不連續等不規則項，結構設計人員如何在滿足結構安全的前提下實現建筑的使用功能需求，需要對此類結構進行合理的選型和仔細的分析，文章針對某存在較多不規則項的多層綜合樓—風雨操場上部結構的設計，介紹了針對各類不規則項所采取的設計方法和加強措施。

1 工程概況

本工程地上5層，地下1層，其中地下1層層高為3.7 m，首層層高6.0 m，2層～5層均為3.9 m，結構主體地上高度21.6 m，采用的結構形式為框架剪力墻。

本工程所在地合肥市抗震設防烈度為7度，地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類。按照《合肥市防震減災條例》第十九條、《安徽省防震減災條例》第十四條規定，中小學建筑應在本地抗震設防要求的基礎上提高一檔進行抗震設防，即按7度0.15g，根據《建筑抗震設防分類標準》及《建筑抗震設計規范》，中小學為重點設防類，故地震作用的計算分析按7度0.15g執行，抗震措施按8度，綜上，結構基本設計數據見表1。

2 單體不規則項分析

本工程建筑功能分為-1層風雨操場和地上綜合教學辦公樓，綜合樓地上設縫，設縫后分為東西兩個單體，結構縫的位置見圖1，文章主要針對設縫后東側單體(圖1中斜線區域)分析。

表1 基本設計數據

2.1 樓板局部不連續

此單體風雨操場位于地下1層，由于籃球場凈高要求，首層樓板開洞，且風雨操場東側為下沉庭院，風雨操場東側局部框架柱為躍層柱。

2.2 豎向構件不連續

由于籃球場布置原因，綜合樓局部兩跨4根框架柱不能落至-1層，在2層樓面形成跨度20.7 m轉換結構，考慮籃球場凈高要求，若采用混凝土轉換梁對凈高影響較大，最終設置高度與3層層高相同的轉換桁架，完成對上部3層結構(3跨×6.9 m)的局部轉換。

2.3 豎向收進

由于風雨操場區域僅地上1層，存在局部收進的水平向尺寸大于相鄰下1層的25%，故存在豎向收進。

綜上，該單體(如圖2所示)主要存在樓板局部不連續、豎向構件不連續、豎向收進三項不規則項，且由于-1層籃球場布置原因，籃球場屋面形成24.5 m的大跨度混凝土梁，此單體為存在多項不規則的多層建筑。

3 結構分析

3.1 樓板大開洞及大跨度混凝土梁

針對首層樓板大開洞樓板，將該樓層定義為彈性模計算，并對樓板予以加強，首層樓板結合地下室頂板設計，板厚取為180 mm，配筋均雙層雙向拉通設置，洞口周邊邊梁截面均適當加大，配筋加強。針對籃球場屋頂24.5 m大跨度混凝土梁，采用預應力混凝土梁，以減小其變形，并且采用結構找坡，減少屋面面層荷載，且考慮豎向地震作用，對支撐大跨度結構的框架抗震等級提高為一級，并對邊框柱進行適當加強。

3.2 躍層柱

考慮躍層柱計算長度較大，應適當提高其在地震下的變形能力，本工程躍層柱均采用型鋼混凝土柱，且為了保證躍層柱不會在材料破壞之前就發生屈曲破壞，通過YJK軟件屈曲分析模塊對躍層柱進行屈曲分析計算，從而得到相應躍層柱的臨界荷載系數，并計算出躍層柱達到屈曲時的荷載特征值，具體特征值見表2。通過屈曲分析結果可知：該穿層柱的極限承載力值664 699 kN遠大于該柱的最大組合內力3 505 kN，表明該柱不會發生屈曲破壞。

表2 躍層柱屈曲分析數據

此外，人工對穿層柱進行手工復核，采用正常柱的剪力、躍層柱的計算高度，對躍層柱進行補充計算，防止躍層柱的破壞發生在普通混凝土柱之前，躍層柱配筋設計時按程序及手算結果的大者設置。

3.3 轉換桁架

3層設置的整層高的轉換桁架考慮桁架上弦受壓、下弦受拉的受力特點，并且考慮施工時下弦距離風雨操場9.7 m，存在高支模，故本工程轉換桁架上弦采用型鋼混凝土梁，混凝土梁截面尺寸為600×1 100，其內部鋼骨尺寸為H700×400×24×32；下弦桿及腹桿均采用H型鋼，其中下弦桿截面尺寸為H900×400×34×38，直腹桿FG-1截面尺寸為H450×300×30×36，斜腹桿截面尺寸為H300×350×30×38，鋼號均為Q345B。

轉換桁架在設置時，要在滿足結構安全的前提下，盡可能地滿足建筑的使用要求。由于3層建筑功能為教室，部分斜腹桿對建筑門窗洞口尺寸有一定影響，經過結構分析并與建筑協商后，選擇如圖3所示的腹桿布置方案。在滿足建筑門窗洞口設置要求的同時，結構未因轉換桁架的設置出現其他不規則項，轉換桁架上下層剛度比和層間受剪承載力的比值均滿足規范的要求。另外，雖然本工程為多層結構，但考慮本工程轉換的重要性，本工程轉換桁架設計時結構計算和抗震措施均按滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》第10.2節“帶轉換層高層建筑結構”的相關要求，包括抗震等級的選取、支撐轉換桁架的框支柱的構造措施、剪力墻底部加強部位的選擇等要求。

3.4 時程分析及性能化設計

除了上述針對各種不規則情況的常規計算外，考慮本工程不規則項較多，屬于較復雜的多層建筑，為確保結構有足夠的安全度補充了時程分析，并且針對結構的不規則項補充性能化設計。

1)時程分析：本工程取三組加速度時程曲線進行多遇地震下的時程分析補充計算，并將地震波產生基底剪力與CQC法基底剪力進行比較，其結果見表3，表4，結合時程分析結果，結構設計時對多遇地震下的地震剪力取全樓統一的地震剪力放大系數1.15進行計算。

表3 主方向0.0°時多條波包絡值與CQC法計算結果比較

表4 主方向90.0°時多條波包絡值與CQC法計算結果比較

2)性能化設計：針對本工程的不規則情況，首先需要確定結構的抗震性能目標，結合本工程抗震設防類別、結構的重要性、設防烈度及場地條件等，按《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.11.1節確定采用性能目標。并根據確定的性能目標，確定如表5所示的主要關鍵構件性能化設計參數及指標。

表5 主要關鍵構件性能化設計參數及指標

此外，考慮到單體采用的鋼結構與混凝土結構共同工作，在地震計算時結構的阻尼比的選取也需要綜合考慮，根據《抗規》附錄G中G.1.4條相關要求，結構的阻尼比不應大于0.045，因此，設計時除按照材料區分阻尼比進行計算外，還采用了綜合阻尼比0.045復核結構設計，其計算結構均滿足相關規范的要求。

4 節點構造

由于本工程采用了大跨度預應力混凝土梁、型鋼混凝土梁柱、鋼結構轉換桁架等較復雜結構形式，需要處理好大跨預應力梁與型鋼柱(如圖4所示)、型鋼混凝土梁柱(如圖5所示)以及鋼桁架節點(如圖6所示)等復雜節點的連接。

實際施工過程中，此類復雜結構比傳統的混凝土或者鋼結構施工難度更大，對預應力混凝土梁、轉換桁架均要求具有相應資質的施工單位進一步深化設計，相關的施工方案也要求進一步論證后方可實施。

5 結語

本工程結合某中學綜合樓—風雨操場項目上部結構設計，介紹了針對復雜多層學校建筑所存在的各項不規則情況以及針對相應不規則項采取的設計加強措施，重點針對學校類建筑中風雨操場較容易出現的樓板大開洞、大跨度混凝土梁、躍層柱等進行結構分析和構造加強；此外，針對轉換桁架在本工程中的應用作了詳細的介紹，并且對類似出現多項不規則項的建筑應進行的時程分析和結構性能化設計做了簡要的介紹。通過本工程的分析設計，建議對類似項目除進行常規的設計加強外，還應根據規范確定適用于本工程的抗震性能目標，進行了合理的結構布置方案優化和調整，根據計算對關鍵部位采取更為有效的加強措施，滿足規范相關抗震要求，達到預期的抗震性能目標，最后通過對關鍵節點構造的介紹，明確設計階段應進行的節點加強措施，對類似結構的設計有一定的參考和指導意義。