某大跨懸挑科學(xué)實驗樓主體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

單玉坤 張巖壽 李 昕

(1.天津大學(xué)建筑設(shè)計研究總院有限公司，天津 300017； 2.中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人們對物質(zhì)和文化生活要求的不斷提高，人們對各種建筑的要求越來越高，建筑師為了更好的立面效果，經(jīng)常采取大跨度懸挑的設(shè)計方案，給結(jié)構(gòu)工程師不斷帶來新的挑戰(zhàn)。不同懸挑結(jié)構(gòu)方案對于結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)性、施工難易程度影響非常大，本文通過某已經(jīng)實際完成的工程進(jìn)行分析，給出了本工程的設(shè)計思路及設(shè)計過程。建筑效果圖如圖1所示。

1 工程概況

本工程為科學(xué)實驗樓，地上5層，地下1層，建筑高度23.80 m，建筑面積12 692.7 m2，地上建筑面積10 783.8 m2，地下建筑面積1 908.9 m2。立面設(shè)計著力于體現(xiàn)企業(yè)形象，主要出入口1層～3層建筑凹進(jìn)，4層，5層懸挑與主平面齊平，同時石材與玻璃幕墻的虛實結(jié)合，加之以條窗的陣列秩序感，塑造出了現(xiàn)代、簡約明快的建筑風(fēng)格特點(diǎn)，與科學(xué)實驗性質(zhì)的建筑使用功能相呼應(yīng)，彰顯出了嚴(yán)謹(jǐn)理性的建筑氣質(zhì)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期及設(shè)計使用年限均為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度7度(0.15g)，工程設(shè)計地震分組為第二組，場地類別Ⅲ類。主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，計算嵌固端取地下室頂板，框架梁、框架柱抗震等級均為二級。主要軸網(wǎng)尺寸為8.4 m×8.0 m，4層，5層懸挑最大跨度8.4 m，懸挑部位功能為開敞辦公區(qū)。結(jié)合建筑功能，同時綜合造價、施工等方面因素，最終選用鋼筋混凝土斜撐方案。考慮受力兼顧建筑使用，斜撐未設(shè)置于懸挑端部，斜撐角度控制在45°左右，另外在端部設(shè)置柱子，使結(jié)構(gòu)形成桁架，提高了結(jié)構(gòu)整體剛度。

計算模型及簡圖見圖2,圖3。

2 方案對比及整體分析

2.1 懸挑部分方案對比

4層，5層大跨度懸挑部分選用了以下4種方案進(jìn)行了對比分析：

1)懸挑梁采用型鋼混凝土梁；2)懸挑梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁；3)增設(shè)鋼支撐；4)增設(shè)混凝土支撐。

經(jīng)過計算，采用型鋼混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土懸挑梁，梁高需要1 200 mm，對于建筑層高有較大影響，且因增加了工序?qū)е率┕ぶ芷陂L、施工難度稍大，不予采用；鋼支撐或混凝土支撐方案均可滿足計算要求，同時建筑根據(jù)裝飾措施可解決支撐帶來的不利影響，考慮到鋼結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)造節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、施工困難，最終選用鋼筋混凝土支撐方案。

2.2 結(jié)構(gòu)整體分析

結(jié)構(gòu)分析采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計算軟件進(jìn)行計算，按照平面不規(guī)則進(jìn)行地震力組合分析，考慮了平扭耦連計算的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及雙向地震作用；對于4層，5層大懸挑相關(guān)區(qū)域樓板、2層共享大廳洞口周邊樓板，尚考慮樓板彈性，按照彈性樓板進(jìn)行計算分析，能夠準(zhǔn)確反映地震作用下結(jié)構(gòu)整體性能；整體計算時考慮施工次序的影響。

1層,2層及懸挑部位1層～5層框架柱截面750 mm×800 mm，3層～5層框架柱截面為650 mm×700 mm，懸挑部位邊柱截面500 mm×700 mm；內(nèi)部框架梁主要截面為300 mm×750 mm，外圈框架梁截面為300 mm×1 200 mm；斜撐截面為500 mm×600 mm。2層共享大廳洞口周邊樓板、共享大廳洞口上方3層樓板及懸挑相關(guān)區(qū)域樓板均為150 mm，并采用彈性板和剛性板包絡(luò)計算分析。

經(jīng)計算，結(jié)構(gòu)的第一周期為平動周期，振型曲線光滑正常，扭轉(zhuǎn)/平動周期比、剪重比、剛重比等指標(biāo)均滿足規(guī)范[1,3]要求，結(jié)構(gòu)水平位移滿足GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[1]的要求。結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)及主要計算結(jié)果詳見表1，表2。

表1 計算基本信息表(一)

表2 計算基本信息表(二)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計重點(diǎn)、難點(diǎn)分析

3.1 施工次序

與現(xiàn)場實際施工相結(jié)合定義合適的施工次序計算非常重要。因懸挑端部設(shè)置了吊柱，計算程序默認(rèn)3層、4層為一個施工次序，5層為一個施工次序，但實際整個4層平面僅存在兩根吊柱，這樣將兩層作為一個施工次序進(jìn)行施工極不合理。另外，懸挑部分為4層、5層兩層，整體形成空間桁架后受力更為有利。故設(shè)計時需要按照構(gòu)件手工指定施工次序，將懸挑區(qū)域3層～5層相關(guān)區(qū)域設(shè)定為一個施工次序，另外須在施工圖中予以詳細(xì)注明并在交底過程中與施工單位強(qiáng)調(diào)落實。經(jīng)過兩個方法對比，相關(guān)區(qū)域梁柱及支撐配筋均有比較大的變化。

3.2 彈性樓板包絡(luò)設(shè)計

JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[2]3.4.6條規(guī)定：當(dāng)樓板平面比較狹長、有較大的凹入和開洞而使樓板有較大削弱時，應(yīng)在設(shè)計中考慮樓板削弱產(chǎn)生的不利影響。第5.1.5條進(jìn)一步規(guī)定：當(dāng)樓板會產(chǎn)生較明顯的面內(nèi)變形時，計算時應(yīng)考慮樓板的面內(nèi)變形或?qū)Σ捎脴前迕鎯?nèi)無限剛性假定計算方法的計算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。對于2層樓板開大洞的洞口周邊樓板、洞口上方3層樓板及懸挑相關(guān)區(qū)域樓板斜撐區(qū)域樓板按照彈性板計算分析，并根據(jù)計算結(jié)果對樓板配筋進(jìn)行調(diào)整，并采用加厚樓板且雙層雙向配筋的構(gòu)造措施。

3.3 局部構(gòu)件配筋

懸挑部位混凝土斜撐與框架柱、框架梁相交，節(jié)點(diǎn)鋼筋復(fù)雜，鋼筋數(shù)量不宜過多，此范圍均采用大直徑鋼筋并按照實際比例進(jìn)行鋼筋放樣，保證施工可行性。

4 結(jié)論

通過對某大跨懸挑科學(xué)實驗樓地上結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從懸挑部分方案比選、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計、技術(shù)重點(diǎn)難點(diǎn)分析方面進(jìn)行了介紹和論述，相關(guān)結(jié)論如下：

1)針對不同需求的建筑，大懸挑結(jié)構(gòu)采用混凝土斜撐方案切實可行，不增加額外工序，經(jīng)濟(jì)性好，施工簡單。

2)采用混凝土斜撐及空間混凝土桁架方案進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)置合理的施工次序?qū)τ谟嬎憬Y(jié)果影響非常明顯，須結(jié)合實際情況正確考慮。

3)對應(yīng)開大洞洞口相鄰樓板及特殊受力部位的樓板，應(yīng)采用彈性樓板進(jìn)行復(fù)核計算，并采取相應(yīng)構(gòu)造措施加強(qiáng)。

4)特殊復(fù)雜節(jié)點(diǎn)需要考慮施工實際情況，進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計以保證結(jié)構(gòu)安全可靠、簡單易行。