某小學項目結構設計探析
——“先放后抗”理念在大跨度轉換結構上的創新應用

白若冰

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361009)

0 引言

大跨度轉換框架結構的受力特性與整體空腹桁架結構類似，在傳統計算方法與常規施工手段下，部分區域的構件設計存在困難。本文著重以某小學項目的1#樓為例，通過創新結構設計手法，指導調整現場施工流程，干預自重荷載在結構內部的分配比例，從而高效解決上述難題，并最終實現建筑意圖。

1 工程概況

某小學位于廈門市翔安區馬巷鎮，項目總建筑面積為29 665 m2，其中地上建筑面積18 379.08 m2，半地下室建筑面積6912.10 m2，全埋地下室建筑面積2186.91 m2。主體建筑由1#樓(教學辦公綜合樓)、2#樓(教學藝術綜合樓)、3#樓(連廊)與地下室組成。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

主體結構采用型鋼混凝土組合框架結構體系。建筑抗震設防類別為重點設防類，結構安全等級為一級；所在地區的抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.15 g，設計地震分組為第三組，場地類別Ⅱ類，特征周期Tg=0.45 s；50年一遇的基本風壓0.80 kN/m2，地面粗糙度B類。

項目用地西北低、東南高，存在近5 m的高差。建筑方案充分借用地勢，拾級而上，設置半地下架空層，以減少填土方量(圖2)；架空層結合下沉庭院，作為學生活動場地。為了保證該層的通透性，同時簡化結構方案，將支擋結構與主體結構完全脫開，布置獨立的鋼筋混凝土擋土墻，由巖土工程單位進行合作設計。擋土墻走向如圖3所示。

圖2 建筑剖面分析圖

考慮到教學樓屋頂均用作分班種植園地，且架空層頂作為綠化種植屋面，建筑專業要求盡可能減少結構斷縫的數量。故初步方案階段，僅在3#樓連廊兩端、地下室架空層邊界，以及2#樓中部位置設置了抗震縫，位置如圖3所示。

上述需求導致結構超長不可避免。以1#樓為例，一層樓面東西向長度約102 m，南北向長約62 m，遠超出《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)[1]第8.1.1條現澆框架結構伸縮縫最大間距55 m限值要求。除了合理設置施工后澆帶，要求加強施工階段養護、樓板鋼筋雙層雙向通長布置等常用措施外，補充整體結構溫度作用分析，在樓板應力較大部位適當增加板厚，并加密通長鋼筋。構件按考慮溫度工況結果進行配筋設計；且沿主體長向的梁內設置抗扭腰筋，適當增大腰筋直徑并縮小間距。

2 1#樓大跨度轉換結構布置方案

2.1 基本情況

項目的1#樓坐落于場地東北側，主結構地上4層，帶一層半地下室。負一層層高4.8 m，一層層高4.2 m，其余層層高3.9 m。從室外地面算起，主要結構高度為21.0 m。局部下沉庭院位置，結構高度為23.2 m，均未超過24 m，屬于多層公共建筑。框架抗震等級為二級、部分大跨度框架抗震等級為一級。普通教室樓板采用裝配箱現澆混凝土密肋樓蓋，其余位置均為梁板式現澆混凝土樓蓋。整體計算模型如圖4所示。

建筑平面呈閉口U型，端頭布置有室外露臺或活動平臺且逐層退臺收進。鑒于平面形狀復雜，考慮多迎風面影響，風荷載體型系數適當放大，且疊加考慮其他風向角度(73°和163°)下的荷載工況。

負一層～一層的東南角設有兩層通高階梯教室，平面尺寸為20.4 m×21.1 m。其上二層為閱覽區，三～四層為普通教室。故結構設計面臨的第一個難題，是利用階梯教室進行大跨度結構轉換，以滿足空間內無柱的建筑功能需求，如圖4所示。

圖4 整體結構模型

2.2 轉換樓蓋平面布置

考慮到二層轉換樓蓋與上層平面斜交疊合，為便于轉換，其內依照上層柱網朝向，布置雙向正交斜放井字梁網格。結合上部開間尺寸，網格按2.5 m～3.2 m設置。沿井字梁與周圈邊支撐框架梁的交接點，設置12根非等柱距的型鋼混凝土框架柱。除托柱轉換梁采用型鋼混凝土梁外，其余均采用普通鋼筋混凝土梁。樓蓋布置如圖5所示。

圖5 二層轉換樓蓋平面布置圖

2.3 規則性指標自查

1#樓為多層公共建筑，不屬于《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質〔2015〕67號)中所規定的超限建筑工程，因而無需進行抗震設防專項審查。

自查發現，本工程具有扭轉不規則、凹凸不規則、樓板不連續、尺寸突變、構件間斷這五項一般不規則指標，且二層存在個別穿層柱，屬于特別不規則的建筑工程。因此，設計階段采取針對性措施與構造手段，對關鍵構件及薄弱部位進行詳細分析與構造加強，力求整體結構具有足夠的抗震性能與承載力冗余度，以減少不規則方案帶來的不利影響。

3 大跨度轉換結構的傳統計算方案

3.1 常規施工流程

對于大跨度轉換框架結構，當轉換層及其上抬常規樓層的總層數不多(通常按3層)時，現場施工一般采用如下工藝流程：

搭設滿堂腳手架→轉換層模板安裝→鋼筋綁扎→轉換層混凝土澆筑及養護→搭設常規樓層滿堂腳手架→模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養護→其后各層依次重復→整體混凝土強度等級達到100%→逆向拆除各常規樓層模板與腳手架→拆除轉換層模板與腳手架以實現整體卸載。

3.2 考慮施工過程影響的初算成果

依據常規施工流程，為保證整體轉換結構的受力準確性，結構分析時，應根據現場施工工藝及拆模特點，考慮施工過程的影響，手工修改計算模型轉換層及上部樓層合并為同一施工次序。

結合1#樓實際情況，初算時全樓合并為同一施工次序。計算結果表明，如圖6所示，恒荷載作用下，臨近轉換樓蓋周圈框架柱的支座區域，構件承受的荷載最大，導致內力集聚效應明顯，且構件彎矩的反彎點均位于中部。這說明，大跨度樓蓋與上部框架成為一體，共同呈現出空腹桁架式的變形特征與受力特點。

(a)變形狀態圖 (b)彎矩示意圖圖6 恒載作用下L軸整體轉換框架計算結果

3.3 “以抗為主”計算方案的優缺點

這種依賴于大跨度空腹桁架體系硬抗受力以實現跨越的傳統計算方案，其優缺點都較為明顯。優點在于，相較于僅靠底部大跨度樓蓋受力的非空間結構轉換方式：(1)空間剛度更大，整體豎向變形更小；(2)同等變形約束條件下，轉換梁成為桁架下弦桿，其受力相對較小，故截面尺寸可設計的更小。缺點在于：支座區域構件受力大，導致截面容易抗剪超限或配筋過大，需要投入更多的結構材料(例如增大梁柱斷面或加密支撐柱網等)，可能影響建筑功能或立面造型。

4 基于“先放后抗”理念的結構設計實踐

4.1 建筑方案的限制

本項目結構設計面臨的另一項挑戰是：方案中1～3#樓，共同圍合成了開放式中庭空間(圖7)。為保持視覺效果一致性，建筑專業要求各棟高度、造型與功能均不相同的主樓，其中庭位置的外露圓柱截面尺寸必須一致。

圖7 中庭透視圖

經試算，在2#樓負一層個別圓柱、3#樓負一層～二層的全部圓柱采用型鋼混凝土柱，其他采用普通鋼筋混凝土柱的情況下，兩棟樓的圓柱直徑可統一成700 mm。

1#樓的情況則相對復雜，當三層以下采用型鋼混凝土柱，其上過渡為鋼筋混凝土柱時，整體計算指標可滿足規范[2]要求。

但是，該結構方案的構件設計存在較多難題：(1)考慮支撐柱網加密，將1-KZ3(圖8)升至三層板面后，仍然無法解決1-KZ1截面抗剪超限問題；(2)各型鋼柱配筋面積過大(例如三層1-KZ2的配筋面積高達123 cm2)，導致構造困難。倘若簡單增大截面尺寸，則2、3#樓必須一并調整，勢必增加結構成本。可見，傳統計算方案難以滿足建筑專業的需求。

圖8 L軸框架立面示意圖

4.2 “先放后抗”的創新設計理念

從分析可知，大跨度轉換結構自重等于帶轉換層的下部結構重量與上部結構重量，兩者之和。整體施工卸載帶來的空間變形協調效應，使得總重量在兩者之間線性分配。由于上部框架剛度弱，故大跨度樓蓋在自身重量下的撓曲變形對其造成巨大負擔，產生較大的次生內力，這是造成結構設計困難的主要原因。

由此可見，1#樓遇到的難題是由傳統計算方案的內在特性所決定的。考慮到總質量幾乎恒定且線性分配過程無法避免，只能盡量降低上部結構的分擔比例，轉由下部結構先行承擔。

為此，筆者提出“先放后抗”的大跨度轉換結構設計新理念：在大跨度轉換樓蓋施工完畢且混凝土強度等級滿足設計要求后，通過可靠的施工措施，先行釋放其自重下的變形，令該部分荷載由自身承擔。隨后，施工上部各樓層，整體結構完工后再次卸載，共同抵抗剩余重量，承受風荷載與地震作用。

4.3 兩種計算方案的結果對比

為實現“先放后抗”的結構設計理念，對計算模型的施工次序進行合理調整，如表1所示。

表1 兩種計算方案的施工次序

表2列出了恒荷載下兩種計算方案的豎向位移。數據說明，“先放后抗”計算方案，利用了軟件模擬施工3的算法優勢，當上部樓層加載時，下部轉換層已施工完畢并經找平處理，后者的變形對前者不產生影響。該算法既釋放了轉換樓蓋的變形，又大幅降低其對上部框架的影響(B點框架柱豎向位移減少45%)，結構設計新理念得以實現。

表2 恒載下的豎向位移

上部框架的內力變化趨勢(表3)證明，自重下分擔比重的下降，令支座區域框架柱內力出現較大幅度的降低。1-KZ2的彎矩與剪力分別減少20.8%和19.8%；1-KZ1亦可滿足受剪承載力需要，中庭圓柱截面尺寸實現了統一。

表3 二層柱截面控制內力設計值

需要注意的是，新方案托柱轉換梁1-TZL處的最大豎向位移增加13%，導致設計內力出現不同幅度的增長，如表4所示。這說明，下部結構多承擔了部分自重，設計時應適當增大其安全儲備。據此，在滿足階梯教室凈高要求的前提下，調整樓蓋范圍梁高至1.4 m，補充計算了豎向地震作用，并對關鍵構件進行性能化設計。

表4 轉換梁1-TZL截面控制內力設計值

4.4 配套施工流程

為確保整體結構受力與計算方案相吻合，設計文件中對施工流程規定如下：

搭設滿堂腳手架→轉換層模板安裝→鋼筋綁扎→轉換層混凝土澆筑及養護→樓蓋混凝土強度等級達到100%→調整腳手架頂托以臨時卸載→自重變形穩定后回頂緊密→搭設常規樓層滿堂腳手架→模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養護→其后各層依次重復→整體混凝土強度等級達到100%→逆向拆除各常規樓層模板與腳手架→拆除轉換層模板與腳手架以實現整體卸載。

同時，要求施工單位編制符合上述流程的專項施工方案，并建議進行專家論證。施工嚴格按專項方案進行實施。

4.5 變形觀測及結果

除此之外，要求在轉換樓蓋的中心點與跨度方向臨近四等分點處設置5個觀測點，以監控施工全過程的樓蓋豎向變形值。施工單位結合現場實際情況，布置了觀測點G1～G5，具體位置如圖9所示。

圖9 轉換樓蓋變形觀測點布置

截至2021年3月，項目主體結構已全部封頂，砌體工程接近完成，裝飾工程正在進行中，大跨度轉換樓蓋主體完工實況如圖10所示。

圖10 大跨度轉換樓蓋工程圖

期間共進行兩次變形觀測，分別是轉換樓蓋臨時卸載時(T1)和整體結構卸載時(T2)。如圖11所示，轉換樓蓋對角線上的變形曲線呈鍋底狀，位移中心大、四周小，類似雙向板的受力形態，與程序分析結果相近。且隨施工過程開展，跨中變形值逐漸增大，但均小于相應階段樓蓋自重下的最大變形計算數值，說明整體結構具有良好的空間受力性能。

(a)G1，G3，G5觀測點 (b)G2，G3，G4觀測點圖11 各觀測點豎向變形曲線

5 結論

本文以某小學1#樓的大跨度轉換框架結構為載體，研究了“先放后抗”理念在具體項目中的應用，得到如下結論：

(1)常規大跨度轉換框架結構的邊支座區域存在內力集聚現象，故而構件設計較為困難，這是由其整體空腹桁架式內在受力特性所決定的；

(2)創新的計算方案與施工工藝相結合，令轉換樓蓋的自重變形先行釋放，再由整體結構共同抵抗剩余荷載，能有效降低此類結構的設計難度，以滿足建筑功能與造型需要；

(3)實測變形數據與模型計算結果相近，結構整體性良好且空間受力性能優良，客觀證明上述理念運用于工程實踐是可行的。