鋼結構設計方案簡化

鄒曉帆

（北京首創華業房地產開發有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著我國已建成的建筑越來越多，人們對日新月異的生活文化需要的增加，建筑的功能和質量成為人們關注的一個焦點，同時，我國也是一個人均資源占有量相對緊缺，能耗總量相對較大的國家。發展循環經濟，保護生態環境，實現可持續發展成為國家的發展目標，目前最適宜的結構首推鋼結構。

鋼材于其他建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比，強度要高得多，彈性模量也高，因此結構構件質量輕且截面小，特別適用于跨度大，荷載大的構件和結構。鋼結構自重輕，可以減小地震作用，進而減小結構內力，還可以使基礎的造價降低。由于鋼材的強度高，構件截面小，所占空間也就小。以相同受力條件的簡支梁為例，混凝土梁的高度通常是跨度的1/10~1/8，而鋼梁約是1/16~1/12，有效的增加了房屋的層間凈高。由于鋼材內部原子排列均勻接近各向同性，鋼結構的實際工作性能比較符合目前采用的理論計算模型，因此可靠性高。同時，因鋼材塑性、韌性好，耗能能力強，一般不會因超載而發生突然斷裂，適于承受動力荷載和沖擊荷載，抗震性能非常優越[1]。

1 鋼結構設計情況介紹

某配套中小學位于北京市，總建筑面積為23296m2，其中地上建筑面積16776m2，地下建筑面積6520m2。由三個相連的單體建筑組成，之間由抗震縫分開，地下一層，地上五層，三個建筑圍護的位置有下沉庭院。

北樓首層為地下一層的風雨操場的上空范圍，開洞尺寸為36.65m×20.00m，形成樓板開洞的情況，屬于結構平面不規則，而且為了滿足風雨操場使用功能要求，保證籃球場內沒有柱子，在風雨操場頂的位置設計了轉換鋼桁架將從3.980m標高開始的鋼框柱進行了轉換框支，框支的范圍為2~4軸的位置，共有6根鋼框柱，框支轉換桁架梁的軸線跨度為19.500m，屬于大跨度框支轉換。

東樓地下一層為報告廳、維修用房、給水泵房、消防水泵房等功能房間，由于報告廳為大空間房間，需要將柱子位置移動避免遮擋后排視線，柱距變為13.8m，地上同位置柱距為10.5m，形成框支轉換。

整個項目北樓、東樓、南樓圍成的室外區域設置了-6.100m深的下沉庭院，使得三個單體建筑在-1層的職位缺少部分側限，對結構設計產生不利影響。根據北京市建設工程施工圖設計文件審查專家委員會房屋建筑組的《北京市建設工程施工圖設計文件審查專家委員結構專業相關問題研討會紀要2015（京施審專家委房建〔2015〕結字第1號）》6.1條的要求，緊鄰下沉式庭院的地下一層外墻，當起總長度大于建筑面積總周長的1/4或某側的長度大于相應單邊邊長的1/2時，整體結構應分別按嵌固在地下一層頂板和地下二層頂板兩種計算模型進行包絡設計；底部加強部位應延伸至地下一層。結構計算的設計高度需要從基礎頂算起，即7.3+21=28.3m，已經需要執行高鋼規設計規范[2]。

根據以上各條原因，將三個單體建筑設置抗震縫分開，單獨進行結構計算，保證這個項目不出現三項不規則的情況，避免成為超限建筑。

2 各單體建筑的結構設計介紹

2.1 北樓設計情況

北樓地下一層建筑層高為5.7m，由于地下一層室外為下沉庭院，結構埋深需要從下沉庭院室外標高開始向下計算結構基礎埋深，深度需大于房屋高度的1/15，結合地勘報告確定基礎埋深為-7.700m，筏板厚度400mm，地基進行CFG地基處理。由于產生框支，只有周圈的框架柱將重力傳遞至基礎筏板，所以在筏板上設置了1.8m高的地基梁平衡變形。地上的鋼框架柱在地下一層為型鋼混凝土柱，在地下一層的層高范圍可以形成外包柱腳。北樓北側和西側地下一層直徑緊鄰覆土，但是首層為風雨操場的開洞范圍，如果將外圈框架柱之間用混凝土墻連接在一起的話，會造成土壓力直接傳遞到框架柱上，正負零位置沒有樓板，且內側有下沉庭院，缺少另外一側的土壓力來平衡，只能靠結構自身截面和配筋程度土壓力，再加上地下一層7.3m的結構高度，首層4.2m的層高，在土壓力和地震荷載共同作用時，地下一層的框支柱的外側柱底彎矩太大，結構方案嚴重不合理。為了解決這個結構難題采取了外擋土墻和型鋼混凝土柱分開，之間留設變形縫的做法，在北側型鋼混凝土柱外側單獨設計了一道擋土墻，墻頂標高至-1.600m，上側設置蓋板。此結構方案的優勢是簡化的整個建筑的受力傳遞路徑，將土壓力完全由擋土墻自己承擔再傳遞給基礎。北樓結構受力完全靠主體結構自身承擔，結構體系明確，減輕了型鋼混凝土的所受荷載[3]。

通過和外審老師的溝通，并結合《北京市建設工程施工圖設計文件審查專家委員結構專業相關問題研討會紀要2015（京施審專家委房建〔2015〕結字第1號）》4.1條的要求，乙類建筑采用單跨框架的建筑超過3層時應進行大震彈塑性變形驗算。北樓選取了性能目標C的性能進行設計，并保證框支柱、框支桁架的大震彈性承載力。模型建立時將首層和二層作為一個層單位，層高9900mm，上面幾層為標準層，層高4200mm，出屋面樓梯間層高3500mm。設計地震分組為二組，地震烈度為Ⅷ度（0.2g），場地類別為Ⅲ類場，特征周期為0.55s。阻尼比按材料區分，混凝土是0.050，鋼結構是0.040，型鋼混凝土是0.050；特征周期在罕遇地震時為0.60s。阻尼比按材料區分，混凝土是0.070，鋼結構是0.040，型鋼混凝土是0.050。為了抵抗框支型鋼混凝土柱靠近建筑型心，周邊剛度弱，在東西兩側框架間設置屈曲約束支撐來增加周邊鋼筋，保證第一振型為平動。

罕遇地震作用彈塑性層間位移值如下，其中X方向地震作用下的樓層最大位移如表1所示，Y方向地震作用下的樓層最大位移如表2所示。

表1 X方向地震作用下的樓層最大位移

表2 Y方向地震作用下的樓層最大位移

在彈塑性層間位移的計算結果中，首層轉換部位滿足彈性變形2倍，高于性能4的要求，X向3層位置的位移為1/47，超過規范要求的1/50的限制，但是3層位置已經是結構薄弱位置以外的范圍，嚴格保證首層的大跨度單跨框支轉換的位置的彈塑性層間位移滿足規范要求，其他位置承載力能夠達到大震不屈服的要求，彈塑性層間位移可適當放寬，滿足高彈性低承載力的設計理念[4]。

罕遇地震設計下，屈曲約束支撐按照《建筑消能減震技術規程》（JGJ 297—2013)的要求，需要采用承載型，承載型屈曲約束支撐是指利用屈曲約束的原理來提高支撐的設計承載力，保證支撐在屈曲前不會發生失穩破壞。

抗震性能目標選取性能C時，對應設防烈度性能水準3，罕遇地震設計時性能水準4。特別要求框支柱和框支桁架梁達到大震彈性承載力。指定方式依據表3中的原則。

表3 抗震性能目標

2.2 東樓設計情況

東樓地下一層為報告廳、維修用房、給水泵房、消防水泵房等功能房間，由于報告廳為大空間房間，西側室外為下沉庭院，東側室外為覆土；東樓北段為衛生間、樓電梯間和變配電室的夾層；東樓南端為樓電梯間和學生餐廳。整個東樓的地下一層有-7.2m、-6.1m和-5.7m多種地面標高，建筑功能較多，設計難度較大。

東樓首層為學校主入口，東側為學校入口大門，西側為教學樓的室外平臺可俯瞰下沉庭院。東樓南北方向總長度為91.3m，東西向總長度為21.7m。

2~3層的東側為各類教室，西側為通高中庭，四層的東側為舞蹈教室和音樂教室，西側為通高中庭。由于存在3層的通高中庭存在，造成最西側的鋼框架柱越三層，計算長度很大。

在結構設計階段，為保證中庭的通高效果，在層間中庭的位置框架梁沒有連接到西側的鋼框架柱上面，只有存在樓板相連的位置將鋼框架梁貫通連接，對結構設計帶來很大難度。

為了滿足抗側剛度的需要，在6、9、C、D、J、K軸設置耗能型屈曲約束支撐來滿足層間位移角的要求，有效減小了梁、柱的截面尺寸，降低結構用量。將中庭開大洞對結構造成的影響完成承擔了過去。主要抗側力剛度傳遞到設置的屈曲約束支撐的每一榀鋼框架中去。模型計算中同樣進行了包絡設計，采用了有地下室的模型，和沒有地下室的模型分別計算，兩種模型下均滿足結構指標要求[5]。

2.3 南樓設計情況

南樓地下一層為學校廚房和文化藝術室，北側室外為下沉庭院，南側室外為覆土，西側與地下車庫相連，中間設置沉降縫將結構分開，東側與東樓南端相連，中間設置抗震縫。

南樓地上首層至四層均為普通教室及教室辦公室，結構平面規則。地下室外墻和地下室框架柱連接在一起，地下一層頂有結構樓板，能夠4跨的連續框架，加上剛性樓板的作用，可以有效傳遞水平力至每一根柱子，均勻分擔了土壓力的作用。

3 業主方設計階段工作

作為業主方，在此項目設計階段工作尤為重要，由于項目較復雜，為了滿足建筑的一些特殊功能和效果要求，結構需要增加很多成本，需認可此方案帶來的結構影響、造價影響和施工影響。在方案落地前，業主需組織設計院咨詢外審專家，對大跨度框支轉換的安全性進行評估，確保不出現超限論證的風險。

4 結語

現代建筑已經不只是滿足人民的功能需求的單一要求，還有滿足審美需要和多重使用用途相結合的特點。鋼結構的快遞發展和應用給建筑帶來的更多的可能性。讓更高更新穎的建筑能夠得以落地，不僅期待房子建筑的速度快，而且要求房子環保綠色，還要有自己的個性。

在設計階段通過有效、準確的結構概念分析，確定準確的結構方案，簡化結構體系，明確傳力路徑，能夠用簡單的方法解決復雜的結構問題，增加結構的安全性是設計前期最重要的工作。業主方在設計階段緊密參與，規避設計風險，準確決策能夠有效的推薦設計進度，節省大量重復勞動，為設計質量帶來最有力的保障。