某圓環(huán)形教育建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

赫明月阮林旺 丁祝紅

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

1 工程概況

西交利物浦大學(xué)太倉校區(qū)教學(xué)區(qū)項目（圖1）位于江蘇省太倉市科教創(chuàng)新區(qū)，基地東西兩側(cè)為城市次干道，南鄰江南路，北接禪寺路。建筑平面整體以大圓環(huán)串聯(lián)7棟U形學(xué)院建筑，圓環(huán)直徑達322 m，周長約1000 m。總建筑面積約25.5萬m2，其中地下面積約4.8萬m2，地上面積約20.7萬m2。

圖1 教學(xué)區(qū)建筑效果圖Fig.1 Architectural rendering

教學(xué)區(qū)建筑地下1層，被校園內(nèi)的Y形河流分為3個獨立的地下室。由于建筑形體及其構(gòu)件布置的不規(guī)則程度較高，且建筑平面尺寸較大，為此，本項目綜合考慮建筑效果與結(jié)構(gòu)平面形態(tài)的合理性，設(shè)7道抗震縫（兼溫度伸縮縫），將上部建筑分為9個獨立的結(jié)構(gòu)單元（圖2），包含3個雙U形建筑（分別為AB區(qū)、DE區(qū)、FG區(qū)），1個單U形建筑（C區(qū)），3個跨河道連接體（分別為AG、BC、EF連接體），及2個環(huán)內(nèi)點狀建筑（分別為H區(qū)、J區(qū)）。

圖2 結(jié)構(gòu)分縫示意Fig.2 Diagram of structural joints

教學(xué)區(qū)建筑室內(nèi)外高差0.15 m，各U形建筑地上5層，1層層高5.76 m，2～3層層高4.6 m，4～5層層高4.2 m，結(jié)構(gòu)高度23.51 m；AG、BC、EF跨河道連接體地上3層，1層架空，1層層高5.76 m，2層層高4.6 m，3層層高5 m，結(jié)構(gòu)高度15.51 m；圓環(huán)中央的2個點狀建筑，北側(cè)較大的H區(qū)地上3層，各層層高均為4.5 m，結(jié)構(gòu)高度13.65 m；南側(cè)較小的J樓地上1層，結(jié)構(gòu)高度4.65 m；圓環(huán)上方設(shè)置有通長屋頂裝飾構(gòu)架，構(gòu)架頂標(biāo)高30.66 m。

主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。

自然條件：①50年一遇基本雪壓0.40 kN/m2；②50年一遇基本風(fēng)壓0.50 kN/m2，場地粗糙度類別B類；③抗震設(shè)防烈度7度（0.1g），設(shè)計地震分組第一組，建筑場地類別Ⅳ類，特征周期Tg=0.65 s；④基本氣溫最低-4℃，最高36℃。

2 結(jié)構(gòu)體系選型

本項目地上由抗震縫劃分為3種類型的建筑，分別為U形建筑、跨河道建筑、點狀建筑。其中圓環(huán)內(nèi)2個點狀建筑層數(shù)不多、柱網(wǎng)間距不大，采用常規(guī)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系；7個U形建筑及3個跨河道建筑由于特殊的建筑造型及效果要求，設(shè)計前期對其結(jié)構(gòu)體系進行了比選。

2.1 U形建筑結(jié)構(gòu)

本項目建筑方案采用多個U形建筑，存在建筑平面凹凸不規(guī)則程度較高的問題，使得結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)嚴重，包括結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期靠前、扭轉(zhuǎn)位移比超出規(guī)范要求等。因此設(shè)計時針對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則共提出3種解決方案：方案1，調(diào)整柱網(wǎng)尺度及梁柱截面尺寸；方案2，增設(shè)剪力墻；方案3，增設(shè)鋼支撐。

方案1通過修改柱網(wǎng)尺度及調(diào)整結(jié)構(gòu)端部梁柱截面尺寸，進而調(diào)整結(jié)構(gòu)整體的剛度分布，此種方法對結(jié)構(gòu)的抗扭剛度影響有限，會造成加強部位梁和柱的尺度超常，對空間影響極大。在控制尺度下，結(jié)構(gòu)周期比與位移比極易超限，指標(biāo)難以尋找到平衡點。

方案2在U形建筑的端部增設(shè)剪力墻，形成少墻框架結(jié)構(gòu)［1］。此方案可以有效增加結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)剛度與抗側(cè)剛度，可以控制周期比與位移比指標(biāo)。缺點在于剪力墻會對該位置挑出空間使用造成較大的影響；且剪力墻對剛度貢獻較大，地震力集中，超筋問題難以解決。

方案3在U形建筑的端部增加鋼支撐，形成（少）鋼支撐-混凝土框架結(jié)構(gòu)［2］。此方案可以有效增強結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力，控制層間位移。支撐布置形式多樣且較為靈活，對空間的影響較小，也可以隱藏在樓梯間等現(xiàn)有隔墻內(nèi)，且鋼支撐不存在剪力墻較難解決的超筋問題。

本項目最終與建筑專業(yè)協(xié)商確定，U形建筑采用增設(shè)鋼支撐的方案，結(jié)構(gòu)體系采用（少）鋼支撐-混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計時進行有支撐與無支撐兩種計算模型的包絡(luò)設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)越性。

2.2 跨河道建筑結(jié)構(gòu)

本項目大圓環(huán)下方有Y形河流穿過，在3條河流上方形成了3個特殊的跨越河道的建筑，其中西側(cè)EF連接體跨度最大達92 m，跨躍河道處跨度約38 m（圖3），現(xiàn)以該處為例進行方案比選。

圖3 EF連接體1層示意圖Fig.3 First storey plan of EF zone

結(jié)構(gòu)設(shè)計時結(jié)合建筑要求，比選了4種可能的結(jié)構(gòu)方案：方案A，密柱方案；方案B，頂層大梁吊掛方案；方案C，跨層桁架方案；方案D，頂部斜拉方案。4種方案結(jié)構(gòu)計算模型如圖4所示。

圖4 跨河道建筑結(jié)構(gòu)方案Fig.4 Structure scheme of crossing-river building

方案A為常規(guī)結(jié)構(gòu)方案，一層柱距約18 m，柱直徑900～700 mm，上部樓層柱距約8.4 m。二層轉(zhuǎn)換梁截面700 mm×1400 mm，上部樓層梁400 mm×800 mm。此方案在河道內(nèi)設(shè)置有結(jié)構(gòu)柱，對建筑效果有一定影響。

方案B在河道兩邊設(shè)置直徑1500 mm的V形圓柱，上部樓層柱距約8.4 m，屋頂采用轉(zhuǎn)換大梁吊掛下部結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換梁截面為900 mm×2300 mm，吊柱為直徑800 mm的圓柱。此方案結(jié)構(gòu)抗橫向傾覆能力不足，吊柱在配置型鋼的情況下配筋率仍非常大，同時吊掛大梁過大，影響跨河道教學(xué)區(qū)的建筑功能。

方案C在1層設(shè)置4排共12根柱，上部樓層柱距約8.4 m，在2層利用樓層高度設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架。柱直徑1200～800 mm，作為桁架弦桿的樓面梁800 mm×1000 mm，桁架斜腹桿截面600 m×600 m，上部樓層梁400 mm×800 mm。此方案受力清晰，傳力合理，不影響相鄰區(qū)域結(jié)構(gòu)布置，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較小，基本能滿足建筑底層大空間的效果要求，并取得較好的經(jīng)濟性。

方案D設(shè)置4排共12根落地柱（邊柱兩排共8根，河道邊兩排共4根），利用河道邊4根落地柱升至屋頂，通過斜拉索吊掛下部結(jié)構(gòu)。

在與建筑專業(yè)及建設(shè)單位多次溝通后，本項目跨河連接體采用方案D，在保證結(jié)構(gòu)受力合理的前提下，能達到最好的建筑效果。

3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

3.1 地震作用下樓板應(yīng)力分析

本項目建筑平面呈U形，凹凸不規(guī)則程度較高，且存在多處樓板不連續(xù)等情況，需進行地震作用下的樓板應(yīng)力分析。

樓板作為主要水平抗側(cè)力構(gòu)件，與豎向抗側(cè)力構(gòu)件一起形成一個完整的抗側(cè)力體系，在地震過程中將水平力傳遞和分配給豎向抗側(cè)力構(gòu)件，協(xié)調(diào)同一樓層中豎向構(gòu)件的變形。在水平地震工況作用下，樓板設(shè)計性能目標(biāo)如下：

（1）小震下樓板混凝土不開裂，即：小震作用下，按使用極限狀態(tài)進行抗裂設(shè)計，設(shè)計目標(biāo)為樓板混凝土主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值不大于樓板混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）中震下樓板鋼筋不屈服，即：中震和豎向荷載作用下，按承載力極限狀態(tài)進行強度設(shè)計，設(shè)計目標(biāo)為受拉區(qū)鋼筋主拉應(yīng)力設(shè)計值不大于鋼筋抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

分析表明，加厚大開洞周邊樓板、加大薄弱部位及其上下層樓板厚度，對于較大的洞口均采用梁封邊，控制框架柱截面從上到下截面不變且適當(dāng)加大框架梁截面等加強措施，能有效增強結(jié)構(gòu)整體性，控制地震作用下樓板應(yīng)力處于較低水平。

本項目對薄弱部位樓板厚度加厚至150～200 mm，同時對應(yīng)力集中區(qū)域附加配筋雙層雙向C8@150～C10@100，可滿足樓板“小震混凝土不裂、中震鋼筋不屈服”的性能目標(biāo)。圖5為地震作用下典型樓板應(yīng)力計算結(jié)果。

圖5 地震作用下典型樓板應(yīng)力計算結(jié)果Fig.5 Results of typical floor stress under earthquake load

3.2 溫度荷載下樓板應(yīng)力分析

本項目圓環(huán)建筑總周長約1000 m，分縫后結(jié)構(gòu)單元長度最大約200 m，仍遠超《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［3］中55 m的限值，屬超長結(jié)構(gòu)，溫度荷載下的樓板應(yīng)力問題不可忽視。

假定結(jié)構(gòu)后澆帶封閉時的溫度取+10℃～+20℃，本項目所在地環(huán)境溫度最高36℃，最低-4℃，可知使用環(huán)境最大升溫為26℃，最大降溫為-24℃。計算混凝土收縮量時，根據(jù)王鐵夢所著《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》［4］，溫度變化值需考慮混凝土等效收縮降溫的影響，本項目等效收縮降溫為-9.6℃，故計算升溫為16.4℃，計算降溫為-33.6℃。由于降溫溫差大，且降溫時樓板產(chǎn)生拉應(yīng)力，故以下對降溫工況進行分析。

根據(jù)各樓溫度應(yīng)力計算結(jié)果可知，在降溫工況作用下，地上大部分樓板應(yīng)力處于2 MPa以內(nèi)，僅有局部區(qū)域應(yīng)力較大。因此本項目按雙層雙向配置樓板鋼筋，對應(yīng)力較大的局部區(qū)域附加雙層雙向C8@150鋼筋可抵消溫度應(yīng)力的不利作用。圖6為降溫荷載工況下典型樓板應(yīng)力云圖。

圖6 降溫工況典型樓板應(yīng)力計算結(jié)果Fig.6 Results of typical floor stress under temperature load

3.3 跨河道頂部斜拉結(jié)構(gòu)設(shè)計

Y形河流上方三處跨河道建筑采用頂部斜拉的結(jié)構(gòu)方案，這是一種較新穎的建筑結(jié)構(gòu)形式，借鑒了斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的概念，利用本項目建筑造型中4根屋頂構(gòu)架立柱作為塔柱，由塔柱向下布置高強度熱鍍鋅鋼絲束，拉索下節(jié)點布置在對應(yīng)下部樓層的鋼立柱處，以吊掛住下部三層結(jié)構(gòu)。采用此體系結(jié)構(gòu)傳力途徑明晰、受力高效合理，滿足建筑美觀要求、并契合該項目設(shè)置屋頂構(gòu)架的造型特點。

4根河道邊的落地中柱采用截面為1400 mm×40 mm的CFT圓柱，8根落地邊柱采用截面為800 mm×30 mm的CFT方柱，2層及以上非落地柱采用800 mm×30 mm的鋼管柱，各層樓面主梁采用截面為1000 mm×300 mm×20 mm×36 mm的箱型鋼梁，鋼次梁截面為600 mm×200 mm×12 mm×18 mm～400 mm×200 mm×8 mm×14 mm，鋼材強度等級Q390B，拉索采用?7 mm×（109～223）（雙索）高強度熱鍍鋅鋼絲束，公稱抗拉強度不小于1570 MPa。

結(jié)構(gòu)設(shè)計時，借鑒了斜拉橋及相關(guān)大跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工經(jīng)驗［5-7］，同時采用SAP2000軟件對本項目獨有的特點進行分析［8］，包括施工階段的詳細分析、拉索初始張拉力的優(yōu)化，針對弧形平面設(shè)置面內(nèi)支撐、考慮樓板剛度退化、考慮斜拉索應(yīng)力松弛，并進行防連續(xù)倒塌分析、考慮活荷載不均勻分布、進行樓蓋振動舒適度分析，確保了整體結(jié)構(gòu)的安全、合理、高效。

3.4 圓環(huán)屋頂構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目圓環(huán)上方設(shè)置有通長屋頂裝飾構(gòu)架，構(gòu)架根據(jù)下方結(jié)構(gòu)標(biāo)高不同，從3層屋面或5層屋面起始，構(gòu)架頂標(biāo)高30.66 m。建筑效果要求3層屋面上方近15 m高構(gòu)架立柱截面需盡可能小，設(shè)計時根據(jù)結(jié)構(gòu)布置特點，加強5層屋面上方短小立柱，將3層屋面上方立柱設(shè)計為兩端鉸接的搖擺柱（圖7），大大減小了此立柱的內(nèi)力，柱截面可由長細比控制減小為350 mm直徑圓柱，成就建筑纖細之美。

圖7 屋頂構(gòu)架搖擺柱示意Fig.7 Swing column of roof frame

4 結(jié) 語

（1）U形建筑扭轉(zhuǎn)效應(yīng)嚴重時，可采用增設(shè)少量鋼支撐的方式調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，結(jié)構(gòu)設(shè)計時對有支撐和無支撐兩種模型進行包絡(luò)設(shè)計。

（2）大跨建筑可合理利用建筑造型立柱，借鑒斜拉橋的設(shè)計思路，采用頂部斜拉結(jié)構(gòu)，設(shè)計時應(yīng)進行針對性分析，確保結(jié)構(gòu)受力安全、合理、高效。

（3）建筑平面不規(guī)則（如凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)等）時，需進行樓板應(yīng)力分析，對薄弱部位樓板進行針對性加強，確保樓板抗震性能目標(biāo)滿足規(guī)范要求。

（4）超長結(jié)構(gòu)需進行溫度應(yīng)力分析，考慮混凝土等效收縮降溫的影響，降溫工況為控制工況，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需根據(jù)計算結(jié)果對溫度應(yīng)力較大處配置附加鋼筋以抵抗溫度應(yīng)力的不利作用。

（5）合理設(shè)置搖擺柱能有效減小鋼結(jié)構(gòu)立柱的截面尺寸，取得更好的建筑效果。