大跨不規則建筑結構設計要點分析

郭偉華/GUO Weihua

（浙江創新建筑設計有限公司，浙江 嘉興 314000）

學校類建筑中，報告廳是校區內學術交流及大型活動的主要活動場所，具有不可替代的功能作用，隨著人們對教育重視程度加大，要求報告廳具備的功能越趨于多樣化，對結構設計提出了更高要求。本項目為報告廳類建筑中極具代表性的建筑案例。因此，對本項目設計難點進行梳理探討有著重要的意義。

1 工程概況

本工程為浙江省嘉興市南湖區某中學報告廳項目，總層數為地上3 層，設1 層地下室，建筑高度為12.9m，抗震設防烈度為7 度，設計地震分組為一組，基本風壓為0.45kN／m2。由于建筑使用功能要求左側區域抽柱形成大空間報告廳，右側輔助用房保留3 層混凝土結構，形成左側2層，右側3 層錯層結構，結構設計過程中存在錯層、局部穿層柱、樓板大開洞不規則項。典型建筑平面如圖1 所示，屋面層結構布置如圖2 所示。

圖1 典型建筑平面布置圖

圖2 屋面層結構布置圖

2 屋蓋結構布置方案選型

2.1 屋蓋可行性方案介紹

屋面呈不規則弧形布置，最大跨度為24m 左右，建筑使用功能要求屋面采用重型混凝土屋面，結構擬采2 種方案對比，其中方案一采用型鋼混凝土梁柱，混凝土柱尺寸700mm×700mm，內置工字鋼300×300×25×25mm（Q355B)，型鋼混凝土梁之間采用混凝土梁連接。方案二屋面采用平面鋼桁架，弦桿采用H500×250×16×20×20mm，跨中腹桿采用H300×200×10×14×14mm，支座腹桿采用H400×200×10×20×20mm，鋼材均為Q355B，屋面層桁架間采用鋼次梁連接，桁架立面如圖3所示，桁架上下弦桿與型鋼混凝土柱采用剛接。

圖3 典型鋼桁架布置圖

2.2 計算結果對比

結構指標計算過程結果如表1 所示，位移比、位移角均取2 個方向中較大值。其中方案一結構主要指標均滿足規范要求；方案二中位移比超規范限值1.2，其余指標滿足均滿足規范要求。報告廳大空間范圍內恒荷載增加約410kg／m2。

表1 兩種方案主要計算指標對比

從計算結果對比發現，屋面采用桁架梁模型對結構整體剛度削弱較大，第一階周期方案二較方案一增加約27%，結構整體呈扇形布置，剛度減弱后帶來了結構整體的扭轉效應明顯增大；同時，結構平面存在樓板局部不連續，開洞面積大于30%，報告廳存在二層通高，局部存在躍層柱。相比較方案一，方案二結構指標超限項為3 項，從經濟性及工程周期綜合考慮，決定采用方案一。

3 上部結構時程分析

根據JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》，結構頂部取消柱形成空曠房間時，宜進行彈性時程分析作為小震下的補充計算，本項目擬采用3 組加速度時程曲線輸入，其中1 條為人工波、2 條為天然波。計算結果取時程分析法的包絡值和振型分解譜法的較大值進行設計。地震波選取原則為，控制每條時程分析曲線計算的結構底部剪力不小于規范譜計算結果的65%，3 條時程分析的平均值不小于規范譜結果的80%，計算結果如圖4 所示。

時程分析補充計算結果中，各項指標均滿足規范要求，主要方法的最大層間位移角和層間位移曲線如圖5 所示，時程分析分析的平均值總體小于場地規范譜計算結果，最大值局部樓層略大于規范反應譜結果。根據多條波包絡值與CQC 法計算結果比較，結構設計時全樓地震剪力放大系數取為1.12，對上部結構進行包絡設計。

圖5 時程分析與規范譜指標對比圖

對于多層不規則結構，不規則項的控制應引起結構設計人員的重視，對于頂部抽柱形成大空間區域應補充時程分析法驗算，必要時可對躍層柱等關鍵構件采取性能化設計。

4 型鋼混凝土梁設計

本項目采用500×1200 混凝土梁，內置H500×250×16×25mm（Q355B)，混凝土強度C30，型鋼梁最大跨度為22.6m，抗震等級為一級，采用盈建科結構計算軟件建模，跨中考慮地震組合工況最大設計彎矩為4 400kN／m；支座采用梁柱剛接形式，最大剪力設計值為1 330kN，梁截面示意如圖6 所示。

圖6 鋼骨混凝土梁截面示意

4.1 正截面受彎承載力計算

型鋼腹板上端至截面上邊距離與h0的比值由式（1)計算

式中，h為截面總高度，h0為截面有效高度，hw為腹板高度；計算得δ1=0.4。

型鋼腹板下端至截面上邊距離與h0的比值由下式（2)計算

式中，f′y、A′S分別為受壓區的鋼筋強度設計值和面積；fy、As分別為受拉區的鋼筋強度設計值和面積；fa、Aaf分別為型鋼強度設計值和面積；Naw為型鋼腹板承受的軸向合力；tw為腹板厚度；b為截面寬度；其余參數同文獻[4]。將式Naw=[2.5x／h0-（δ1+δ2)]twh0fa帶入式（3)，計算得δ2=0.86。

可得受壓區高度x=365mm。

彎矩設計值由式（5)得

計算得Mu=3557kNm>3150kNm。

4.2 斜截面受剪承載力計算

受剪截面驗由式（6）、式（7)驗算可得

式中，βc為混凝土強度影響系數。

型鋼混凝土梁斜截面受剪承載力按式（8)計算

計算得Vu=3179kN>1130.5kN。

型鋼混凝土梁設計過程中，設計人員應根據式（4)手動復核正截面承載力計算公式使用的前提條件，如不成立則應優先調整鋼骨高度。設計師往往根據自身經驗放大結構軟件的計算結果，如縱筋配筋量，此時也應按應根據式（4)手動復核公式應用前提條件。

5 基礎設計

5.1 場地條件

場地地貌單元屬于浙北平原區，為沖積湖積平原地貌，表層①#土為素填土，分布厚度約為1m，③#土層為淤泥質粉質黏土，分布厚度約為2.2～6.4m，埋置深度約為自然地坪下2m。表層兩層土均屬于高壓縮性土，工程力學性質差。場地典型地質土層分布如圖7 所示。根據地區設計經驗，如采用預制樁等擠土樁型，此類高壓縮性土會對周圍環境（包括市政道路、已建成房屋）產生比較嚴重的破壞后果。

圖7 場地典型地質土層分布

5.2 可行性方案對比

本工程為已建學校內改擴建項目，周圍道路及教學樓已使用多年，且與新建項目距離較近，為減小對已建工程的擠土效應影響，基礎擬采用勁性復合樁基及灌注樁做經濟性對比分析以確定合理的基礎形式。勁性復合樁采用等芯散剛復合樁，剛性樁一般選擇預制樁，為保證復合樁成實際成樁效果，復合段外芯厚度不應太大，厚度應控制在150～250mm。本項目采用水泥土外徑725mm，剛性樁采用邊長300mm實心預制方樁，樁長17m，樁端持力層為⑥1、⑥2 聯合持力層。水泥摻量應根據現場試驗結果確定，結構設計時應加以備注，本項目水泥參量為18%。對比方案中灌注樁擬采用600 鉆孔灌注樁，水下混凝土強度C30，樁長采用26m，持力層為⑥3 砂質粉土。

勁性復合樁樁側破壞面位于內、外芯界面時采用式（9)計算抗壓承載力

勁性復合樁樁側破壞面位于外芯與土層界面時采用式（10)計算

式（9)與式（10)兩者取最小值作為基樁抗壓特征值，根據地勘報告中土層參數計算，本項目采用單樁抗壓承載力為1 050kN，靜載極限加載值為2 150kN。靜載樁中心剛性樁的選取，應滿足樁身承載力不小于2 150kN 要求，且承載力宜按照預制樁最低限值計算。必要時剛性樁可不與工程樁統一，以達到節省造價目的。本項目采用邊長300 高強度實心方樁，樁身承載力為2 120kN滿足靜載加載值要求。

兩種樁型均采用1.5m 樁間距，選取典型柱網尺寸進行經濟性對比分析，單柱下樁基造價，灌注樁方案為4.1 萬元，勁性復合樁1.3 萬元。本項目采用勁性復合樁基礎，項目實施過程中加強對周圍環境影響實時監控，現基礎已施工完畢，實踐結果表明此樁型對周圍環境影響較小，既避免了采用灌注樁時場地對泥漿池布置的限制，又兼顧經濟性，此經驗在類似項目中可值得借鑒推廣。

6 結語

通過對典型多層報告廳結構分析得出如下結論，由于頂層大空間使用功能要求，在類似跨度結構布置中，屋面梁板體系可優先采用型鋼混凝土梁柱體系；對于改擴建項目中，基礎設計中擠土效應對周圍環境的影響應引起重視，勁性復合樁型作為一種非擠土樁型有兼顧經濟性和施工可行性，做法值得參考；對于頂部抽柱的不規則項建筑，應進行彈性時程補充分析，合理確定小震下地震剪力放大系數，以期達到抗震設防目的要求；大跨型鋼混凝土梁設計過程中，撓度、裂縫的驗算不可忽略，撓度過大時，應注明施工起拱值以滿足正常使用工況下撓度要求，同時應注意復核規范公式使用的前提條件，如不滿足應采取其他可靠的分析方法，如實體單元分析法等。