公共建筑結(jié)構(gòu)設計淺析

段俊鍇 郭順軍 王雋 何帆 楊小坤

摘要：介紹C立方.智造慧創(chuàng)空間-2號辦公樓結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)計算分析、基礎設計等方面的簡要分析，有粘結(jié)預應力混凝、型鋼混凝土在本工程結(jié)構(gòu)設計中的應用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)計算； 預應力； 型鋼混凝土

中圖分類號：TU243.2文獻標志碼：A

0引言

該項目建筑設計考慮了地塊的交通和布局，整體規(guī)劃以汽車“V”文化為主題，“S”型蜿蜒流動、高低錯落的建筑為骨架，通過不同標高的街道、廣場、下沉庭院、空中平臺，打造 復合共享的立體街區(qū)（圖1）。

為滿足建筑創(chuàng)意及功能需求，結(jié)構(gòu)設計需要在大跨度、長懸臂、高躍層的條件下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟、美觀的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1工程概況

該工程抗震烈度7度，建筑抗震設防類別丙類，設計使用年限50年，建筑場地類別Ⅱ類。其中2號辦公樓整體呈“S”型，地上最高10層（四個單元由高到低分別為10～7層，呈高低錯落布局）地下1層，為辦公類一類高層公共建筑，建筑面積78 445.11 m2，建筑耐火等級地上一級/地下一級。

2概念設計與結(jié)構(gòu)體系

2.1概念設計

由于本工程高低錯落，整體平面呈“S”造型，空中花園導致局部躍層很高（4層），結(jié)構(gòu)設計從思路上需考慮幾個方面：

（1）對高低錯落、“S”型平面，通過在每個“S”彎處設防震縫（兼溫度縫）將結(jié)構(gòu)劃分為四個較簡單規(guī)則的單元，以減小結(jié)構(gòu)的溫度效應和結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的扭轉(zhuǎn)效應。

（2）每個單元選擇既滿足建筑功能需求，又滿足結(jié)構(gòu)對整體性、側(cè)移剛度、抗扭轉(zhuǎn)能力、二道防線需求的結(jié)構(gòu)體系。

（3）對高躍層柱采用型鋼混凝土柱，增加高躍層柱的延性，并進行性能設計。

（4）在遵循強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點強錨固的延性結(jié)構(gòu)設計原則的基礎上，控制豎向構(gòu)件軸壓比，進一步提高整體結(jié)構(gòu)的延性。

2.2結(jié)構(gòu)體系

2.2.1不同結(jié)構(gòu)體系的分析

2.2.1.1框架結(jié)構(gòu)

優(yōu)點：室內(nèi)空間大，可以滿足復雜的建筑形式，抗震性能較好，房間空間可靈活分隔。

缺點：側(cè)移剛度較小，在水平荷載作用下側(cè)移較大，在強烈地震作用下易造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞。

2.2.1.2剪力墻結(jié)構(gòu)

優(yōu)點：剪力墻結(jié)構(gòu)是一種傳統(tǒng)、成熟、抗震性能良好的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)本身的整體性好，側(cè)移剛度大，在水平作用下側(cè)移小。

缺點：剪力墻結(jié)構(gòu)墻體較多，混凝土用量較大，自重大。混凝土墻體為高強度承重墻體，房間不易拆改，布置不靈活。

2.2.1.3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

優(yōu)點：室內(nèi)空間的使用以及房間隔墻的拆改，和框架結(jié)構(gòu)一樣靈活多變，抗震性能與剪力墻結(jié)構(gòu)基本相當。

缺點：剪力墻結(jié)構(gòu)墻體較多，混凝土用量較大，自重較大。

2.2.2結(jié)構(gòu)體系的選擇

綜合上述分析并結(jié)合本工程具體情況：建筑對靈活大空間的需求；結(jié)構(gòu)對整體性、側(cè)移剛度、抗扭轉(zhuǎn)能力、二道防線的需求；滿足建筑、結(jié)構(gòu)需求的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，本工程采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系［1］。

3結(jié)構(gòu)計算分析

3.1結(jié)構(gòu)模型指標

采用PKPM-SATWE系列軟件進行結(jié)構(gòu)三維有限元整體分析，初步確定結(jié)構(gòu)各構(gòu)件截面尺寸、混凝土強度等級等；進一步將各結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)濟性與結(jié)構(gòu)計算指標動態(tài)結(jié)合，對模型細化、優(yōu)化，最終結(jié)構(gòu)布置及模型指標均滿足規(guī)范要求，僅以一單元模型指標為例（表1）。

建筑論壇與建筑設計段俊鍇， 郭順軍， 王雋， 等：公共建筑結(jié)構(gòu)設計淺析——C立方·智造慧創(chuàng)空間-2號辦公樓

3.2結(jié)構(gòu)不規(guī)則判定

根據(jù)2號樓各結(jié)構(gòu)單元模型指標及結(jié)構(gòu)平面布置，2號樓各結(jié)構(gòu)單元未超出《四川省抗震設防超限高層建筑工程界定標準2020版》關(guān)于特別不規(guī)則的超限高層民用建筑工程的界定，屬于一般不規(guī)則高層建筑［4］。

4基礎型式的選擇與設計

4.1本項目場地地勘情況

在2號樓區(qū)域，場地起伏很大，基礎設計標高以下土層分部為：雜填土（層厚1.3～19.4 m）、粉質(zhì)黏土、全風化—中風化泥質(zhì)砂巖。對于較厚的雜填土，地下水容易引發(fā)預成孔孔壁塌孔及預成孔孔內(nèi)沉渣清理困難。

4.2基礎型式的選擇

基于以上地質(zhì)情況，綜合考慮地基承載力、施工可實施性、經(jīng)濟性等，通過對比預應力高強混凝土管樁、旋挖樁及復合地基處理后的筏板基礎，2號樓采用樁基礎（預應力高強混凝土空心方樁PHS-500-310-95-AB），樁端以中風化泥質(zhì)砂巖為持力層，單樁豎向承載力特征值Ra=2700 kN。

4.3基礎設計

根據(jù)持力層情況確定單樁承載力特征值，在PKPM-JCCAD中輸入樁-承臺，進行上部結(jié)構(gòu)與地基基礎的共同作用分析（樁基承載力與變形驗算，包括樁基豎向承載力（包括負摩阻力影響）、沉降及承臺的抗彎，抗剪、抗沖切計算等），依據(jù)計算結(jié)果進行承臺結(jié)構(gòu)設計，包括承臺的強度設計及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等［6］。

5特殊部位的結(jié)構(gòu)設計

5.1高位躍層框架柱的性能設計

結(jié)構(gòu)設計性能化是根據(jù)結(jié)構(gòu)高度、規(guī)則性（平面、立面）及結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的重要性，來增強結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）延性。采用性能化設計的方法，需考慮結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度、超高超限的情況、所在地區(qū)的烈度和經(jīng)濟因素等，對結(jié)構(gòu)薄弱部位、關(guān)鍵部位、主要抗側(cè)力構(gòu)件，采取提高抗震承載力或提高結(jié)構(gòu)變形能力，確定合理的性能目標，提高結(jié)構(gòu)的延性。

本工程在2～4單元斷縫處的框架柱均存在不同高度的躍層，以2單元為例，躍層最高達22.5 m，躍層部位位于空中連廊連接部位，綜合考慮各種因素，將高位躍層框架柱的性能目標定為B級，高位躍層框架柱采用型鋼混凝土柱，在PKPM-SATWE中進行性能設計計算，

（1）2單元SATWE結(jié)構(gòu)整體分析，罕遇地震下X、Y向最大層間位移角為1/214，滿足規(guī)范彈塑性層間位移角限值不大于1/100的要求。

（2）2單元SATWE結(jié)構(gòu)整體分析，多遇地震及罕遇地震下的混凝土構(gòu)件配筋及鋼構(gòu)件應力比、下翼緣穩(wěn)定驗算應力計算，對比多遇地震及罕遇地震計算結(jié)果，高位躍層框架柱采用型鋼混凝土柱，柱縱筋計算值一樣均為構(gòu)造配筋，箍筋略有變化，躍層柱設計按多遇地震及罕遇地震計算結(jié)果包絡配筋。

從上述性能設計計算結(jié)果看，對高位躍層框架柱采用型鋼混凝土柱，由于鋼骨的作用，混凝土柱的配筋均為構(gòu)造筋，能有效提高躍層柱的延性，提高安全儲備，更容易實現(xiàn)性能設計目標［2］。

5.2長懸挑梁的有粘結(jié)預應力結(jié)構(gòu)設計

本工程部分區(qū)域存在長懸挑梁（懸挑長度7 m左右），為了控制長懸挑梁的上部支座裂縫及梁端部的撓度，故在長懸挑梁部分采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)，梁中施加有粘結(jié)預應力技術(shù)，鋼筋采用HRB400級（三級鋼）和1860級高強度低松弛預應力鋼絞線，懸挑梁區(qū)域及相關(guān)影響范圍梁板采用C40混凝凝土。通過在混凝土構(gòu)件中預埋金屬波紋管，穿預應力筋、張拉預應力筋、灌漿，預應力鋼筋與混凝土之間的相互粘結(jié)，共同工作，承擔結(jié)構(gòu)荷載，

5.2.1預應力梁設計的基本流程

（1）首先試算初步確定預應力鋼筋的直徑以及根數(shù)，根據(jù)相關(guān)構(gòu)造確定預應力鋼絞線的線型矢高。

（2）根據(jù)預應力鋼筋的數(shù)量、矢高，試算確定預應力梁高，計算預應力鋼筋在梁中產(chǎn)生的等效荷載。

（3）在PKPM計算模型中，刪掉已施加的活荷載（點荷載、線荷載和面荷載），在預應力梁上輸入等效荷載，然后采用軟件進行有限元計算，得出等效荷載在梁中產(chǎn)生的綜合彎矩、主彎矩及次彎矩（其中，次彎矩=綜合彎矩-主彎矩）。

（4）計算預應力損失，包括：錨具回縮損失、管道摩擦損失、鋼筋的應力松弛損失、收縮徐變損失、局部擠壓損失。

（5）根據(jù)混凝土規(guī)范，進行預應力梁的配筋驗算，次彎矩參與荷載組合（考慮豎向地震作用），按照GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》第10.1.2節(jié)進行組合，并按照GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》第6章進行截面驗算。

（6）得到合理的設計結(jié)果，并滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，若不滿足，進行相應的調(diào)整，重復步驟（1）～（5），直到得到合理的設計結(jié)果。

（7）對長懸挑梁按施加預應力和未施加預應力兩種工況進行包絡設計，達到既控制長懸挑梁的上部支座裂縫及梁端部的撓度又具備足夠的安全儲備。

5.2.2有粘結(jié)預應力的施工工藝

混凝土強度達設計值100%并滿足張拉條件后方可進行預應力筋張拉，預應力張拉應采用應力和應變雙重控制方法進行，以應力控制為主，用應變（伸長值）進行校核。

張拉施工應遵循對稱原則：縱橫向梁應對稱同時張拉，同一根梁上多束預應力筋宜同步張拉。張拉工藝應能保證同一根梁內(nèi)同一束或多束中各根預應力筋的應力均勻一致［5］（圖2）。

6綠色建筑在結(jié)構(gòu)設計中的運用

傳統(tǒng)建筑在設計、施工和使用過程中，建筑的耗能過高，同時對環(huán)境的污染比較嚴重。在建筑結(jié)構(gòu)設計之時，就要進行節(jié)能環(huán)保的規(guī)劃，提高資源的利用率，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。本工程在結(jié)構(gòu)設計過程中以綠色建筑為指引，將綠色建筑融入結(jié)構(gòu)設計過程中。

6.1低碳環(huán)保的結(jié)構(gòu)選型

科學的結(jié)構(gòu)選型是實現(xiàn)綠色結(jié)構(gòu)體系，滿足綠色建筑設計要求的關(guān)鍵。基于綠色建筑的理念來對建筑結(jié)構(gòu)進行選型，可以降低建筑活動對環(huán)境的負荷壓力，實現(xiàn)建筑生命周期的可持續(xù)發(fā)展。

本項目選擇框架剪墻結(jié)構(gòu)，綜合考慮了建筑使用功能和空間需求，并考慮到結(jié)構(gòu)的靈活性與適應性問題，選擇大空間可靈活分隔的結(jié)構(gòu)布置，為建筑功能轉(zhuǎn)換留有余地，節(jié)約后期結(jié)構(gòu)加固改造費用。

6.2裝配式結(jié)構(gòu)的運用

根據(jù)成都市住房和城鄉(xiāng)建設局發(fā)布成住建規(guī)〔2021〕5號文的要求，房屋建筑工程項目全部執(zhí)行裝配式建筑要求，單體或平均裝配率不低于40%，裝配率計算依據(jù)：《四川省裝配式建筑裝配率計算細則》，具體計算結(jié)果：

裝配式建筑的裝配率應根據(jù)裝配式建筑評分計算表中評價項得分值，并應按下式計算：

P=（Q1+ Q2+ Q3+Q4+Q5）/100×100%=（0+25.58+20.25+3+0）/100×100%=48.83%

式中：P為單體建筑裝配率；Q1為標準化指標實際得分值；Q2為主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)指標實際得分值；Q3為外圍護系統(tǒng)指標實際得分值；Q4為內(nèi)裝系統(tǒng)指標實際得分值；Q5為管線系統(tǒng)指標實際得分值。

綜上所述，根據(jù)《四川省裝配式建筑裝配率計算細則》，本項目2號樓子項裝配率為 48.83%，滿足裝配式建筑建設要求。

本工程裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件（疊合樓板、預制柱、裝配式隔墻板）的使用，最大程度實現(xiàn)了構(gòu)件生產(chǎn)工廠化，施工安裝標準化，達到節(jié)約資源、降低能耗、保護土地資源，提高結(jié)構(gòu)的生態(tài)、綠色環(huán)保性能。

6.3材料選用

設計過程中，采用高強度材料（HRB400、HRB500級鋼筋，高強度混凝土），注意結(jié)構(gòu)材料選用的標準化，就地取材；建筑工程施工中，采用預拌混凝土、預拌砂漿，避免給施工現(xiàn)場造成污染［3］。

7主要結(jié)構(gòu)措施

（1）加大凹凸或薄弱部位的樓板板厚（板厚為150 mm），并采取雙層雙向鋼筋拉通布置。

（2）對高位躍層柱加鋼骨（型鋼混凝土柱），提高其延性。

（3）樓梯采用滑動支座，以減小地震時其對主體結(jié)構(gòu)的不利影響。

（4）對超長結(jié)構(gòu)采取以下措施：設置溫度后澆帶、提高屋面樓板配筋率。

8結(jié)束語

建筑結(jié)構(gòu)設計是項復雜的工程，涉及到的內(nèi)容非常廣泛，本文就2號樓結(jié)構(gòu)設計作了簡要淺析，從中可歸納出幾方面：概念設計涉及到的面很廣，從方案、結(jié)構(gòu)布置到計算簡圖的選取等，它比量化計算更能有效地從宏觀上處理好結(jié)構(gòu)的安全問題，抗震設計必須重視概念設計；對高位躍層柱采用型鋼混凝土，既能滿足性能設計的需要，又可有效提高構(gòu)件延性和安全儲備。

對大跨度結(jié)構(gòu)或局部大跨度結(jié)構(gòu)，采用預應力結(jié)構(gòu)可有效控制裂縫和撓度，滿足正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的要求。

在公共建筑中，功能及空間造型通常較復雜，經(jīng)常會涉及到轉(zhuǎn)換、躍層、大懸挑及大跨度結(jié)構(gòu)等，本文通過總結(jié)本項目結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗，為該類型結(jié)構(gòu)設計提供參考。

參考文獻

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［6］朱炳寅，婁宇，楊琦.建筑地基基礎設計方法及實例分析［M］. 2版. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［作者簡介］段俊鍇（1982—），男，碩士，高級工程師，研究方向為項目設計管理、城市設計管理；郭順軍（1971—），男，本科，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，長期從事工業(yè)與民用建筑設計工作。