□文/朱黎蓬 張書鴛

某展覽館結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

□文/朱黎蓬 張書鴛

通過某展覽館建筑結(jié)果分析與設(shè)計，總結(jié)討論設(shè)計過程中遇到的問題及采取的對策：空曠建筑結(jié)構(gòu)體系選型；角部大懸挑平臺梁板布置方案選型，支撐大懸挑梁板的框柱及基礎(chǔ)分析；屋蓋（網(wǎng)架）同下部結(jié)構(gòu)整體計算分析；越層柱的屈曲分析；怎樣合理計入夾層部分的影響等。

結(jié)構(gòu)體系；選型；大懸挑；豎向地震作用；屈曲分析；夾層；空曠建筑

“結(jié)構(gòu)成就建筑之美”，各種外形優(yōu)美、體型復(fù)雜的建筑夢想，只有在廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的細心、精心、創(chuàng)新下不斷挑戰(zhàn)自我方可實現(xiàn)，否則就是空中樓閣。

展覽館作為一個區(qū)域的地標，在立面造型及功能方面有極為嚴格的要求，通常致使結(jié)構(gòu)設(shè)計方案十分復(fù)雜，此外，業(yè)主對工程成本皆有嚴格的控制，這都給結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較大的挑戰(zhàn)，要求廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計人員付出更多的努力，進行更深入的研究分析。

1 工程概述

某展覽館總建筑面積6 500 m2，主體2層（局部設(shè)置設(shè)備夾層），首層層高8.6 m（局部夾層為首層高度一半），二層層高5.8 m，室內(nèi)外高差為1.5 m，主要功能為展陳及會議等，見圖1-圖6。

圖1 工程效果

圖2 正視

圖3 剖面

圖4 首層平面

圖5 夾層平面

圖6 二層平面

2 分析設(shè)計過程中遇到的問題及采取措施

設(shè)計使用年限50 a，設(shè)防烈度7度（0.10g），場地類別為Ⅲ類場地，設(shè)計地震分組為第二組。

2.1 空曠建筑結(jié)構(gòu)體系選型

基于建筑使用功能要求，本工程開洞較多、較大，屬于樓板不連續(xù)，從外側(cè)看為一整體，其實內(nèi)部各分區(qū)結(jié)構(gòu)樓板聯(lián)系十分薄弱，雖通過設(shè)置抗震縫能達到將該建筑分成幾個規(guī)則合理體塊的目的，但是勢必嚴重影響建筑的整體效果，最終確定結(jié)構(gòu)不設(shè)縫。當(dāng)采用框架結(jié)構(gòu)時，由于首層計算層高高達11.6 m，框架梁、柱截面較大才能滿足在規(guī)范位移角要求，單位移比超過1.5限值[1]，針對此種情況，在空曠空間的四周，利用建筑隔墻布置剪力墻，即采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。通過多輪試算調(diào)整并結(jié)合建筑布置，最終確定剪力墻位置見圖7和圖8。

圖7 首層頂結(jié)構(gòu)平面

圖8 屋頂層結(jié)構(gòu)平面

剪力墻均布置在樓電梯間以及開大洞空間的周圍，目的是將空曠空間進行圍合，提高整個結(jié)構(gòu)的整體性，同時對樓板進行加厚，配筋加強，實際計算時，采用彈性樓板進行分析，更加接近結(jié)構(gòu)真實的工作狀態(tài)；另外布置剪力墻后，形成剪力墻和框架雙重抗側(cè)力體系，二道設(shè)防，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，考慮工程情況，實際設(shè)計時剪力墻的抗震等級采用三級，框架的抗震等級采用四級，而抗震構(gòu)造措施的抗震等級分別上調(diào)一級，對于開洞形成的越層柱，抗震等級直接提高至二級（抗震構(gòu)造措施的抗震等級不再提高）。經(jīng)過計算，結(jié)構(gòu)的周期比、位移比、位移角等參數(shù)都符合規(guī)范要求，具體到構(gòu)件配筋率也控制在相對合理范圍內(nèi)且由于采用框剪結(jié)構(gòu)，比采用單純框架結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟合理。

對于此類空曠結(jié)構(gòu)，采用框剪結(jié)構(gòu)更加合理，能更好滿足安全性和建筑方案功能要求。

2.2 角部大懸挑平臺方案選型、支撐懸挑梁框柱及基礎(chǔ)分析

建筑右下角下部為圓形，而上部外伸成為矩形且圓形外部為室外，不允許布設(shè)豎向構(gòu)件，圓形邊距離矩形邊最不利處懸挑接近11 m，怎樣解決此大懸挑平臺是比較棘手的問題。

大懸挑存在的問題：外挑大，內(nèi)襯小，其外挑最大處接近11 m，而內(nèi)部僅有一跨配重作為內(nèi)襯且屋頂為網(wǎng)架，壓重較小，后排框架柱容易產(chǎn)生抗拔的情況，另外基礎(chǔ)軸壓力小，而彎矩大時，易致使基礎(chǔ)偏心距較大而同土體脫空，對于大懸挑端部，需重點控制其撓度，一為安全，二為滿足懸掛于一層和屋頂層平臺間幕墻的正常使用要求。

首先，在懸挑位置較大處布置剪力墻，提高此處外飄部分結(jié)構(gòu)的整體抗扭性能，減小結(jié)構(gòu)地震時水平向位移響應(yīng)；減小懸挑平臺端部荷重，同建筑專業(yè)商議，此平臺功能定義為非上人平臺，通過設(shè)置隔斷杜絕后期使用過程中上人可能，僅考慮檢修荷載，將兩種方案中最外側(cè)環(huán)梁以外的樓板板厚取為80 mm，環(huán)梁同圓形間樓板板厚取為120 mm，板上皮設(shè)裝修作法，僅鋪設(shè)一層塑膠，板下吊頂有原石材吊頂改為鋁板吊頂，最大程度上減輕懸挑端自重，同時增大內(nèi)跨自重，使其起到秤砣的作用，壓住懸挑端。

其次，對比了兩種懸挑方案，方案一（圖9）采用后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力框架梁方案，梁截面500 mm×1 600 mm，內(nèi)設(shè)高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線；方案二（圖10）為普通斜向交叉梁方案，梁截面400 mm×1 500 mm。兩種方案都能滿足設(shè)計要求，方案一梁少結(jié)構(gòu)自重輕，但是由于采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，對施工技術(shù)要求相對較高；方案二采用普通梁板結(jié)構(gòu)，但梁數(shù)目較方案一多，自重大，同時梁柱節(jié)點及斜梁節(jié)點相交處，有6排鋼筋相交叉，交叉點鋼件較密，對混凝土澆筑及振搗有嚴格要求，最終采用方案一。據(jù)規(guī)范[1]，本工程無需考慮豎向地震作用，但考慮到實際情況，實際設(shè)計采用振型反應(yīng)譜法考慮豎向地震作用的不利影響，提高關(guān)鍵部位構(gòu)件的安全裕度。

圖9 角部平臺方案一

圖10 角部平臺方案二

最后，遠離懸挑端的框架柱，需驗算復(fù)核其是否受拉?？紤]最不利的情況，懸挑部分恒載、活載（分項系數(shù)按起不利作用考慮）都考慮，內(nèi)跨僅考慮恒載（分項系數(shù)1.0），不考慮活載作用，此時發(fā)現(xiàn)8.6 m以下標高框架柱未出現(xiàn)受拉情況，而8.6 m以上框架柱出現(xiàn)受拉情況，但是拉力小于混凝土軸心抗拉強度同框架柱截面的乘積，實際設(shè)計時配置足夠縱筋并延伸至基礎(chǔ)，同時要求框架縱筋鋼筋接頭為一級接頭，以保證框架柱在受拉工況下的安全性。對于基礎(chǔ)，由于軸力小、彎矩大，存在較大的偏心作用，出現(xiàn)較大零應(yīng)力區(qū)，也就是存在基礎(chǔ)下皮同持力土層脫開情況，設(shè)計時增大基礎(chǔ)截面，增加厚度，控制基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)在規(guī)范范圍內(nèi)，同時增配基礎(chǔ)上皮鋼筋網(wǎng)片，確保在基礎(chǔ)脫空時有足夠的安全裕度。

2.3 屋蓋（網(wǎng)架）同下部結(jié)構(gòu)整體計算分析

本工程設(shè)置圓形展廳和方形展廳各一處，由于跨度較大，采用鋼網(wǎng)架方案。以往設(shè)計，都是網(wǎng)架單獨計算，然后將網(wǎng)架的支座反力傳至主體結(jié)構(gòu)，兩者分別設(shè)計，對于一般項目，這樣設(shè)計可能合理，但是對本工程而言，這樣設(shè)計則極不合理。

如圖11所示的矩形網(wǎng)架，它位于結(jié)構(gòu)的左上角，一側(cè)支撐在結(jié)構(gòu)最外排的框架柱上且此框架柱為單邊通高越層柱，對網(wǎng)架而言，它除承受自身的荷重以外，實際上還起到框架柱側(cè)向支點的作用，如框架柱的水平向荷載（風(fēng)、地震作用）是通過網(wǎng)架的水平向剛度進行傳遞的，若采用以往分開建模，則無法考慮其相互支撐作用，即網(wǎng)架支座荷載通過框架柱傳遞至基礎(chǔ)，而同時框架柱的水平向荷載通過網(wǎng)架的水平剛度傳遞至整體結(jié)構(gòu)。所以設(shè)計時，首先在網(wǎng)架專用軟件里不考慮下部結(jié)構(gòu)影響，確定網(wǎng)架的大致截面，然后將網(wǎng)架模型建入整體模型，考慮屋蓋和下部結(jié)構(gòu)共同工作，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架桿件上弦及支座處桿件有較多截面不足處，對其調(diào)整加強，分析原因，就是網(wǎng)架承擔(dān)了框架柱傳遞的水平向作用。

通過網(wǎng)架同下部結(jié)構(gòu)整體分析，模擬了結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)，更加安全合理。

圖11 框架柱荷載傳至網(wǎng)架上弦簡

2.4 越層柱的分析設(shè)計

由于開大洞較多，形成了較多越層柱，高度達16 m左右，對于越層柱要進行詳細分析。

首先，模型計算時不能考慮剛性樓板假定，否則柱子計算長度系數(shù)同實際不符，會致使配筋偏小，不安全；其次，對于這種越層柱，其在豎向荷載作用下的穩(wěn)定性極為重要，針對此種情況，進行了屈曲分析，在1.2 kN/m2恒+1.4 kN/m2活的荷載工況下，越層柱的第一屈曲因子為55，遠超規(guī)范限值要求，故認為其穩(wěn)定性有較大安全裕度。設(shè)計時，將此類框架柱抗震等級上調(diào)一級并要求施工方將此類框架柱按照整體一根來進行施工，而不是按照一層的概念來施工，具體設(shè)計到箍筋加密區(qū)長度、縱筋接頭位置等，同時要求鋼筋接頭為一級接頭。從設(shè)計分析和構(gòu)造上提高其安全性。

2.5 合理計入夾層部分的影響

處于展覽布展的要求，建筑首層層高為8.6 m（結(jié)構(gòu)首層計算層高為11.6 m），但除展廳外，其余空間的層高無需這么高，為增加利用面積，在4.3 m標高的位置設(shè)置了局部夾層，同時為減少幕墻龍骨的跨度，在4.3 m標高位置也設(shè)置了框架梁，見圖12，則如何考慮夾層部分對整體結(jié)構(gòu)的影響尤為重要。

圖12 4.3 m標高處夾層結(jié)構(gòu)平面

首先，夾層面積比較小，不能作為一個層的概念來輸入，若因為夾層的存在，建模時人為在4.3 m標高設(shè)置一結(jié)構(gòu)標準層，則會致使位移角、位移比等大參數(shù)的統(tǒng)計原則同規(guī)范原意不符，同時許多一層框架柱人為分成兩段，質(zhì)量矩陣和剛度矩陣都同實際不符；但不考慮此部分夾層的影響顯然更不合理。針對此種情況，利用YJK軟件的層間梁功能，將標高4.3 m位置處的結(jié)構(gòu)夾層部分按照層間梁的概念計入整體模型，既考慮了層間部分梁板的影響，又相對合理的提取了位移角、位移比、周期等大參數(shù)，一舉兩得。

類似帶夾層的工程都可按照這個思路處理，同時新版的YJK軟件能計入夾層部分樓板剛度的貢獻（蒙皮剛度），更加合理。

3 結(jié)語

基于設(shè)計人的知識水平和對設(shè)計軟件的了解，結(jié)合本工程的特點，總結(jié)了類似工程設(shè)計過程遇到的問題并提出解決方法，使建筑安全適用、經(jīng)濟合理，、達到建筑方案設(shè)計的要求，取得較好經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

□張書鴛/天津大學(xué)建筑設(shè)計規(guī)劃研究總院。

TU242.5

C

1008-3197（2015）06-75-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.027

2015-07-18

朱黎蓬/男，1981年出生，高級工程師，碩士，天津中天建都市建筑設(shè)計有限公司，從事復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析研究工作。