□文/張書鴛 朱黎蓬

高烈度區(qū)學(xué)校結(jié)構(gòu)設(shè)計

□文/張書鴛 朱黎蓬

通過某學(xué)校結(jié)構(gòu)設(shè)計，總結(jié)討論設(shè)計及優(yōu)化過程中遇到的問題及采取的對策，包括結(jié)構(gòu)方案的確定及優(yōu)化；長懸挑構(gòu)件設(shè)計時采取的加強(qiáng)措施；轉(zhuǎn)換梁配筋的包絡(luò)設(shè)計；無地下室結(jié)構(gòu)設(shè)置零層板時設(shè)備專業(yè)出戶問題。

框架-剪力墻；轉(zhuǎn)換梁；長懸挑構(gòu)件；結(jié)構(gòu)；設(shè)計；高烈度

1　工程概況

天津濱海新區(qū)某小學(xué)規(guī)劃用地面積1.5萬m2，主要包括24間普通教室、各類專業(yè)教室、教師辦公室以及小型報告廳、風(fēng)雨操場和為在校師生提供餐飲的小型食堂。其中教學(xué)綜合樓為5層（局部3層），之間設(shè)抗震縫，首層層高4.2 m。2～4層層高均為4 m，5層層高3.6 m，主體結(jié)構(gòu)總高度20.25 m，采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系。食堂、風(fēng)雨操場，局部地下室層高4.5 m，地上1層（局部2層），首層層高5.1 m，2層層高8.1 m，總高度13.65 m，主體采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1　工程效果

2　設(shè)計及優(yōu)化過程中遇到的問題及采取措施

工程設(shè)計使用年限50 a，設(shè)防烈度7度（0.15g）［1］，場地類別為Ⅳ類場地。依據(jù)中震防發(fā)（2009）49號，各單體抗震設(shè)防類別均為乙類，設(shè)防烈度為7度，地震動峰值加速度提高至0.2g進(jìn)行計算，抗震措施應(yīng)符合8度抗震設(shè)防的要求。

綜合教學(xué)樓5層部分，結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻，其中框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級；綜合教學(xué)樓3層部分，結(jié)構(gòu)形式為框架，抗震等級為二級；食堂風(fēng)雨操場，框架結(jié)構(gòu)，抗震等級為一級；抗震構(gòu)造措施均不提高。

以下主要對綜合教學(xué)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化過程中遇到的問題進(jìn)行分析總結(jié)，提出相應(yīng)的解決方案，希望為同類工程設(shè)計提供參考。

2.1綜合教學(xué)樓主體及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化

綜合教學(xué)樓5層部分總高度20.25 m，可采取框架及框-剪結(jié)構(gòu)兩種布置方案，對此兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行試算。

方案一：框架結(jié)構(gòu)。周期比、位移比等控制性綜合指標(biāo)參數(shù)均不滿足規(guī)范要求。采用增大周邊柱截面及梁高等措施，對以上控制性綜合指標(biāo)參數(shù)影響有限，但對工程經(jīng)濟(jì)性影響較大。

方案二：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。因使用功能要求，外墻幾乎全是窗戶，水平方向剪力墻只能布置在走廊兩側(cè)，豎直剪力墻布置在衛(wèi)生間及局部無外窗處。因需滿足單片墻底部承擔(dān)的水平剪力不應(yīng)超過結(jié)構(gòu)底部總水平剪力的30%，故水平及豎直方向剪力墻至少4片并且需要受力均勻。

經(jīng)多輪試算，最終剪力墻布置見圖2。第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期比值為0.82，抗扭能力較強(qiáng)，考慮偶然偏心作用的扭轉(zhuǎn)位移比1.27，位移角在1/800［1］限值范圍內(nèi)，各項綜合指標(biāo)均符合規(guī)范要求且經(jīng)濟(jì)性較框架結(jié)構(gòu)有利。最終綜合教學(xué)樓5層部分主體采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

圖2　教學(xué)綜合樓5層部分剪力墻布置

2016年6月1號執(zhí)行的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，天津設(shè)防區(qū)劃調(diào)整，天津大部分地區(qū)抗震設(shè)防烈度改成8度0.2g，學(xué)校類建筑乙類，抗震計算還要上調(diào)，多層（5層及以上）采用框剪結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性有待考證，隔震等措施將是學(xué)校類建筑設(shè)計的大趨勢。

基礎(chǔ)設(shè)計等級及建筑樁基設(shè)計等級均為乙級。由于上部荷載較大，基礎(chǔ)設(shè)計采用樁基礎(chǔ)。根據(jù)巖土工程勘察報告（詳細(xì)勘察階段），提供預(yù)制方樁和灌注樁兩種樁型。考慮到方樁樁端持力層較淺，樁身范圍內(nèi)存在12～13 m厚的淤泥質(zhì)粘土，承載力較低無法滿足設(shè)計要求且該場地周邊采用預(yù)制方樁的工程有成樁質(zhì)量較差的工程先例，故采用鉆孔灌注樁方案。樁徑600 mm，單樁豎向承載力特征值1 100 kN。

2.2長懸挑構(gòu)件設(shè)計時采取的加強(qiáng)措施

綜合教學(xué)樓3層部分與食堂風(fēng)雨操場相鄰位置，因為車輛通道以及建筑立面要求，無法布置豎向構(gòu)件，需要結(jié)構(gòu)在教學(xué)綜合樓2層頂懸挑7.125 m。長懸挑梁及其支撐柱考慮豎向地震作用包絡(luò)設(shè)計。

為此懸挑梁截面400 mm×1 200 mm并在2-1軸、2-4軸延伸一跨，因走廊兩側(cè)建筑功能要求，梁不能太高，故2-2軸、2-3軸處懸挑梁及內(nèi)跨梁仍為300 mm× 650 mm。為減輕自重，分割次梁采用熱軋普通焊接H型350 mm×300 mm×8 mm×12 mm。經(jīng)計算復(fù)核，梁的撓度和裂縫能滿足設(shè)計要求。

另外采取措施減輕懸挑構(gòu)件上的荷重，大懸挑梁上裝飾板采用輕質(zhì)材料并控制線荷載≯2.5 kN/m2。使用及維護(hù)要求鋼結(jié)構(gòu)定期檢查和維護(hù)，嚴(yán)防積水；遇暴雪等惡劣天氣應(yīng)采取人工除雪等保護(hù)措施。

因結(jié)構(gòu)設(shè)計與建筑專業(yè)設(shè)計相比有很大不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計不能等建筑條件完全確定再行，要把握重點(diǎn)，輕計算重概念，對于復(fù)雜的工程問題，不可能等徹底研究透了再設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計重在及時解決工程問題。因此在概念清晰、技術(shù)可靠的前提下合理進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，可作為解決復(fù)雜技術(shù)問題的基本辦法［2］。長懸挑構(gòu)件及其支承柱設(shè)計配筋也正是基于上述原則進(jìn)行的簡化。長懸挑部分配筋見圖3。

圖3　長懸挑部分配筋

2.3轉(zhuǎn)換梁配筋的包絡(luò)設(shè)計

4層及以下各層的1-C～1-E軸與1-1～1-3軸之間為合辦教室，故1-2交1-D軸處無法布置柱子，見圖4。5層因建筑里面及功能要求，1-D～1-E軸取消，結(jié)構(gòu)此處需沿1-2軸11.7 m的大跨度梁上起柱滿足建筑需求，見圖5。

因建筑層高及使用功能要求，1-2軸處大跨度梁高度受到限制。若此梁在地震中首先破壞則上層梁上柱首先破壞，將導(dǎo)致屋面坍塌，后果嚴(yán)重。此處梁如何設(shè)計，成為設(shè)計重點(diǎn)。

根據(jù)PMCAD2013用戶手冊，采用兩種施工加載（模擬施工加載三和一次性加載），在特殊構(gòu)建定義中定義此梁為轉(zhuǎn)換梁，對此梁及周邊梁柱進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

圖4　4層頂局部梁配筋

圖5　5層頂局部梁配筋

經(jīng)分析，大跨度梁支座及跨中配筋一次性加載均略小于模擬施工加載，1-C交1-2軸處柱配筋一次性加載均略大于模擬施工加載三。分析其原因，因一次性加載采用整體剛度模型，按照一次性加載方式計算豎向力，而模擬施工加載三采用分層集成剛度、分層加載進(jìn)行荷載下的內(nèi)力計算。實(shí)際施工，需待主體封頂后，轉(zhuǎn)換梁下的支撐方可拆除。故頂層構(gòu)件轉(zhuǎn)換梁及周邊構(gòu)件更接近于一次性加載工況，但其他構(gòu)件則需按照模擬施工加載三來配筋。

2.4零層板設(shè)計

場地土為軟弱場地土，考慮到學(xué)校的特殊使用功能，在平時使用中若出現(xiàn)地面沉陷，雖沒有結(jié)構(gòu)安全問題，但卻容易引起不必要的恐慌，故在初設(shè)階段雖無地下室，但也考慮設(shè)置零層板。設(shè)置零層板帶來設(shè)備專業(yè)出戶管怎么出戶以及設(shè)備安裝等問題，因無地下室，基礎(chǔ)埋深1.95 m，基礎(chǔ)高度0.8 m，至此到零層板頂僅1.15 m，施工零層梁及板時，空間支模困難。所有地拉梁上砌筑實(shí)心頁巖磚，砌實(shí)頂緊，可作為上部梁的模板；房芯素土回填壓實(shí)，壓實(shí)系數(shù)≮0.94，作為地模。

在衛(wèi)生間等部位有較多管子出戶等位置處，有隔墻位置設(shè)置梁，以免墻體后期使用過程中因不均勻沉降而開裂，其余位置零層板取消，便于設(shè)備安裝及后期維護(hù)。同時零層結(jié)構(gòu)板應(yīng)與設(shè)備各專業(yè)協(xié)商施工次序，避免造成結(jié)構(gòu)板施工完畢后設(shè)備各專業(yè)出戶管無法出戶或者設(shè)備安裝困難等問題。

3　結(jié)語

結(jié)合工程實(shí)際情況，選取合理的結(jié)構(gòu)方案，重視重要部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分析，對于整個建筑功能的實(shí)現(xiàn)，具有以下重要意義：

1）從方案上把控結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性，在當(dāng)下競標(biāo)激烈，業(yè)主基本憑借低價選標(biāo)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化越來越重要，在確保工程安全的前提條件，優(yōu)選方案顯得尤為重要；

2）結(jié)構(gòu)分析要有預(yù)見性和目的性，盡可能選用輕質(zhì)材料，便于實(shí)現(xiàn)大懸挑等重點(diǎn)構(gòu)件設(shè)計；

3）采用合理的包絡(luò)設(shè)計，了解實(shí)際施工過程對于重點(diǎn)部位的重要構(gòu)件的設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)安全；

4）考慮施工可實(shí)現(xiàn)性，采取有效預(yù)案，與相關(guān)專業(yè)配合，了解相關(guān)需求，遇有沖突的地方，要有預(yù)知性，以免造成工程量的增加。

學(xué)校功能復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)專業(yè)要求較高，通過深入細(xì)致工作，經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計，采取可靠措施方能實(shí)現(xiàn)建筑及設(shè)備功能要求，貫徹國家對建筑工程安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，如對薄弱部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取包絡(luò)設(shè)計，即滿足建筑功能要求，又使得結(jié)構(gòu)安全得以保證。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)大局上優(yōu)先方案，做到既滿足安全要求，又保證工程造價在相對合理范圍內(nèi)，從而取得較好經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］GB50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］朱炳寅.建筑抗震設(shè)計規(guī)范應(yīng)用與分析［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

□朱黎蓬/天津中天建都市建筑設(shè)計有限公司。

TU208.2

C

1008-3197（2016）03-72-04

2016-02-26

張書鴛/女，1979年出生，工程師，碩士，天津大學(xué)建筑設(shè)計研究院，從事復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析研究工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.03.026