孫文波，周偉堅

（華南理工大學建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州510640）

0 引言

某中心位于湖南省株洲市，為新建的集辦公、基礎(chǔ)研究及試驗、產(chǎn)品應(yīng)用研究于一體的綜合性大樓，建筑面積為22 407.68 m2，其中地下室建筑面積為2 129.70 m2，結(jié)構(gòu)總高度23.10 m。平面輪廓為規(guī)整的長方形，東西向約110 m，南北向約97 m?？偲矫嫒鐖D1所示。

圖1 總平面Fig.1 General Layout

建筑造型中存有較多的大懸挑和大跨度的使用空間（見圖2），例如在承擔4層荷載的條件下，最大外伸尺寸達到了33.60 m。這些部位創(chuàng)造了極具沖擊力的建筑效果，但也為本項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很大的挑戰(zhàn)。

圖2 建筑造型Fig.2 Building Exterior

本工程為多層建筑結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計時期的株洲的抗震設(shè)防烈度小于6 度（可按非抗震設(shè)計）［1］，50 年一遇的基本風壓w0=0.35 kN/m2，50 年一遇的基本雪壓為s0=0.45 kN/m2。其它荷載均按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［2］來執(zhí)行。

1 結(jié)構(gòu)體系

針對建筑造型存在較多大跨度和長懸臂的特點，結(jié)合該區(qū)域建筑的功能要求，主體結(jié)構(gòu)采用了鋼結(jié)構(gòu)為主的形式，設(shè)計依據(jù)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50017—2003》［3］的規(guī)定執(zhí)行。設(shè)計時采用了鋼框架+鋼支撐+頂部轉(zhuǎn)換鋼桁架的結(jié)構(gòu)體系（考慮到地形為坡地，首層至2 層樓面采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）。該體系既能滿足本工程承受豎向荷載的承載力要求，也能滿足風荷載作用下的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力要求。

根據(jù)建筑造型的特點，為了充分發(fā)揮鋼構(gòu)件抗拉能力強的特點，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在結(jié)構(gòu)頂部，通過剛度很大的跨層鋼桁架作為主要的大跨度轉(zhuǎn)換構(gòu)件。具體做法是利用上下樓層的樓面鋼梁作為桁架的上、下弦桿，利用本層鋼柱作為桁架的豎腹桿，并增設(shè)斜腹桿形成層間桁架以確保轉(zhuǎn)換桁架的強度和剛度。其余各層結(jié)構(gòu)則利用吊柱懸掛于鋼桁架之下。部分跨度很大的部位，還需要采用兩層轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)形式。典型的位置如圖3、圖4所示。

圖3 大懸挑示意圖Fig.3 Large Cantilever Diagram

圖4 大跨度示意圖Fig.4 Large Span Diagram

考慮到本工程的柱網(wǎng)基本為8 m×8 m，設(shè)計時盡量考慮了構(gòu)件的標準化，以利于工廠加工和運輸。梁柱尺寸如表1所示。

表1 梁柱基本尺寸Tab.1 Basic Dimensions of Beams and Columns

斜撐尺寸一般為H300×300、H400×300，個別斜撐為H500×300。翼緣及腹板厚度一般為10～20 mm，個別斜撐為28～35 mm。

結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)框架的特點，2 層以上樓板采用鋼筋桁架模板組合樓板，首層及夾層基本樓板采用普通混凝土樓板體系。構(gòu)件的基本斷面尺寸如表1所示。鋼筋桁架模板組合樓板厚度為120 mm；考慮到本工程的復(fù)雜性，設(shè)計階段進行了靜力分析、舒適度分析以及超長結(jié)構(gòu)的樓板應(yīng)力分析等幾個方面的計算。

2 結(jié)構(gòu)靜力分析及設(shè)計

由于整體結(jié)構(gòu)按照非抗震條件進行設(shè)計，結(jié)構(gòu)的整體計算僅需要考慮豎向荷載、風荷載以及溫差作用等幾個方面的效應(yīng)。通過設(shè)置柱間支撐和層間斜撐，結(jié)構(gòu)的整體豎向剛度和側(cè)向剛度得到了很大的提升，結(jié)構(gòu)的撓度和側(cè)向位移得到了有效控制。

以A軸的結(jié)構(gòu)變形為例（見圖5），圖5?中的恒載和圖5?中的活載作用下的變形分別為31.5 mm 和6.5 mm，該部位結(jié)構(gòu)跨度為32 m，恒載活載共同作用下的撓跨比為1/842。

圖5 A軸框架變形示意Fig.5 Schematic of Axis A Frame Deformation

再以14軸的結(jié)構(gòu)變形為例（見圖6），圖6?中的恒載和圖6?中的活載作用下的變形分別為35.9 mm 和9.1 mm，該部位結(jié)構(gòu)跨度為40 m，恒載活載共同作用下的撓跨比為1/893。二者均能滿足文獻［3］要求。

圖6 14軸框架變形示意Fig.6 Schematic of Axis 14 Frame Deformation

由于結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度很大，2個方向風荷載作用下的層間位移角僅為1/8 226和1/9 871。該結(jié)果說明風荷載較小，且結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度足夠大。在這種情況下，結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計將主要取決于豎向荷載的荷載組合。

3 樓層及天面的舒適度分析

本工程在每個樓層和天面都存在大跨度（32～40 m）以及大懸挑（16 m）的情況，這些區(qū)域多為辦公或休息區(qū)域，對樓蓋舒適度有較高要求。根據(jù)文獻［4］的條款，應(yīng)進行結(jié)構(gòu)的舒適度分析。本項目采用豎向自振頻率驗算法對人行部位的舒適度進行了分區(qū)塊的分析［4］。

本項目的豎向振型和頻率如圖7所示。從分析結(jié)果可知，雖然第1階振型和第2階振型的頻率均低于文獻［4］要求（3.0 Hz），但由于該區(qū)域被劃分為不上人屋面，故此處結(jié)構(gòu)滿足相應(yīng)的承載力要求及變形要求即可。第3 階振型的頻率為3.0 Hz，可以滿足文獻［4］要求。其他大跨度桁架轉(zhuǎn)換區(qū)域及大懸挑區(qū)域的豎向振型頻率均大于3.2 Hz（本文略去），已滿足文獻［4］要求。

4 超長及大跨度結(jié)構(gòu)的樓板應(yīng)力分析

本工程本身屬于超長鋼結(jié)構(gòu)，溫差的影響不可忽視，結(jié)構(gòu)中又包含了大跨度和長懸臂的影響，故而樓板除了在自身的面外受力（受彎）外，還受到樓層間的變形協(xié)調(diào)引起的面內(nèi)膜應(yīng)力以及溫差產(chǎn)生的面內(nèi)膜應(yīng)力，其受力條件非常復(fù)雜。對于這種情況，有幾種不同的解決方案。路江龍等人［5］采用了“抗”與“結(jié)合”的方式，通過在樓板內(nèi)摻入膨脹劑來補償混凝土的拉應(yīng)力，或者在樓板拉應(yīng)力較大的區(qū)域切縫加以釋放。倪國榮等人［6-8］則考慮了樓板的施工順序（包括加載順序及硬化剛度）對樓板應(yīng)力的影響，優(yōu)化了樓板混凝土澆注順序以減少樓板內(nèi)的膜面應(yīng)力水平。杜文博等人［9］則采用全“抗”的方式，對樓板配筋進行全面強化。

圖7 豎向振型及頻率Fig.7 Vertical Mode and Frequency

對于本項目而言，由于鋼結(jié)構(gòu)房屋可以在無支頂?shù)氖┕l件下進行組合樓板混凝土部分的澆注，也有條件通過設(shè)置合理的施工順序來解決結(jié)構(gòu)自重作用下樓板的附加膜面應(yīng)力。具體措施為首先按照一次性加載模型進行計算，將各樓面受拉應(yīng)力區(qū)挑選出來設(shè)置為后澆區(qū)，將其它各層受壓區(qū)的混凝土板先行澆注。以層間懸臂桁架為例，首先將下弦部位的受壓區(qū)樓板澆注，此時所有豎向荷載由鋼桁架承擔，待樓板硬化后再澆注上弦區(qū)受拉的樓板（條件允許時也可以同時快速澆注，此時由于混凝土尚未凝固，上下層的樓面荷載均由鋼桁架承擔）。大懸挑周邊常規(guī)部位的混凝土樓板最后澆筑。

豎向活荷載和季節(jié)溫差都是在后期使用過程中發(fā)生的作用，其引起的膜應(yīng)力無法避免，必須通過其它途徑解決。本工程豎向活荷載相對不大，其產(chǎn)生的樓板面內(nèi)應(yīng)力相對較小。以天面為例，活載產(chǎn)生的X 向膜面應(yīng)力普遍為±0.2 MPa，大跨度桁架受拉區(qū)部位的樓板拉應(yīng)力約為1.0 MPa，受壓區(qū)約為-1.5 MPa，見圖8?；活載產(chǎn)生的Y向膜面應(yīng)力普遍小于0.2 MPa，大跨度桁架受拉區(qū)部位的樓板拉應(yīng)力約為0.8 MPa，受壓區(qū)約為-1.4 MPa，見圖8?。由此可見，只要在相應(yīng)的位置設(shè)置一定量的附加板鋼筋，樓板即可與鋼桁架協(xié)同承受活荷載。

圖8 活載工況作用下天面X、Y向應(yīng)力Fig.8 X and Y Stresses of the Roof under Live Load

季節(jié)溫差作用在樓板內(nèi)產(chǎn)生的絕對伸縮變形較大，但相應(yīng)的X 及Y 向膜面應(yīng)力水平均較低，普遍在±0.2 MPa以下（見圖9）。局部應(yīng)力偏大的位置可通過配置附加鋼筋補強。伸縮變形量對于建筑的外部圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)部隔墻吊頂?shù)鹊牟焕绊懕容^顯著，建筑及裝修設(shè)計時應(yīng)充分考慮。

圖9 降溫20 ℃工況作用下天面X、Y向應(yīng)力Fig.9 X and Y Stresses of the Roof under the 20 ℃Cooling Condition

為了簡化設(shè)計過程，設(shè)計時首先采用0 樓板厚度的模型對主體結(jié)構(gòu)的梁柱和支撐進行分析計算，然后采用真實樓板厚度的模型復(fù)核活載及溫度作用對主體結(jié)構(gòu)的影響，并根據(jù)樓板應(yīng)力分析結(jié)果來設(shè)計樓板配筋。

5 性能化分析

在項目的設(shè)計和施工階段，執(zhí)行了當時版本的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010》。其時項目的抗震設(shè)防烈度小于6 度，可按非抗震設(shè)計。驗收完成后，又根據(jù)現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016 年版）：GB 50011—2010》［10］，按株洲地區(qū)的調(diào)整后條件進行了大震作用下的補充分析，其中抗震設(shè)防烈度調(diào)整為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05 g。大震作用計算采用了靜力彈塑性PUSH-OVER 分析法。X 向的簡要計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 X向大震性能點Fig.10 Large Earthquake Performance Points in X-direction

Y向的簡要計算結(jié)果如圖11所示。

計算結(jié)果表明，性能點位置的層間位移角最大僅1/471，僅少量構(gòu)件出現(xiàn)輕微至中等損傷。由于與很長的剪力墻相連，個別二層鋼筋混凝土連梁發(fā)生了破壞，但不會對整體結(jié)構(gòu)造成不利影響。大震驗算結(jié)果說明本結(jié)構(gòu)體系具有良好的剛度和承載能力，能夠較好地承受新的抗震規(guī)范預(yù)估的地震作用。

圖11 Y向大震性能點Fig.11 Large Earthquake Performance Points in Y-direction

6 結(jié)論

在長懸臂、大跨度鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如何配合建筑師的需求選擇合理的體系是很有挑戰(zhàn)性的工作，通過本項目的實施，可以總結(jié)以下幾點共性經(jīng)驗，供類似項目參考：

⑴要充分重視大跨度部位及周邊相關(guān)部位樓板的空間作用。對一般建筑物而言，活荷載的影響相對較小，可以通過在桁架上下弦處樓板內(nèi)增加通長抗拉鋼筋的方法，由樓板來承擔活荷載空間作用產(chǎn)生的膜面拉應(yīng)力；

⑵對于相對比較大的結(jié)構(gòu)自重，則應(yīng)統(tǒng)籌設(shè)置合理的施工順序以避免在樓板內(nèi)產(chǎn)生過大的膜應(yīng)力，尤其是拉應(yīng)力。因樓板開裂后的剛度退化將使鋼桁架結(jié)構(gòu)分擔更多的荷載，而剛度退化的程度在實際計算中又很難定量考慮，所以將全部豎向荷載由桁架來承擔是比較符合實際情況且偏于安全的；

⑶本結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計雖然是按非抗震條件開始的，但從后續(xù)補充的大震計算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)在大震作用下的剛度衰減很小，絕大部分構(gòu)件處于無損狀態(tài)，說明在強支撐作用下結(jié)構(gòu)具有良好的剛度特性和強度儲備。

建成后的現(xiàn)場狀態(tài)如圖12所示。

圖12 建成后狀態(tài)Fig.12 State after Construction