某展览馆结构分析与设计

□文/朱黎蓬 张书鸳

某展览馆结构分析与设计

□文/朱黎蓬 张书鸳

通过某展览馆建筑结果分析与设计，总结讨论设计过程中遇到的问题及采取的对策：空旷建筑结构体系选型；角部大悬挑平台梁板布置方案选型，支撑大悬挑梁板的框柱及基础分析；屋盖（网架）同下部结构整体计算分析；越层柱的屈曲分析；怎样合理计入夹层部分的影响等。

结构体系；选型；大悬挑；竖向地震作用；屈曲分析；夹层；空旷建筑

“结构成就建筑之美”，各种外形优美、体型复杂的建筑梦想，只有在广大结构设计人员的细心、精心、创新下不断挑战自我方可实现，否则就是空中楼阁。

展览馆作为一个区域的地标，在立面造型及功能方面有极为严格的要求，通常致使结构设计方案十分复杂，此外，业主对工程成本皆有严格的控制，这都给结构设计提出了较大的挑战，要求广大结构设计人员付出更多的努力，进行更深入的研究分析。

1 工程概述

某展览馆总建筑面积6 500 m2，主体2层（局部设置设备夹层），首层层高8.6 m（局部夹层为首层高度一半），二层层高5.8 m，室内外高差为1.5 m，主要功能为展陈及会议等，见图1-图6。

图1 工程效果

图2 正视

图3 剖面

图4 首层平面

图5 夹层平面

图6 二层平面

2 分析设计过程中遇到的问题及采取措施

设计使用年限50 a，设防烈度7度（0.10g），场地类别为Ⅲ类场地，设计地震分组为第二组。

2.1 空旷建筑结构体系选型

基于建筑使用功能要求，本工程开洞较多、较大，属于楼板不连续，从外侧看为一整体，其实内部各分区结构楼板联系十分薄弱，虽通过设置抗震缝能达到将该建筑分成几个规则合理体块的目的，但是势必严重影响建筑的整体效果，最终确定结构不设缝。当采用框架结构时，由于首层计算层高高达11.6 m，框架梁、柱截面较大才能满足在规范位移角要求，单位移比超过1.5限值[1]，针对此种情况，在空旷空间的四周，利用建筑隔墙布置剪力墙，即采用框架-剪力墙结构体系。通过多轮试算调整并结合建筑布置，最终确定剪力墙位置见图7和图8。

图7 首层顶结构平面

图8 屋顶层结构平面

剪力墙均布置在楼电梯间以及开大洞空间的周围，目的是将空旷空间进行围合，提高整个结构的整体性，同时对楼板进行加厚，配筋加强，实际计算时，采用弹性楼板进行分析，更加接近结构真实的工作状态；另外布置剪力墙后，形成剪力墙和框架双重抗侧力体系，二道设防，提高结构的抗震性能，考虑工程情况，实际设计时剪力墙的抗震等级采用三级，框架的抗震等级采用四级，而抗震构造措施的抗震等级分别上调一级，对于开洞形成的越层柱，抗震等级直接提高至二级（抗震构造措施的抗震等级不再提高）。经过计算，结构的周期比、位移比、位移角等参数都符合规范要求，具体到构件配筋率也控制在相对合理范围内且由于采用框剪结构，比采用单纯框架结构更加经济合理。

对于此类空旷结构，采用框剪结构更加合理，能更好满足安全性和建筑方案功能要求。

2.2 角部大悬挑平台方案选型、支撑悬挑梁框柱及基础分析

建筑右下角下部为圆形，而上部外伸成为矩形且圆形外部为室外，不允许布设竖向构件，圆形边距离矩形边最不利处悬挑接近11 m，怎样解决此大悬挑平台是比较棘手的问题。

大悬挑存在的问题：外挑大，内衬小，其外挑最大处接近11 m，而内部仅有一跨配重作为内衬且屋顶为网架，压重较小，后排框架柱容易产生抗拔的情况，另外基础轴压力小，而弯矩大时，易致使基础偏心距较大而同土体脱空，对于大悬挑端部，需重点控制其挠度，一为安全，二为满足悬挂于一层和屋顶层平台间幕墙的正常使用要求。

首先，在悬挑位置较大处布置剪力墙，提高此处外飘部分结构的整体抗扭性能，减小结构地震时水平向位移响应；减小悬挑平台端部荷重，同建筑专业商议，此平台功能定义为非上人平台，通过设置隔断杜绝后期使用过程中上人可能，仅考虑检修荷载，将两种方案中最外侧环梁以外的楼板板厚取为80 mm，环梁同圆形间楼板板厚取为120 mm，板上皮设装修作法，仅铺设一层塑胶，板下吊顶有原石材吊顶改为铝板吊顶，最大程度上减轻悬挑端自重，同时增大内跨自重，使其起到秤砣的作用，压住悬挑端。

其次，对比了两种悬挑方案，方案一（图9）采用后张法有粘结预应力框架梁方案，梁截面500 mm×1 600 mm，内设高强度低松弛预应力钢绞线；方案二（图10）为普通斜向交叉梁方案，梁截面400 mm×1 500 mm。两种方案都能满足设计要求，方案一梁少结构自重轻，但是由于采用预应力结构，对施工技术要求相对较高；方案二采用普通梁板结构，但梁数目较方案一多，自重大，同时梁柱节点及斜梁节点相交处，有6排钢筋相交叉，交叉点钢件较密，对混凝土浇筑及振捣有严格要求，最终采用方案一。据规范[1]，本工程无需考虑竖向地震作用，但考虑到实际情况，实际设计采用振型反应谱法考虑竖向地震作用的不利影响，提高关键部位构件的安全裕度。

图9 角部平台方案一

图10 角部平台方案二

最后，远离悬挑端的框架柱，需验算复核其是否受拉。考虑最不利的情况，悬挑部分恒载、活载（分项系数按起不利作用考虑）都考虑，内跨仅考虑恒载（分项系数1.0），不考虑活载作用，此时发现8.6 m以下标高框架柱未出现受拉情况，而8.6 m以上框架柱出现受拉情况，但是拉力小于混凝土轴心抗拉强度同框架柱截面的乘积，实际设计时配置足够纵筋并延伸至基础，同时要求框架纵筋钢筋接头为一级接头，以保证框架柱在受拉工况下的安全性。对于基础，由于轴力小、弯矩大，存在较大的偏心作用，出现较大零应力区，也就是存在基础下皮同持力土层脱开情况，设计时增大基础截面，增加厚度，控制基础零应力区在规范范围内，同时增配基础上皮钢筋网片，确保在基础脱空时有足够的安全裕度。

2.3 屋盖（网架）同下部结构整体计算分析

本工程设置圆形展厅和方形展厅各一处，由于跨度较大，采用钢网架方案。以往设计，都是网架单独计算，然后将网架的支座反力传至主体结构，两者分别设计，对于一般项目，这样设计可能合理，但是对本工程而言，这样设计则极不合理。

如图11所示的矩形网架，它位于结构的左上角，一侧支撑在结构最外排的框架柱上且此框架柱为单边通高越层柱，对网架而言，它除承受自身的荷重以外，实际上还起到框架柱侧向支点的作用，如框架柱的水平向荷载（风、地震作用）是通过网架的水平向刚度进行传递的，若采用以往分开建模，则无法考虑其相互支撑作用，即网架支座荷载通过框架柱传递至基础，而同时框架柱的水平向荷载通过网架的水平刚度传递至整体结构。所以设计时，首先在网架专用软件里不考虑下部结构影响，确定网架的大致截面，然后将网架模型建入整体模型，考虑屋盖和下部结构共同工作，发现网架杆件上弦及支座处杆件有较多截面不足处，对其调整加强，分析原因，就是网架承担了框架柱传递的水平向作用。

通过网架同下部结构整体分析，模拟了结构的真实受力状态，更加安全合理。

图11 框架柱荷载传至网架上弦简

2.4 越层柱的分析设计

由于开大洞较多，形成了较多越层柱，高度达16 m左右，对于越层柱要进行详细分析。

首先，模型计算时不能考虑刚性楼板假定，否则柱子计算长度系数同实际不符，会致使配筋偏小，不安全；其次，对于这种越层柱，其在竖向荷载作用下的稳定性极为重要，针对此种情况，进行了屈曲分析，在1.2 kN/m2恒+1.4 kN/m2活的荷载工况下，越层柱的第一屈曲因子为55，远超规范限值要求，故认为其稳定性有较大安全裕度。设计时，将此类框架柱抗震等级上调一级并要求施工方将此类框架柱按照整体一根来进行施工，而不是按照一层的概念来施工，具体设计到箍筋加密区长度、纵筋接头位置等，同时要求钢筋接头为一级接头。从设计分析和构造上提高其安全性。

2.5 合理计入夹层部分的影响

处于展览布展的要求，建筑首层层高为8.6 m（结构首层计算层高为11.6 m），但除展厅外，其余空间的层高无需这么高，为增加利用面积，在4.3 m标高的位置设置了局部夹层，同时为减少幕墙龙骨的跨度，在4.3 m标高位置也设置了框架梁，见图12，则如何考虑夹层部分对整体结构的影响尤为重要。

图12 4.3 m标高处夹层结构平面

首先，夹层面积比较小，不能作为一个层的概念来输入，若因为夹层的存在，建模时人为在4.3 m标高设置一结构标准层，则会致使位移角、位移比等大参数的统计原则同规范原意不符，同时许多一层框架柱人为分成两段，质量矩阵和刚度矩阵都同实际不符；但不考虑此部分夹层的影响显然更不合理。针对此种情况，利用YJK软件的层间梁功能，将标高4.3 m位置处的结构夹层部分按照层间梁的概念计入整体模型，既考虑了层间部分梁板的影响，又相对合理的提取了位移角、位移比、周期等大参数，一举两得。

类似带夹层的工程都可按照这个思路处理，同时新版的YJK软件能计入夹层部分楼板刚度的贡献（蒙皮刚度），更加合理。

3 结语

基于设计人的知识水平和对设计软件的了解，结合本工程的特点，总结了类似工程设计过程遇到的问题并提出解决方法，使建筑安全适用、经济合理，、达到建筑方案设计的要求，取得较好经济效益和社会效益。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

□张书鸳/天津大学建筑设计规划研究总院。

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，高级工程师，硕士，天津中天建都市建筑设计有限公司，从事复杂结构分析研究工作。