淄博建筑工程学校综合实训楼结构设计

魏伟，伊永忠，李明义，逯芳

（淄博市建筑设计研究院第一设计所，山东淄博　255037）

淄博建筑工程学校综合实训楼结构设计

魏伟，伊永忠，李明义，逯芳

（淄博市建筑设计研究院第一设计所，山东淄博255037）

随着大型公共建筑的发展，超长混凝土结构得到越来越广泛的应用。文章结合淄博建筑工程学校综合实训楼项目的结构设计，针对超长楼盖和南部主入口处大悬挑的超长混凝土结构进行了方案设计，并对超长楼盖温度应力进行了计算，采取了设置膨胀加强带、加强纵向钢筋等减小温度应力对钢筋混凝土结构不利影响的措施；对建筑南部主入口处大悬挑结构进行了结构选型分析，采用型钢混凝土结构以满足结构承载力需要和抗震性能。

超长混凝土结构；温度应力；型钢混凝土

0　引言

近年来，我国各种大型公共建筑的建设得到蓬勃发展。因建筑功能以及造型的需要，对超长混凝土结构无缝设计的要求也越来越高。

目前，国内已有较多超长结构设计的理论研究和工程实践［2-8］。华丹等对混凝土温度应力进行了计算，并从设计、材料、施工方面采取了不同的技术措施［2］。黄以庄等推荐采用设置膨胀加强带、加强建筑保温隔热等措施进行超长结构设计［3］。孙璨等着重阐述了超长混凝土结构施工全程的温差效应非线性仿真分析方法［4］。潘立等对超长混凝土地下结构进行组合应力弹塑性时程分析，作为抗裂验算的补充［5］。

2013年，淄博市建筑设计研究院承担了淄博建筑工程学校综合实训楼结构设计，建筑专业要求不设置伸缩缝。该工程采用框架结构，平面最大长度为112.9 m，远超GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（以下简称混凝土规范）［1］中对伸缩缝最大间距做出的规定，属于超长结构。在综合实训楼结构设计中，设计人员针对工程特点，选择经济、成熟、易于操作的结构措施，成功实现了超长结构设计。此外，该建筑在大悬挑结构设计等方面也颇具特色。

1　工程概况

淄博建筑工程学校综合实训楼位于山东省淄博市。建筑面积为20 730 m2。建筑物地面以上共四层，无地下室。首层层高5.7 m，其余各层层高均为4.5 m。从室外地面算起，结构总高度19.65 m。建筑平面最大长度112.9 m，最大宽度81.6 m。建筑效果如图1所示。建筑物平面布置呈风车状，整体布局方圆结合，形意相连，由三个矩形，一个椭圆形（西南方向）与中部圆形连廊融为一体。建筑师为保证建筑使用功能及造型效果，要求不设置结构缝。建筑物南侧中部为主入口，此处设有大悬挑雨篷且在相应二层位置存在平面凹进，如图1所示建筑物右下侧位置。

该工程为学校类建筑，根据GB 50223—2008《建筑抗震设防分类标准》［9］，抗震设防类别为重点设防类。工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1 g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类。

图1　建筑效果图

2　综合实训楼结构设计

2.1结构选型

综合考虑结构高度及平面布置等设计条件，工程采用钢筋混凝土框架结构。基础采用钢筋混凝土独立基础。结构柱网主要尺寸为8.1 m×8.1 m主要框架柱截面尺寸为700 mm×700 mm（1层）600 mm×600 mm（2～5层），主要框架梁截面尺寸为300 mm×650 mm。一层结构布置示意如图2所示。

图2　一层结构平面示意图/mm

建筑连廊及南部位置造型呈流线型，存在大量弧形线条。弧形的框架梁在地震作用下受力不佳会同时产生较大的轴向力、剪力、扭矩和弯矩，在实际地震中也表现较差，所以在框架梁布置时，将圆弧位置框架梁做成以框架柱为折点的折线形，并在建筑物外围设置弧形次梁和挑板。如图2所示。采用直线形的框架梁来保障结构抗震性能，而采用弧线形的次梁、挑板来表达建筑造型，兼顾了建筑、结构两个专业的设计要求。

2.2超长楼盖设计

2.2.1结构温度应力计算

采用Midas Gen通用有限元计算程序，建立结构整体模型。框架梁、柱采用杆单元模拟，楼板采用壳单元模拟。杆单元与壳单元协调变形。

淄博市极端最高气温约为40℃，最低气温约为-20℃。考虑建筑设有保温措施，在计算中屋面温差按-30℃考虑；各层楼面根据室内温度范围15 ～30℃，按温差-15℃考虑。

计算结果表明，框架梁在温度作用下将产生轴向应力，升温时为压应力，降温时为拉应力。拉应力是导致混凝土开裂的主要原因。在结构中部位置拉应力最大，向两边逐渐减小；在楼梯间、电梯间等楼板开洞处，产生了应力集中。框架柱在温度荷载作用下产生较小的剪力。在进行结构构件计算时，将构件温度应力计入荷载组合，按照计算结果进行构件配筋。在楼板开洞位置附加了放射状钢筋，避免因应力集中造成开裂。

2.2.2减少温度应力对钢筋混凝土结构不利影响的措施

超长楼盖设计措施混凝土的收缩和结构的温度变形是超长楼盖混凝土开裂的主要原因。设计中相应采取了以下针对性措施:

（1）添加膨胀剂并设置膨胀加强带 在楼、屋面混凝土中添加UEA膨胀剂，掺量为8%。每隔30 ～40 m设置一道膨胀加强带，带宽2000 mm，带内UEA掺量为12%。UEA膨胀剂等量取代水泥。根据RISN—TG 002—2006《补偿收缩混凝土应用技术导则》［12］的研究成果，膨胀剂使混凝土在钢筋和周边结构的约束下，产生0.2～0.7 N/mm2的预压自应力，部分抵消了由于混凝土收缩产生的受拉应变，从而提高了抗裂性能。

（2）在楼、屋面混凝土中添加聚丙烯抗裂网状纤维添加方式如下:纤维直径为18 μm，抗拉强度≥360 MPa，弹性模量≥3300 MPa，极限延伸率≥25%，混凝土中纤维掺量为0.6 kg/m3，后浇带处增加为1.0 kg/m3，纤维长度为19 mm［6］。混凝土是一种非均质脆性材料，聚丙烯纤维的加入，提高了混凝土的极限拉伸率和韧性，有效地减小收缩和裂缝的发生。

（3）严格控制混凝土施工质量 对于超长混凝土结构，设计工作和施工工作紧密相连、不可分割。工程中采用的水泥为普通硅酸盐水泥，并选择后期收缩小的外加剂。在工程施工阶段，对混凝土后期养护措施和拆模时间进行了重点监督，确保满足设计要求。混凝土结构浇筑时的气温对后期温度应力有较大影响。而温度应力的不利影响主要是混凝土浇注完成后，温度下降时期引起的混凝土开裂，温度升高则对混凝土影响相对较小，所以超长楼盖混凝土浇注时间以较冷的季节为好［4］。

（4）加强梁、板纵向钢筋纵向梁上部通长钢筋不小于支座或跨中钢筋面积的1/4；梁侧面设置纵向构造钢筋，间距不大于200 mm且直径不小于14 mm。同时，适当加强了楼板通长钢筋。楼板纵向钢筋最小配筋率不小于0.3%，双层双向通长配置在楼板洞口等应力集中处，设置了放射状附加钢筋梁、板纵向钢筋的加强可提高钢筋混凝土抵抗收缩应力、温度应力的能力，从而提高结构抗裂性能。

（5）采用可靠的保温隔热措施 经与甲方及建筑专业沟通，建筑物外墙采用了加气混凝土砌块自保温体系，该保温体系效果可靠，使用寿命长。屋面采用挤塑聚苯板保温材料，并适当增大聚苯板厚度提高其保温能力。保温措施的加强，既有利于减小后期混凝土温度应力，又可以达到节能减排的效果2.3南部主入口处大悬挑设计

2.3.1结构选型与分析

建筑南部主入口上部雨篷及相应位置二层平面凹进处，均为大悬挑结构，悬挑尺寸超过7 m。各层建筑平面如图3所示。

图3　南入口位置各层建筑示意图/mm

原计划此位置采用钢结构桁架进行悬挑，这种方案在技术上可行，但钢结构在耐火性能和刚度表现上比混凝土结构略差，工程造价也较高。经与建筑专业沟通，对柱网及梁格进行了优化布置，采用了以大跨度梁为支座，用次梁进行悬挑的结构方案，有效减小了悬挑尺寸。结构布置如图4所示。此位置大跨度梁跨度超过16 m且承受荷载范围较大，如采用普通钢筋混凝土结构，将会导致梁柱截面尺寸偏大。经多次计算比较，确定采用型钢混凝土结构型钢混凝土具有很强的结构承载能力，经计算，大跨度梁截面尺寸为500 mm×1200 mm，即可满足承载力及挠度需求，且结构含钢量经济合理。型钢混凝土抗震性能也非常优异，在罕遇地震下即便混凝土有较严重的开裂，其内部钢框架仍能与箍筋内的混凝土组成具有一定刚度的抗侧体系，保证建筑物“大震不倒”，保障出入口的畅通。

图4　南入口位置结构布置示意图/mm

2.3.2型钢混凝土构件设计

型钢混凝土结构具有较高的承载力和良好的抗震性，但结构施工工艺复杂。在进行型钢混凝土结构设计时，要充分考虑施工的可行性，并配合现场不断完善设计。

图5（a）为型钢混凝土柱大样图。框架柱截面尺寸为800 mm×700 mm，型钢柱为H450×350×24 ×40。型钢柱周边存在较大空间，方便柱纵筋及箍筋布置。在进行箍筋设计时，充分考虑了柱箍筋与型钢柱的位置关系，避免箍筋穿过型钢。在箍筋肢距较大位置，设置了U型箍筋。箍筋设计时还考虑了型钢柱栓钉位置的影响，避免箍筋不能一次套入［13］。

型钢混凝土柱的体积配箍率比普通钢筋混凝土柱有所提高，以提高柱极限变形能力［14］。

图5（b）为型钢混凝土梁大样图。框架梁截面尺寸为500 mm×1200 mm。型钢梁采用H型钢，钢材型号选用 H900×300×20×30，型钢含钢率为5.9%。型钢含钢率在合理范围，确保了型钢混凝土梁具备较好的延性［15］。型钢翼缘侧边至梁侧边距离为100 mm，确保振捣棒可伸入梁内振捣。型钢梁上、下翼缘外边距梁外边为150 mm，避免梁纵筋钢筋交叉位置钢筋保护层厚度不足。在型钢腹板处设置附加钢筋与梁腰筋拉结，避免拉筋穿过型钢腹板造成施工困难以及梁腹板被削弱。

图5（c）为型钢梁、柱节点大样图。节点设计的关键在于梁纵向钢筋的布置。梁纵筋特别是角筋应尽可能绕过型钢。如存在困难，可适当加大梁宽度，或调整纵筋根数及层数。对于无法绕过型钢的纵筋，当其与柱型钢腹板垂直时，考虑将腹板钻孔；当其与柱型钢翼缘垂直时，采用套筒连接。

腹板钻孔时，钻孔直径应比钢筋直径大5～8 mm，以利于穿筋。腹板因钻孔造成截面损失超过腹板总面积25%时，应采用补强板对腹板进行补强。采用钢筋套筒进行纵筋连接时，应在相应位置设型钢加劲板，以保障传力可靠。

图5　型钢混凝土大样图

3　结语

文章结合淄博建筑工程学校综合实训楼结构设计，介绍了超长混凝土结构设计和南部入口位置大悬挑结构设计。在超长混凝土设计中，采用有限元软件计算出混凝土楼盖在温度作用下产生的内力并根据应力分布规律，采取针对性设计措施，有效减小了温度作用和混凝土收缩变形对结构的不利影响；在南入口位置大悬挑结构设计中，采用以大跨度型钢梁为支座，设置次梁进行悬挑的方式，实现了悬挑尺寸超过7 m的结构设计。

［1］GB 50010—2010，混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［2］华旦，吴杰，干钢.超长混凝土结构的温度应力分析与设计实践［J］.建筑结构，2012，42（7）:56-59.

［3］黄以庄，黄华敬，王利，等.超长混凝土结构无缝设计［J］.建筑结构，2010，40（6）:90-92，25.

［4］孙璨，傅学怡，朱勇军，等.杭州奥体中心主体育场超长混凝土结构环境温差效应分析［J］.建筑结构，2014，44（17）:34-39.

［5］潘立，张建林.超长混凝土地下结构组合应力弹塑性时程分析［J］.建筑结构，2014，44（16）:21-25.

［6］王奇，张守峰，朱炳寅.东营会展中心展馆超长结构设计［J］.建筑结构，2009，39（7）:9-12.

［7］马林建，刘新宇，邱旭光，等.地下超长结构环境温度效应数值模拟分析［J］.建筑结构，2011，41（7）:111-114.

［8］彭英，柯叶君，陈威文，等.超长混凝土结构温差收缩效应分析及工程实践［J］.建筑结构，2010，40（10）:86-90.

［9］GB 50223—2008，建筑抗震设防分类标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［10］蔺建中，孙守荣，王刚.不规则大开洞结构受力性能分析［J］.建筑结构，2007，37（10）:27-29，13.

［11］JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［12］RISN-TG 002—2006，补偿收缩混凝土应用技术导则［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［13］王多民，陈雷，岳君威.北京移动通信综合楼型钢混凝土结构设计与施工［J］.建筑结构，2007，37（12）:58-61.

［14］郭子雄，林煌，刘阳.不同配箍形式型钢混凝土柱抗震性能试验研究［J］.建筑结构学报，2010，31（4）:110-115.

［15］张建文，司马玉洲，张仲先.不同钢骨含钢率的钢骨混凝土梁抗弯性能试验研究［J］.建筑结构，2005，35（8）:79-80，51.

（学科责编：李雪蕾）

Structural design of the Comprehensive Training Building of Zibo Construction Engineering School

Wei Wei，Yi Yongzhong，Li Mingyi，et al.
（Zibo Architecture Design and Research Institute，Zibo 255037，China）

With the development of large public buildings，super-long concrete structures are being widely used.On the base of structural design of the Comprehensive Training Building of Zibo Construction Engineering School，the scheme design of super-long floor and large cantilever at the south entrance are discussed.The temperature stress in super-long concrete floor is calculated，and the adverse effect of temperature on the structure is reduced by setting expansion-reinforcing-band，deploying vertical steel bars.Besides，the structural scheme of the large cantilever on the south of the building is discussed.Steel reinforced concrete structure is applied to meet the needs of bearing capacity and ductility requirements.

super-long concrete structure；temperature stress；steel reinforced concrete

1673-7644（2015）06-0596-04

TU318

A

2015-03-11

魏伟（1982-），男，工程师，学士，主要从事结构设计等方面的研究.E-mail:weiwei0967@163.com