公共建筑结构设计分析

商群涛

奥意建筑工程设计有限公司 广东深圳 518000

摘要：本文根据工程实例对某公共建筑结构设计采用的多种解决方案，在不同部位能较好地满足建筑功能的需求，供同行借鉴参考。

关键词：公共建筑；结构设计

一、工程概况

本工程为单体建筑，总建筑面积1.4x104m2。建筑内部由剧场、会议商务、展厅等功能组合而成。由于建筑功能的多样化，出现跃层或层高不同、大跨度楼盖等平面及竖向均不规则的现象。主结构为框架结构，业主要求要以低成本及多种结构形式混合来达到建筑功能的要求。本项目的结构设计重点是如何通过调整结构布置和加强结构整体性能来满足复杂结构的抗震性能。工程抗震设防分类为重点设防类，抗震设防烈度6度，抗震措施7度，框架的抗震等级二级，50a一遇的基本风压0.35 kN/m2，地面粗糙度类别B类；风荷载体型系数1.3，钢筋混凝土强度等级均为C30一C40，钢筋采用HRB400，钢材采用Q345B及1860级钢绞线。设计荷载均按现行荷载规范进行取值。

二、岩溶地区基础设计

考虑施工的方便及可靠性和结构的经济性，采用钢筋混凝土柱下独立基础，场地处在石灰岩溶地区，部份岩面高出基础埋深的石灰岩，需进行凿除；部分基础位于岩层断面处，且落差较大，需加大受力面积并用混凝土填平至最高点方能做基础持力层；部分基坑经开挖较大深度后仍未发现持力层（如舞台后侧部分的基坑），持力层承载力特征值 ；设计采用换填毛石混凝土的方法处理该部份基础，严格控制相鄰基础的沉降差满足规范要求。设计在施工过程中根据现场实际情况确定了基础的处理措施，但每个基础的埋深随岩石面变化、处理措施均有不同。持力层变化大，岩面破碎，从局部岩面出露，到岩面深7～10m，采用独立基础，现场逐一核准每一基础标高、尺寸，减少了桩基施工难度。

三、不规则平面、超长结构设计

结构长104.8 m，宽74 m，平面不规则，存在开大洞和楼板不连续的情况，楼面亦存在高差、错层。结构设计中通过调整结构布置、加强薄弱部位的连接及周边梁板的配筋，采用弹性板计算复核配筋等措施，保证结构平面的刚度和整体性能。

此外，由于建筑立面及功能需要，平面内不设置抗震缝和伸缩缝。但由于结面内设置了后浇带，并加强了构件配筋。结构的平面布置如图1所示。

图1 二层平面结构布置

四、大跨度混凝土楼盖设计

展厅、大型会议室的屋面为大跨度结构，展厅的跨度为17.4 m，梁高限制900 mm。为满足强度、变形要求，采用后张有粘结预应力梁。梁截面尺寸400 x 900，跨高比约1 /20，预应力梁单向布置，梁间距为2.5 m。采用预应力梁的优点是施工简单、变形小。典型预应力梁施工图如图2所示。

图2 预应力梁

主体完工后预应力部分的实景如图3所示，整个楼盖呈现出一种结构之关，梁截面整齐划一，梁沿一个方向布置时纵向可走喷淋答，有效满足净高需要。

图3 20m跨度预应力梁展厅施工完成图

1～4层展厅、两边门厅部分框架跨度为14.2 m，柱距为8.2～12.6 m不等。经过对比分析，在此跨度以内可以不采用预应力，简单采用单向密肋梁楼盖予以实现。梁高为900mm，梁间距为2.1 m，在恒载和活载作用下梁的挠度不满足要求，要求施工时预先垂直向上起拱，最后计算发现梁配筋并不大，仅1.2%左右，在经济配筋率范围之内。密肋梁的布置如图4所示。

图4 密肋单向楼盖局部平面布置

五、钢结构屋盖设计

剧场屋盖横向跨度30m，长30m，舞台顶屋盖宽30m，进深20 m。从便于施工、经济竹省的角度来考虑，观众席及舞台屋盖采用钢管析架+支撑的钢结构屋盖体系，屋面采用钢筋桁架楼承板，满足建筑隔音要求的同时也避免了高空支撑模板的困难。观众席钢屋架下安装悬挂面光桥，舞台钢屋盖下悬挂演出设备的钢构格栅，作为一个整体进行设计。

采用钢桁架结构的优点是自重轻，设备管道等可以从桁架中间穿过，间接增加建筑空间。不占用建筑空间，在大跨度结构中经常使用。钢桁架和混凝土楼板及周边混凝土结构结合部分构造需考虑防水及建筑美观。

钢结构的图纸绘制应采用简明、清晰的表达方式以便于施工。钢构件的设计连接充分考虑减低施工难度。实际施工反映效果良好，钢结构施工安装没有施工难度，钢析架采用地面拼装完成，一次安装就位，高空作业的工作量很少。

剧场屋盖采用钢结构桁架（图5），为满足剧场的隔声要求采用钢筋混凝土屋面板。剧场屋面离地面标高为19.4m，28.2m采用普通模板现浇楼面的方式，其高空模板施工代价过大，经比较采用不需要模板支撑的钢筋桁架楼承板，降低了施工难度并节省了高空支模成本。

图5 观众厅钢结构屋盖平面布置

钢筋桁架楼承板是将楼板中的钢筋在工厂采用设备加工成钢筋桁架，并将钢筋桁架与镀锌钢板在工厂焊接成一体的组合模板。该模板系统是将混凝土楼板中的钢筋与施工模板组合为一体，组成一个在施工阶段能够承受湿混凝土自重及施工荷载的承重构件。在使用阶段，钢筋桁架与混凝土共同工作，承受使用荷载。钢筋桁架楼承板上、下弦钢筋采用成盘供应的热轧带肋钢筋（HRB400）或冷轧带肋钢筋（CRB550级）；腹杆采用成盘供应的冷轧光圆钢筋；底模采用镀锌钢板，厚度常用为0.5 mm，双面镀锌量不小于120 g /m2。钢桁架楼承板具有技术领先、施工快捷、抗震、防火、防腐性能好、质量稳定、安全可靠、板底平整、关观环保、选材经济、综合造价低、板型丰富等优点。本项目采用的钢筋桁架楼承板如图6所示。

图6 钢筋桁架楼承板

六、计算分析

（一）SATWE弹性反应谱计算结果

结构计算软件卞要采用SATWE进行计算。在弹性阶段各项指标均在规范允许范围之内，其中前三个周期为 ，X方向位移比为1.14，Y方向的位移比为1.22。从计算结果来看，虽然平面较为不规则，但可通过楼面加强，尽量调整竖向构件布置等方式，结构抗扭转性能较好。

（二）弹性时程分析结果

由于平面不规则，设计时采用了SATWE进行了小震作用下的弹性时程分析。根据抗震规范，加速度峰值取18 cm/S2，通过与反应谱方法进行比较，反应谱方法分析出结构X方向和Y方向最大层间位移角分别为1 /3 174及1 /2 175，而弹性时程分析方法得出结果为1/3 033和1/2 066，结果比较接近。在基底剪力方面，反应谱方法分析时X方向和Y方向剪力分别为5003 kN和4163kN，而弹性时程分析方法得出结果分别为5820kN和4710kN，结果相近。

（三）静力弹塑性分析结果

为了考察结构在大震阶段的表现，采用静力弹塑性分析方法对结构进行了考察，所用软件为EPDA&PUSH，采用第一振型的楼层剪力分布模式作为侧推荷载模式，静力推覆结果如图7所示。罕遇地震性能控制点对应的x方向结构顶点位移为30.6 mm，此时基底剪力约为20 346 kN，约为小震时的4倍，最大层间位移角为1 /588远小于规范的1/100的限值。说明结构在罕遇地震下也能保证足够的承载力和刚度。

图7 静力弹塑性分析能力谱与需求谱

设计还分析了罕遇地震作用下塑性铰的发展情况。随着荷载一步一步增加，二层平面图中右上角楼板削弱比较严重的周边梁柱首先出现塑性铰，随后就是右侧柱子不断出现塑性铰直至完全屈服，而在此过程中左侧区域由于楼板比较连续，梁柱出现塑性铰的不明显。此结果进一步说明楼板对于结构抗震性能的贡献比较显著，结构设计时应尽量采取措施减小楼板开洞对结构整体性能的影响。

七、结束语

本公共建筑面积不大，但是如何通过合理的结构设计、采用不同的技术以满足建筑功能和结构本身受力的需要是结构设计必须考虑的问题。设计中必须对平面和竖向进行优化，使得结构设计除了保证建筑本身的安全和抗震需要之外，能更好地为建筑功能服务。本工程设计过程在建筑的不同部位混合采用不同结构形式的设计思路可供同类建筑参考。

参考文献：

[1]GB50011--2010 建筑抗震设计规范[S]

[2]JGJ 3-2010高层建筑结构混凝上结构技术规程[S]