南京大学大学生活动中心结构设计探讨

文/陈佳 南京大学建筑规划研究院有限公司 江苏南京 210093

南京大学大学生活动中心结构设计探讨

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根据上述特点，经与建筑师协调，房屋高度较低区域柱截面加大，房屋高度较高区域：单层空旷区域柱截面不变，加大配筋；其他区域柱截面加大至建筑师许可的最大程度，在中震弹性不够的方向单向加剪力墙翼墙，翼墙同建筑师协商尽量为长肢墙，局部无法避免短肢处短肢墙的截面高度与墙厚之比不小于6。

截面、配筋按中震弹性分析调整后，根据抗震规范，进行pushover静力弹塑性分析，附图中给出了结构的能力曲线与需求曲线，能力曲线与需求曲线的交点性能点处结构的最大层间位移角约为1/260左右，满足规范要求。

3.裙楼屋面斜板的设计

（3.1）屋面斜板地震作用下的应力分析

屋面斜板斜度较大，根据方案阶段的计算结果，若将屋面板按坡屋顶用平屋顶方式建模模拟，结构的第一周期为1.4s，而将屋面板按真实斜度建模，结构的第一周期为0.9s，这表明，屋面斜板对抗侧刚度的贡献不容忽视，同时，各个分区域刚度相差较大，中间楼层楼面标高众多，区部楼板缺失，完整的屋面板是将各个分区域连接成一个整体，有效空间协同工作的重要抗震构件。屋面板在地震作用下应具备一定延性，这对确保整个结构的抗震延性，实现抗震性能设计目标有重要意义。为确保抗震性能目标的实现，对屋面斜板进行中震弹性计算，经反复计算，调整板厚，对局部薄弱部位进行加强，最终屋面斜板中震地震作用下各向应力计算结果的最大值如下表2，详细的图形计算结果见附图。

表 2 各向中震作用下楼板的应力（MPa）板压应力X向中震Y向中震板拉应力X向中震Y向中震Sx -1.064-0.405 Sx 1.16 0.373 Sy -1.33-0.483 Sy 0.505 0.458

从计算图形结果可以看出中震地震产生的楼板拉应力峰值出现在屋面板端角、转折角部、屋面板缩颈部两端，方向与屋面板长向方向大致相同，最大拉应力峰值未超砼拉应力设计值ft。

（3.2）屋面斜板温度作用下的应力分析

屋面板x向长度约123m左右，y向长度约80m左右。屋面板呈盘旋上升之势，为一侧放U型板带，U型板带总长约280m，结构未设温度缝，且屋面高度相差较大，其下竖向构件抗侧刚度差异较大，且U型板带形状不规则，存在缩颈、转折区域，使得屋面在温度作用下呈现复杂应力状态，有必要进行温度应力分析。

温度应力由砼的自身收缩及季节温差两部分产生，砼收缩应力通过等效当量温度模拟，考虑为-15℃，屋面间隔30～40m设置后浇带，后浇带封闭前考虑砼收缩完成60%，砼水化热产生的温度应力设定在后浇带封闭前已经释放。对于季节温差，南京最冷月份的平均温度为-2℃，最热月份的平均温度28℃，对于季节温差，选择合适的砼浇注时间可有效降低结构的温度应力，对于本工程，土建施工为6月份开始，为确保屋面砼浇注在低温季节进行，通过与甲方及施工单位会商，明确屋面砼浇注的时间为来年三月份，该月的平均温度为10℃。因此结构考虑两种温度工况：升温：28-10-0.4*15=12℃；降温：-2- 10-0.4*15）=18℃。计算应力时，温度作用的组合值系数、频遇值系数和准永久值系数分布取0.6、0.5和0.4，应力折减系数取0.3，砼弹性模量折减系数取0.9。

屋面斜板温度作用下各向主应力计算结果最大值如下表3，详细的图形计算结果见附图。

表 3 温度作用下楼板的应力（MPa）板压应力升温工况降温工况板拉应力升温工况降温工况S1 0.503 3.456 S1 -1.067-0.16 S2 0.143 1.422 S2 -2.592-0.671

从计算图形结果可以看出，温度产生的楼板拉应力峰值出现在屋面板长向的端部和中部，最大峰值出现在中部，其值大于屋面板砼轴心抗拉强度设计值1.43MPa（C30），方向与屋面板长向方向大致相同，其位置与中震应力峰值位置不在同一区域。

（3.3）屋面板结构设计措施

根据计算结果，经院内部结构方案论证，决定沿屋面板长向通长施加预应力，以抵消砼产生的拉应力。因屋面板平面复杂，各区域抗侧刚度相差较大，为避免施加预应力产生过大的次应力，将预应力筋的布置与楼面梁的设计结合起来，预应力筋全部集中布置在楼面梁中，预应力筋线型为直线筋，沿截面形心轴布置，仅施加预压力，梁板截面施加的预应力平均压力约为2MPa，基本抵消中震作用下屋面板的拉应力，大致保证温度及预应力作用下屋面板砼的拉应力不超砼轴心抗拉强度设计值。预应力筋屋面结构布置图见附图。同时，加强材料及施工工艺控制，对材料、砼配合比、外加剂严格控制，对砼骨料、水泥品种、级配、外加剂。水胶比等给出具体量化指标，对砼浇注、养护给出详细的技术要求。

4.裙楼施工的难点及设计的考虑

本工程造型独特，屋面为平斜板+连接板组成，平斜板斜度及方向均不同，为空间平斜板，为保证空间平斜板平滑过渡，连接板呈现曲面板的形态，该点也是建筑造型的特色之一。下图为其中一块曲面板的单向视图。斜板两端端部横截直线倾斜方向组成x型，以两根端部直线为基准线按级数等分，相对直线连接两端部直线等分点即得斜板网格线。左端最高台阶与最低台阶高差10m，右端最高台阶与最低台阶高差7m，斜板底面连接为一曲面。

图3 曲面造型板A向视图

曲面板区域较大，以上图为例，该曲面板区域约40*50m，越过好几个柱跨，区域需布置框架梁及板格屋面梁，同时，由于使用方要求，随屋面高度增加，其下楼层数也增加，以保证尽可能多的使用面积，楼层过渡区域顶层楼层的使用净高没有富余，屋面层梁应紧贴曲面板，呈曲线梁造型。由此，曲线梁、曲面板施工如何定位成为一个难点，目前尚无专业结构软件解决该问题，根据本工程特点，利用现有cad软件，建立实体模型，再对实体在需要的方向取截面，可得该方向建筑造型的上下轮廓包线，结构骨架层应位于该包线之中，对于曲梁，采用折线去逼近曲线，给出折梁的折点处的位置及标高，对于曲板，设计采用网格三角形逼近曲面，每个三角形区域为斜平板，详细定位图给出每个三角形的坐标和标高。通过对实体模型若干方向取一系列截面，对曲面区域所有的梁高、板厚及梁板的转折形状进行定位，确保建筑造型及其下使用空间净高，设计给出每根梁，每块折板的模板定位图，以指导施工。下图为典型折梁、折板模板定位图。

图4 典型折梁、曲板模板定位图

对于屋面斜板，局部区域斜板斜度过大，施工浇筑困难，通过与施工、监理会商，对砼配合比提出要求，避免初凝过早，同时对施工过程操作给出详细要求，在满足施工条件下，尽量减少坍落度，避免在大风降温天气时浇注砼，施工中根据斜板倾斜度不同，采取相应的措施，斜度较大板表面设置模板，斜度中等板表面采用小间距钢丝网格压面，斜度较小板采用大间距钢丝网格压面。通过各方努力，顺利解决斜板成型问题。

三、结语

本工程为本院首例与国外建筑师合作项目，因国外建筑师抗震概念薄弱，建筑方案过于强调仿生，结构平、立面复杂，为特别不规则结构，通过施工图设计阶段与建筑师的紧密配合，审图阶段结构专家的指导，以及施工阶段甲方及施工单位的大力支持，对该结构在方案、设计、施工三阶段认真准备，精心设计，以及积极配合施工，较好的完成了该项工程的建设。

[1] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].

[2] JGJ3-2010, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]韩重庆，孟少平，大面积混凝土梁板结构温度应力问题的探讨[J].建筑技术，2000,（3）.

[4] 王铁梦.《工程结构裂缝控制》