某高校实验楼的结构方案选型

张　材，童来富，张庆山

(浙江工业大学工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310014)



某高校实验楼的结构方案选型

张材，童来富，张庆山

(浙江工业大学工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310014)

结合某高校实验楼具体工程实例，从建筑功能、结构体系、技术经济指标等综合因素，对建筑单体采用多种不同结构体系进行计算比较，最终选用最佳结构体系方案，并为型钢混凝土在大跨度复杂结构设计中的应用作了一定的尝试。

结构方案选型；型钢混凝土；构造措施

1　工程概况

本工程为实验楼，包含1#楼、2#楼、3#楼及地下室，位于浙江省杭州市，项目总建筑面积44 389 m2，鸟瞰图见图1，局部平面见图2，剖面图见图3、图4，主要功能为教学和实验室，地下室部分层高为4.10 m(局部5.10 m)，主要功能为地下汽车库。

图1　鸟瞰图

图2　教学楼局部平面图

图3　1#楼剖面图

图4　2#楼剖面图

2　工程设计中需解决的难题

2.1结构方案的合理选择

本工程处在6度抗震设防地区，设计基本地震加速度值为0.05 g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。考虑到机械大楼各部分的建筑功能、层数及结构形式的不同，通过多次计算比较，设置合理的结构缝，划分了不同的结构单元。

2.2结构选型与初步分析

本文选取1#楼剖面(图3)和2#楼剖面(图4)两个单体来分析。

经初步结构计算，分析得出如下难题：

1)建筑结构体系存在平面不规则，质心与刚度中心存在较大偏移，呈扭转不规则；已达到《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》[1]表3.4.3.1的两种主要平面不规则类型的标准；

2)由于底层为大型承重实验室，运行吊车需抽柱，形成大跨度框架结构且需抬柱，造成竖向抗侧力构件不连续，且抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%，已达到[1]表3.4.3.2的两种主要竖向不规则类型的标准；

3)建筑条件已限定首层高度(1#楼为10.450 m,2#楼为6.450 m)，考虑到中间运行的吊车空间及起吊高度，客观上限制了大跨梁的净高(1#楼为1.500 m,2#楼为1.300 m)。

本工程结构体系平面不规则和竖向抗侧力构件不连续，为了满足建筑功能要求，通过合理的结构体系选型和整体优化，使结构周期、弹性层间位移角、地震作用等各项规范指标达到要求，避免结构体系扭转不规则和楼层承载力突变以及解决大跨度梁的净高是本次结构设计的核心目标。

2.3方案比较

由于项目的特殊性，选择了4种结构方案，分别是：

方案一为普通钢筋混凝土框架结构；

方案二为大跨预应力钢筋混凝土梁的框架结构；

方案三为大跨部分采用型钢混凝土梁、柱的框架结构[2-3]；

方案四为大跨部分采用型钢混凝土梁、柱的框剪结构。

采用中国建筑科学研究院开发的PKPM2010 V2.2的SATWE程序,进行结构计算并分析。见表1、表2。

表1　底层大跨框架梁、柱估算结果

备注：以上数据不含型钢的配筋率；1#楼底层跨度20.0 m，2#楼底层跨度17.0 m。

表2　1#楼方案三和方案四的计算指标

通过对表1、表2分析可知，方案一的梁、柱配筋率过大，基本可以排除；由于单体都是底层单跨抬柱形式，属抗震不利结构，且方案二的的柱配筋仍然过大，预应力梁本身预应力度也偏高，为满足要求，还需再加大梁、柱截面，且预应力梁的锚固端头也影响立面效果，综合多方面的因素考虑，排除了方案二；最终经过多次计算和分析，选择了如下方案：

1#楼采用方案四(结构平面布置图见图5)和2#楼采用方案三(结构平面布置图见图6)，满足建筑功能和规范要求，也缩短了施工周期。

图5　1#楼结构平面布置图

图6　2#楼结构平面布置图

2.4减少吊车振动对结构影响的措施

首先，考虑到实验楼投入使用前，底层地面设备安装需要频繁用到吊车的情况外，正常教学时间利用率不高，选用吊车的工作制为电动单梁级别，吊车运行对周边的影响很小；其次通过加大吊车轨道型号和改进吊车梁与轨道的连接大样等措施，减小吊车运行振动对上部的影响；最后,通过加厚实验楼的二层结构楼板至150 mm,也能降低振动对上部建筑物的影响。

3　型钢混凝土结构的构造措施

型钢混凝土结构承载力高、延性好，具有良好的抗震性能。本工程由于建筑功能的需要，造成了平面和立面的结构布置不规则，采用型钢混凝土结构能够很好地解决大跨抬柱及重荷载的构件，但是型钢混凝土结构节点构造复杂，施工难度高。为了提高抗震性能并方便施工，结合工程实际提出了如下几点构造措施：

1)转换层的梁、柱抗震等级按提高一级设计，型钢柱的钢骨往上延伸一层；

2)转换层楼板需加强，板厚按150 mm设计，板钢筋双层双向，配筋率应不小于0.25%；

3)型钢混凝土柱的纵向钢筋遇型钢梁时，采用套筒连接，见图7；

4)型钢混凝土梁的上下钢筋遇型钢柱时，采用型钢柱上加焊钢牛腿的做法，见图8；

5)型钢梁腹板两侧加设栓钉。

图7　型钢混凝土柱配筋构造示意图

图8　钢牛腿大样

4　结　语

一个现代化的教学大楼的结构设计，不仅仅要满足其受力安全和使用要求，还应力求使其方案更合理，以达到更好的安全性与经济性，为此可以从以下几点着手：

1)选择合理的受力体系与结构方案以及合适的节点构造措施；

2)对作用在结构上的荷载做正确的分析与取值；

3)按受力特点与构造重要性进行构件规格的选择；

4)要充分考虑施工现场可能存在的困难，便于施工也是设计需考虑的一项内容。

要达到以上要求，就需要进行多次设计，并在工程中不断积累经验，要从建筑方案与结构方案综合考虑，从结构体系的选择到构件的布置、节点的构造，并对荷载正确取值、节点详图设计、图纸质量等多方面作详细推敲。

[1]中国建筑科学研究院.GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2]中冶集团建筑研究总院.YB 9082—2006钢骨混凝土结构设计规程[S].北京:冶金工业出版社,2007.

[3]中国建筑科学研究院.JGJ 138—2001型钢混凝土组合结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

The Structure Model Selection of theLaboratory Building for a College

ZHANG Cai, TONG Laifu, ZHANG Qingshan

2016-03-22

张材(1983—)，男，浙江绍兴人，工程师，从事建筑结构设计工作。

TU318+.2

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1008-3707(2016)06-0013-04