杨鹏鹏
(太原市建筑设计研究院,山西 太原 030002)
结构设计是保证建筑工程质量、安全、经济等指标的关键,受到超长复杂高层建筑结构的限制,其设计及施工难度较大,结构稳定性和安全性对外部因素变化的敏感程度较高。结构设计过程中,要充分考虑各种因素对结构性能的影响,通过合理设计,确保此类建筑结构的正常使用。
某会展中心为典型的超长复杂高层建筑结构,地上5层、地下1层,结构高度为 30.6m,地上结构长度为 75.6m,结构形式为框架-剪力墙结构。建筑抗震设防烈度为 8度 0.20g,地震分组为第二组,基本风压为 0.40kN/m2,基本雪压为0.35kN/m2。首层局部挑空,楼板中部大开洞,楼板连续性较差;四层会议室局部抽柱导致框架梁跨度较大,采用型钢混凝土梁,与其相连的框架柱亦采用型钢混凝土,并向下延伸一层,均为H型钢Q345B;顶层为满足展厅功能多变,结构中部抽柱形成大跨空间,其屋盖采用钢网架;同时,在混凝土结构中局部采用型钢及钢结构,结构构件连接节点类型较多,施工难度较高。
超长复杂高层建筑的主体结构大多为现浇钢筋混凝土结构,其受力性能易受温度变化的影响。设计过程中,需要重点解决的问题就是抗混凝土干缩,并对温度变化引起的结构应力进行控制[1]。本工程当地最高平均气温在34℃左右,最低平均气温约为-16℃,当所处环境温度变化较大时,结构内部将会产生较大的温度伸缩应力,进而导致混凝土表面出现裂缝。为考虑温度应力对施工的影响,在结构长度方向的中部附近每层设置1条宽度为800mm的温度后浇带(结构1/3跨中范围内),并加强后浇带处楼板配筋,将地上结构划分成2个施工单元,使得结构长度不超过 55m,以满足现行混凝土结构设计规范的要求。其次,适当增加结构边跨楼板以及屋面板配筋率,并双层双向配筋,对楼板产生的温度应力进行控制。还有,位于楼、电梯间位置的剪力墙刚度较大,可在一定程度上抑制混凝土的收缩变形。此外,建筑外墙、屋面均采取了设置保温隔热层的建筑防护措施,对结构的温度应力控制亦起到了有利作用。
为发挥对温度应力控制的最佳效果,设计需与施工相互协调,对混凝土结构施工方案进行细化。要求在混凝土原料配比过程中,优先选用水化热较低的水泥,严格控制砂子、石子粒径,确定合适的水胶比,对混凝土在凝固过程中的放热进行控制。同时,根据施工时的室外气温,制定合理的后浇带封闭时间,使结构得到充分的温差伸缩变形。封闭后浇带时,应先将后浇带范围内的杂物清理干净并浇水充分湿润,采用比原结构强度等级提高一级的微膨胀混凝土浇筑密实。另外,选择晴好天气开展混凝土浇筑工作,保证浇筑时环境温度在20℃左右,以免引发过高的内外温差。对于混凝土在凝固过程中易出现干缩的问题,可在混凝土初凝后,对其进行二次压光处理,处理后再在其表面覆盖塑料薄膜,并进行洒水养护。若不可避免进行冬季施工时,还应对混凝土结构全面覆盖棉被或草帘进行保温,加强对温差的控制[2]。
超长复杂高层结构由于结构形式的特殊性,一般都会存在明显的结构不规则问题。在结构设计时,首先应从概念方面找出建筑方案中的超限问题,并及时沟通,尽量将超限问题在方案阶段解决。其次,对于整体结构,应弱化结构内部刚度、增强结构外围刚度,并对结构的薄弱部位采取有效的加强措施,促使结构的刚心与质心尽量重合,使得结构第一、二周期均为平动,且平动系数宜大于90%,并控制结构第一扭转周期与第一平动周期的比值小于 0.9[3],以免地震时结构产生过大的扭转导致开裂、失稳。对于本工程,设计时提高了位于开大洞周围楼板的厚度及配筋率,并双层双向配筋,同时适当增大了洞口周边梁截面及配筋,以增加楼板的平面内连接,为更好的传递水平地震剪力。对于型钢梁,采取抗震等级提高一级,箍筋全长加密,提高梁强剪弱弯的变形能力。
结构竖向方面,竖向抗侧力构件宜上、下贯通至基础顶,避免出现梁托柱、墙的转换结构。对于本工程,需要对结构关键部位、薄弱部位的框架柱采取加强措施。设计中,将楼板开大洞周围、顶层支撑钢网架的框架柱及型钢柱的抗震等级均提高一级,并将柱箍筋沿相应楼层全高加密,以提高结构的抗倒塌能力;在楼、电梯间以及结构的边角部位设置剪力墙,加强结构的抗侧刚度,避免产生薄弱层,使得各层的最大层间位移角和最大水平位移比均满足现行建筑抗震设计规范的要求。
本工程主体结构同时使用了型钢、钢筋和混凝土,存在多种类型连接节点。比如,型钢与混凝土连接、柱中型钢与梁中型钢连接、柱中型钢与梁中钢筋连接以及梁、柱箍筋与型钢的排布方式等。由于节点处受力情况复杂,而且从概念设计上也要求“强节点”设计,因此节点设计是结构设计的要点之一。
进行设计时,应遵循以下原则:首先,保证节点处能够顺利传递荷载;其次,钢筋混凝土的节点连接应连续进行;最后,节点的拼接位置应为后期施工提供方便。以本工程型钢梁与型钢柱的连接为例,设计时选用刚性连接,并结合连接节点的不同位置,设计出梁、柱型钢连接及梁中钢筋在柱中锚固的节点大样,梁与柱的连接固定点应位于柱中的型钢处,以确保将节点处所受的应力合理传递到混凝土结构中。
只有结合建筑功能的空间分区,才能对结构方案进行有针对性的比选和优化。本工程顶层为多功能大厅,平面接近正方形,展厅设计净高6m,跨度将近40m,为大跨度结构,结构设计需满足展厅、会议室等空间需求。
对于多功能大厅屋盖的设计,曾提出两种结构方案,分别为设置井字型钢梁和钢网架。通过对整体结构的计算分析和综合比较,最终采用了钢网架形式。本工程钢网架为正放四角锥焊接空心球结构,网架高度为2.0m,网格密度为3×3m,上弦多点支撑于框架柱顶。该屋盖形式在大跨度空间结构中的应用较为广泛,具备稳定性高、结构刚度大、抗震性能优等特点。此外,钢网架的生产相对于井字型钢梁更为简单,而且安装操作便捷,能够有效节省工程造价和施工时间,为业主带来经济效益。
随着大型、多功能建筑项目需求的提升,将会有更多的超长复杂高层建筑结构被应用。在结构设计中,应综合考虑超长复杂结构的不利因素、施工难度和工程造价,进而设计出功能性、美观性和经济性俱佳的结构方案,不断提高超长复杂高层建筑结构的设计水平,促进建筑行业进一步发展。