某中学综合楼—风雨操场上部结构设计

刘 顺 宋 勇 钱解煌 胡 亮

(深圳市建筑设计研究总院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230000)

0 引言

学校风雨操场及报告厅等公共建筑中由于建筑使用功能的要求，经常出现跃层柱、大跨度、竖向构件不连续等不规则项，结构设计人员如何在满足结构安全的前提下实现建筑的使用功能需求，需要对此类结构进行合理的选型和仔细的分析，文章针对某存在较多不规则项的多层综合楼—风雨操场上部结构的设计，介绍了针对各类不规则项所采取的设计方法和加强措施。

1 工程概况

本工程地上5层，地下1层，其中地下1层层高为3.7 m，首层层高6.0 m，2层～5层均为3.9 m，结构主体地上高度21.6 m，采用的结构形式为框架剪力墙。

本工程所在地合肥市抗震设防烈度为7度，地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类。按照《合肥市防震减灾条例》第十九条、《安徽省防震减灾条例》第十四条规定，中小学建筑应在本地抗震设防要求的基础上提高一档进行抗震设防，即按7度0.15g，根据《建筑抗震设防分类标准》及《建筑抗震设计规范》，中小学为重点设防类，故地震作用的计算分析按7度0.15g执行，抗震措施按8度，综上，结构基本设计数据见表1。

2 单体不规则项分析

本工程建筑功能分为-1层风雨操场和地上综合教学办公楼，综合楼地上设缝，设缝后分为东西两个单体，结构缝的位置见图1，文章主要针对设缝后东侧单体(图1中斜线区域)分析。

表1 基本设计数据

2.1 楼板局部不连续

此单体风雨操场位于地下1层，由于篮球场净高要求，首层楼板开洞，且风雨操场东侧为下沉庭院，风雨操场东侧局部框架柱为跃层柱。

2.2 竖向构件不连续

由于篮球场布置原因，综合楼局部两跨4根框架柱不能落至-1层，在2层楼面形成跨度20.7 m转换结构，考虑篮球场净高要求，若采用混凝土转换梁对净高影响较大，最终设置高度与3层层高相同的转换桁架，完成对上部3层结构(3跨×6.9 m)的局部转换。

2.3 竖向收进

由于风雨操场区域仅地上1层，存在局部收进的水平向尺寸大于相邻下1层的25%，故存在竖向收进。

综上，该单体(如图2所示)主要存在楼板局部不连续、竖向构件不连续、竖向收进三项不规则项，且由于-1层篮球场布置原因，篮球场屋面形成24.5 m的大跨度混凝土梁，此单体为存在多项不规则的多层建筑。

3 结构分析

3.1 楼板大开洞及大跨度混凝土梁

针对首层楼板大开洞楼板，将该楼层定义为弹性模计算，并对楼板予以加强，首层楼板结合地下室顶板设计，板厚取为180 mm，配筋均双层双向拉通设置，洞口周边边梁截面均适当加大，配筋加强。针对篮球场屋顶24.5 m大跨度混凝土梁，采用预应力混凝土梁，以减小其变形，并且采用结构找坡，减少屋面面层荷载，且考虑竖向地震作用，对支撑大跨度结构的框架抗震等级提高为一级，并对边框柱进行适当加强。

3.2 跃层柱

考虑跃层柱计算长度较大，应适当提高其在地震下的变形能力，本工程跃层柱均采用型钢混凝土柱，且为了保证跃层柱不会在材料破坏之前就发生屈曲破坏，通过YJK软件屈曲分析模块对跃层柱进行屈曲分析计算，从而得到相应跃层柱的临界荷载系数，并计算出跃层柱达到屈曲时的荷载特征值，具体特征值见表2。通过屈曲分析结果可知：该穿层柱的极限承载力值664 699 kN远大于该柱的最大组合内力3 505 kN，表明该柱不会发生屈曲破坏。

表2 跃层柱屈曲分析数据

此外，人工对穿层柱进行手工复核，采用正常柱的剪力、跃层柱的计算高度，对跃层柱进行补充计算，防止跃层柱的破坏发生在普通混凝土柱之前，跃层柱配筋设计时按程序及手算结果的大者设置。

3.3 转换桁架

3层设置的整层高的转换桁架考虑桁架上弦受压、下弦受拉的受力特点，并且考虑施工时下弦距离风雨操场9.7 m，存在高支模，故本工程转换桁架上弦采用型钢混凝土梁，混凝土梁截面尺寸为600×1 100，其内部钢骨尺寸为H700×400×24×32；下弦杆及腹杆均采用H型钢，其中下弦杆截面尺寸为H900×400×34×38，直腹杆FG-1截面尺寸为H450×300×30×36，斜腹杆截面尺寸为H300×350×30×38，钢号均为Q345B。

转换桁架在设置时，要在满足结构安全的前提下，尽可能地满足建筑的使用要求。由于3层建筑功能为教室，部分斜腹杆对建筑门窗洞口尺寸有一定影响，经过结构分析并与建筑协商后，选择如图3所示的腹杆布置方案。在满足建筑门窗洞口设置要求的同时，结构未因转换桁架的设置出现其他不规则项，转换桁架上下层刚度比和层间受剪承载力的比值均满足规范的要求。另外，虽然本工程为多层结构，但考虑本工程转换的重要性，本工程转换桁架设计时结构计算和抗震措施均按满足《高层建筑混凝土结构技术规程》第10.2节“带转换层高层建筑结构”的相关要求，包括抗震等级的选取、支撑转换桁架的框支柱的构造措施、剪力墙底部加强部位的选择等要求。

3.4 时程分析及性能化设计

除了上述针对各种不规则情况的常规计算外，考虑本工程不规则项较多，属于较复杂的多层建筑，为确保结构有足够的安全度补充了时程分析，并且针对结构的不规则项补充性能化设计。

1)时程分析：本工程取三组加速度时程曲线进行多遇地震下的时程分析补充计算，并将地震波产生基底剪力与CQC法基底剪力进行比较，其结果见表3，表4，结合时程分析结果，结构设计时对多遇地震下的地震剪力取全楼统一的地震剪力放大系数1.15进行计算。

表3 主方向0.0°时多条波包络值与CQC法计算结果比较

表4 主方向90.0°时多条波包络值与CQC法计算结果比较

2)性能化设计：针对本工程的不规则情况，首先需要确定结构的抗震性能目标，结合本工程抗震设防类别、结构的重要性、设防烈度及场地条件等，按《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.11.1节确定采用性能目标。并根据确定的性能目标，确定如表5所示的主要关键构件性能化设计参数及指标。

表5 主要关键构件性能化设计参数及指标

此外，考虑到单体采用的钢结构与混凝土结构共同工作，在地震计算时结构的阻尼比的选取也需要综合考虑，根据《抗规》附录G中G.1.4条相关要求，结构的阻尼比不应大于0.045，因此，设计时除按照材料区分阻尼比进行计算外，还采用了综合阻尼比0.045复核结构设计，其计算结构均满足相关规范的要求。

4 节点构造

由于本工程采用了大跨度预应力混凝土梁、型钢混凝土梁柱、钢结构转换桁架等较复杂结构形式，需要处理好大跨预应力梁与型钢柱(如图4所示)、型钢混凝土梁柱(如图5所示)以及钢桁架节点(如图6所示)等复杂节点的连接。

实际施工过程中，此类复杂结构比传统的混凝土或者钢结构施工难度更大，对预应力混凝土梁、转换桁架均要求具有相应资质的施工单位进一步深化设计，相关的施工方案也要求进一步论证后方可实施。

5 结语

本工程结合某中学综合楼—风雨操场项目上部结构设计，介绍了针对复杂多层学校建筑所存在的各项不规则情况以及针对相应不规则项采取的设计加强措施，重点针对学校类建筑中风雨操场较容易出现的楼板大开洞、大跨度混凝土梁、跃层柱等进行结构分析和构造加强；此外，针对转换桁架在本工程中的应用作了详细的介绍，并且对类似出现多项不规则项的建筑应进行的时程分析和结构性能化设计做了简要的介绍。通过本工程的分析设计，建议对类似项目除进行常规的设计加强外，还应根据规范确定适用于本工程的抗震性能目标，进行了合理的结构布置方案优化和调整，根据计算对关键部位采取更为有效的加强措施，满足规范相关抗震要求，达到预期的抗震性能目标，最后通过对关键节点构造的介绍，明确设计阶段应进行的节点加强措施，对类似结构的设计有一定的参考和指导意义。