钢结构设计方案简化

邹晓帆

（北京首创华业房地产开发有限公司，北京 100000）

0 引言

随着我国已建成的建筑越来越多，人们对日新月异的生活文化需要的增加，建筑的功能和质量成为人们关注的一个焦点，同时，我国也是一个人均资源占有量相对紧缺，能耗总量相对较大的国家。发展循环经济，保护生态环境，实现可持续发展成为国家的发展目标，目前最适宜的结构首推钢结构。

钢材于其他建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多，弹性模量也高，因此结构构件质量轻且截面小，特别适用于跨度大，荷载大的构件和结构。钢结构自重轻，可以减小地震作用，进而减小结构内力，还可以使基础的造价降低。由于钢材的强度高，构件截面小，所占空间也就小。以相同受力条件的简支梁为例，混凝土梁的高度通常是跨度的1/10~1/8，而钢梁约是1/16~1/12，有效的增加了房屋的层间净高。由于钢材内部原子排列均匀接近各向同性，钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算模型，因此可靠性高。同时，因钢材塑性、韧性好，耗能能力强，一般不会因超载而发生突然断裂，适于承受动力荷载和冲击荷载，抗震性能非常优越[1]。

1 钢结构设计情况介绍

某配套中小学位于北京市，总建筑面积为23296m2，其中地上建筑面积16776m2，地下建筑面积6520m2。由三个相连的单体建筑组成，之间由抗震缝分开，地下一层，地上五层，三个建筑围护的位置有下沉庭院。

北楼首层为地下一层的风雨操场的上空范围，开洞尺寸为36.65m×20.00m，形成楼板开洞的情况，属于结构平面不规则，而且为了满足风雨操场使用功能要求，保证篮球场内没有柱子，在风雨操场顶的位置设计了转换钢桁架将从3.980m标高开始的钢框柱进行了转换框支，框支的范围为2~4轴的位置，共有6根钢框柱，框支转换桁架梁的轴线跨度为19.500m，属于大跨度框支转换。

东楼地下一层为报告厅、维修用房、给水泵房、消防水泵房等功能房间，由于报告厅为大空间房间，需要将柱子位置移动避免遮挡后排视线，柱距变为13.8m，地上同位置柱距为10.5m，形成框支转换。

整个项目北楼、东楼、南楼围成的室外区域设置了-6.100m深的下沉庭院，使得三个单体建筑在-1层的职位缺少部分侧限，对结构设计产生不利影响。根据北京市建设工程施工图设计文件审查专家委员会房屋建筑组的《北京市建设工程施工图设计文件审查专家委员结构专业相关问题研讨会纪要2015（京施审专家委房建〔2015〕结字第1号）》6.1条的要求，紧邻下沉式庭院的地下一层外墙，当起总长度大于建筑面积总周长的1/4或某侧的长度大于相应单边边长的1/2时，整体结构应分别按嵌固在地下一层顶板和地下二层顶板两种计算模型进行包络设计；底部加强部位应延伸至地下一层。结构计算的设计高度需要从基础顶算起，即7.3+21=28.3m，已经需要执行高钢规设计规范[2]。

根据以上各条原因，将三个单体建筑设置抗震缝分开，单独进行结构计算，保证这个项目不出现三项不规则的情况，避免成为超限建筑。

2 各单体建筑的结构设计介绍

2.1 北楼设计情况

北楼地下一层建筑层高为5.7m，由于地下一层室外为下沉庭院，结构埋深需要从下沉庭院室外标高开始向下计算结构基础埋深，深度需大于房屋高度的1/15，结合地勘报告确定基础埋深为-7.700m，筏板厚度400mm，地基进行CFG地基处理。由于产生框支，只有周圈的框架柱将重力传递至基础筏板，所以在筏板上设置了1.8m高的地基梁平衡变形。地上的钢框架柱在地下一层为型钢混凝土柱，在地下一层的层高范围可以形成外包柱脚。北楼北侧和西侧地下一层直径紧邻覆土，但是首层为风雨操场的开洞范围，如果将外圈框架柱之间用混凝土墙连接在一起的话，会造成土压力直接传递到框架柱上，正负零位置没有楼板，且内侧有下沉庭院，缺少另外一侧的土压力来平衡，只能靠结构自身截面和配筋程度土压力，再加上地下一层7.3m的结构高度，首层4.2m的层高，在土压力和地震荷载共同作用时，地下一层的框支柱的外侧柱底弯矩太大，结构方案严重不合理。为了解决这个结构难题采取了外挡土墙和型钢混凝土柱分开，之间留设变形缝的做法，在北侧型钢混凝土柱外侧单独设计了一道挡土墙，墙顶标高至-1.600m，上侧设置盖板。此结构方案的优势是简化的整个建筑的受力传递路径，将土压力完全由挡土墙自己承担再传递给基础。北楼结构受力完全靠主体结构自身承担，结构体系明确，减轻了型钢混凝土的所受荷载[3]。

通过和外审老师的沟通，并结合《北京市建设工程施工图设计文件审查专家委员结构专业相关问题研讨会纪要2015（京施审专家委房建〔2015〕结字第1号）》4.1条的要求，乙类建筑采用单跨框架的建筑超过3层时应进行大震弹塑性变形验算。北楼选取了性能目标C的性能进行设计，并保证框支柱、框支桁架的大震弹性承载力。模型建立时将首层和二层作为一个层单位，层高9900mm，上面几层为标准层，层高4200mm，出屋面楼梯间层高3500mm。设计地震分组为二组，地震烈度为Ⅷ度（0.2g），场地类别为Ⅲ类场，特征周期为0.55s。阻尼比按材料区分，混凝土是0.050，钢结构是0.040，型钢混凝土是0.050；特征周期在罕遇地震时为0.60s。阻尼比按材料区分，混凝土是0.070，钢结构是0.040，型钢混凝土是0.050。为了抵抗框支型钢混凝土柱靠近建筑型心，周边刚度弱，在东西两侧框架间设置屈曲约束支撑来增加周边钢筋，保证第一振型为平动。

罕遇地震作用弹塑性层间位移值如下，其中X方向地震作用下的楼层最大位移如表1所示，Y方向地震作用下的楼层最大位移如表2所示。

表1 X方向地震作用下的楼层最大位移

表2 Y方向地震作用下的楼层最大位移

在弹塑性层间位移的计算结果中，首层转换部位满足弹性变形2倍，高于性能4的要求，X向3层位置的位移为1/47，超过规范要求的1/50的限制，但是3层位置已经是结构薄弱位置以外的范围，严格保证首层的大跨度单跨框支转换的位置的弹塑性层间位移满足规范要求，其他位置承载力能够达到大震不屈服的要求，弹塑性层间位移可适当放宽，满足高弹性低承载力的设计理念[4]。

罕遇地震设计下，屈曲约束支撑按照《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297—2013)的要求，需要采用承载型，承载型屈曲约束支撑是指利用屈曲约束的原理来提高支撑的设计承载力，保证支撑在屈曲前不会发生失稳破坏。

抗震性能目标选取性能C时，对应设防烈度性能水准3，罕遇地震设计时性能水准4。特别要求框支柱和框支桁架梁达到大震弹性承载力。指定方式依据表3中的原则。

表3 抗震性能目标

2.2 东楼设计情况

东楼地下一层为报告厅、维修用房、给水泵房、消防水泵房等功能房间，由于报告厅为大空间房间，西侧室外为下沉庭院，东侧室外为覆土；东楼北段为卫生间、楼电梯间和变配电室的夹层；东楼南端为楼电梯间和学生餐厅。整个东楼的地下一层有-7.2m、-6.1m和-5.7m多种地面标高，建筑功能较多，设计难度较大。

东楼首层为学校主入口，东侧为学校入口大门，西侧为教学楼的室外平台可俯瞰下沉庭院。东楼南北方向总长度为91.3m，东西向总长度为21.7m。

2~3层的东侧为各类教室，西侧为通高中庭，四层的东侧为舞蹈教室和音乐教室，西侧为通高中庭。由于存在3层的通高中庭存在，造成最西侧的钢框架柱越三层，计算长度很大。

在结构设计阶段，为保证中庭的通高效果，在层间中庭的位置框架梁没有连接到西侧的钢框架柱上面，只有存在楼板相连的位置将钢框架梁贯通连接，对结构设计带来很大难度。

为了满足抗侧刚度的需要，在6、9、C、D、J、K轴设置耗能型屈曲约束支撑来满足层间位移角的要求，有效减小了梁、柱的截面尺寸，降低结构用量。将中庭开大洞对结构造成的影响完成承担了过去。主要抗侧力刚度传递到设置的屈曲约束支撑的每一榀钢框架中去。模型计算中同样进行了包络设计，采用了有地下室的模型，和没有地下室的模型分别计算，两种模型下均满足结构指标要求[5]。

2.3 南楼设计情况

南楼地下一层为学校厨房和文化艺术室，北侧室外为下沉庭院，南侧室外为覆土，西侧与地下车库相连，中间设置沉降缝将结构分开，东侧与东楼南端相连，中间设置抗震缝。

南楼地上首层至四层均为普通教室及教室办公室，结构平面规则。地下室外墙和地下室框架柱连接在一起，地下一层顶有结构楼板，能够4跨的连续框架，加上刚性楼板的作用，可以有效传递水平力至每一根柱子，均匀分担了土压力的作用。

3 业主方设计阶段工作

作为业主方，在此项目设计阶段工作尤为重要，由于项目较复杂，为了满足建筑的一些特殊功能和效果要求，结构需要增加很多成本，需认可此方案带来的结构影响、造价影响和施工影响。在方案落地前，业主需组织设计院咨询外审专家，对大跨度框支转换的安全性进行评估，确保不出现超限论证的风险。

4 结语

现代建筑已经不只是满足人民的功能需求的单一要求，还有满足审美需要和多重使用用途相结合的特点。钢结构的快递发展和应用给建筑带来的更多的可能性。让更高更新颖的建筑能够得以落地，不仅期待房子建筑的速度快，而且要求房子环保绿色，还要有自己的个性。

在设计阶段通过有效、准确的结构概念分析，确定准确的结构方案，简化结构体系，明确传力路径，能够用简单的方法解决复杂的结构问题，增加结构的安全性是设计前期最重要的工作。业主方在设计阶段紧密参与，规避设计风险，准确决策能够有效的推荐设计进度，节省大量重复劳动，为设计质量带来最有力的保障。