大跨不规则建筑结构设计要点分析

郭伟华/GUO Weihua

（浙江创新建筑设计有限公司，浙江 嘉兴 314000）

学校类建筑中，报告厅是校区内学术交流及大型活动的主要活动场所，具有不可替代的功能作用，随着人们对教育重视程度加大，要求报告厅具备的功能越趋于多样化，对结构设计提出了更高要求。本项目为报告厅类建筑中极具代表性的建筑案例。因此，对本项目设计难点进行梳理探讨有着重要的意义。

1 工程概况

本工程为浙江省嘉兴市南湖区某中学报告厅项目，总层数为地上3 层，设1 层地下室，建筑高度为12.9m，抗震设防烈度为7 度，设计地震分组为一组，基本风压为0.45kN／m2。由于建筑使用功能要求左侧区域抽柱形成大空间报告厅，右侧辅助用房保留3 层混凝土结构，形成左侧2层，右侧3 层错层结构，结构设计过程中存在错层、局部穿层柱、楼板大开洞不规则项。典型建筑平面如图1 所示，屋面层结构布置如图2 所示。

图1 典型建筑平面布置图

图2 屋面层结构布置图

2 屋盖结构布置方案选型

2.1 屋盖可行性方案介绍

屋面呈不规则弧形布置，最大跨度为24m 左右，建筑使用功能要求屋面采用重型混凝土屋面，结构拟采2 种方案对比，其中方案一采用型钢混凝土梁柱，混凝土柱尺寸700mm×700mm，内置工字钢300×300×25×25mm（Q355B)，型钢混凝土梁之间采用混凝土梁连接。方案二屋面采用平面钢桁架，弦杆采用H500×250×16×20×20mm，跨中腹杆采用H300×200×10×14×14mm，支座腹杆采用H400×200×10×20×20mm，钢材均为Q355B，屋面层桁架间采用钢次梁连接，桁架立面如图3所示，桁架上下弦杆与型钢混凝土柱采用刚接。

图3 典型钢桁架布置图

2.2 计算结果对比

结构指标计算过程结果如表1 所示，位移比、位移角均取2 个方向中较大值。其中方案一结构主要指标均满足规范要求；方案二中位移比超规范限值1.2，其余指标满足均满足规范要求。报告厅大空间范围内恒荷载增加约410kg／m2。

表1 两种方案主要计算指标对比

从计算结果对比发现，屋面采用桁架梁模型对结构整体刚度削弱较大，第一阶周期方案二较方案一增加约27%，结构整体呈扇形布置，刚度减弱后带来了结构整体的扭转效应明显增大；同时，结构平面存在楼板局部不连续，开洞面积大于30%，报告厅存在二层通高，局部存在跃层柱。相比较方案一，方案二结构指标超限项为3 项，从经济性及工程周期综合考虑，决定采用方案一。

3 上部结构时程分析

根据JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》，结构顶部取消柱形成空旷房间时，宜进行弹性时程分析作为小震下的补充计算，本项目拟采用3 组加速度时程曲线输入，其中1 条为人工波、2 条为天然波。计算结果取时程分析法的包络值和振型分解谱法的较大值进行设计。地震波选取原则为，控制每条时程分析曲线计算的结构底部剪力不小于规范谱计算结果的65%，3 条时程分析的平均值不小于规范谱结果的80%，计算结果如图4 所示。

时程分析补充计算结果中，各项指标均满足规范要求，主要方法的最大层间位移角和层间位移曲线如图5 所示，时程分析分析的平均值总体小于场地规范谱计算结果，最大值局部楼层略大于规范反应谱结果。根据多条波包络值与CQC 法计算结果比较，结构设计时全楼地震剪力放大系数取为1.12，对上部结构进行包络设计。

图5 时程分析与规范谱指标对比图

对于多层不规则结构，不规则项的控制应引起结构设计人员的重视，对于顶部抽柱形成大空间区域应补充时程分析法验算，必要时可对跃层柱等关键构件采取性能化设计。

4 型钢混凝土梁设计

本项目采用500×1200 混凝土梁，内置H500×250×16×25mm（Q355B)，混凝土强度C30，型钢梁最大跨度为22.6m，抗震等级为一级，采用盈建科结构计算软件建模，跨中考虑地震组合工况最大设计弯矩为4 400kN／m；支座采用梁柱刚接形式，最大剪力设计值为1 330kN，梁截面示意如图6 所示。

图6 钢骨混凝土梁截面示意

4.1 正截面受弯承载力计算

型钢腹板上端至截面上边距离与h0的比值由式（1)计算

式中，h为截面总高度，h0为截面有效高度，hw为腹板高度；计算得δ1=0.4。

型钢腹板下端至截面上边距离与h0的比值由下式（2)计算

式中，f′y、A′S分别为受压区的钢筋强度设计值和面积；fy、As分别为受拉区的钢筋强度设计值和面积；fa、Aaf分别为型钢强度设计值和面积；Naw为型钢腹板承受的轴向合力；tw为腹板厚度；b为截面宽度；其余参数同文献[4]。将式Naw=[2.5x／h0-（δ1+δ2)]twh0fa带入式（3)，计算得δ2=0.86。

可得受压区高度x=365mm。

弯矩设计值由式（5)得

计算得Mu=3557kNm>3150kNm。

4.2 斜截面受剪承载力计算

受剪截面验由式（6）、式（7)验算可得

式中，βc为混凝土强度影响系数。

型钢混凝土梁斜截面受剪承载力按式（8)计算

计算得Vu=3179kN>1130.5kN。

型钢混凝土梁设计过程中，设计人员应根据式（4)手动复核正截面承载力计算公式使用的前提条件，如不成立则应优先调整钢骨高度。设计师往往根据自身经验放大结构软件的计算结果，如纵筋配筋量，此时也应按应根据式（4)手动复核公式应用前提条件。

5 基础设计

5.1 场地条件

场地地貌单元属于浙北平原区，为冲积湖积平原地貌，表层①#土为素填土，分布厚度约为1m，③#土层为淤泥质粉质黏土，分布厚度约为2.2～6.4m，埋置深度约为自然地坪下2m。表层两层土均属于高压缩性土，工程力学性质差。场地典型地质土层分布如图7 所示。根据地区设计经验，如采用预制桩等挤土桩型，此类高压缩性土会对周围环境（包括市政道路、已建成房屋）产生比较严重的破坏后果。

图7 场地典型地质土层分布

5.2 可行性方案对比

本工程为已建学校内改扩建项目，周围道路及教学楼已使用多年，且与新建项目距离较近，为减小对已建工程的挤土效应影响，基础拟采用劲性复合桩基及灌注桩做经济性对比分析以确定合理的基础形式。劲性复合桩采用等芯散刚复合桩，刚性桩一般选择预制桩，为保证复合桩成实际成桩效果，复合段外芯厚度不应太大，厚度应控制在150～250mm。本项目采用水泥土外径725mm，刚性桩采用边长300mm实心预制方桩，桩长17m，桩端持力层为⑥1、⑥2 联合持力层。水泥掺量应根据现场试验结果确定，结构设计时应加以备注，本项目水泥参量为18%。对比方案中灌注桩拟采用600 钻孔灌注桩，水下混凝土强度C30，桩长采用26m，持力层为⑥3 砂质粉土。

劲性复合桩桩侧破坏面位于内、外芯界面时采用式（9)计算抗压承载力

劲性复合桩桩侧破坏面位于外芯与土层界面时采用式（10)计算

式（9)与式（10)两者取最小值作为基桩抗压特征值，根据地勘报告中土层参数计算，本项目采用单桩抗压承载力为1 050kN，静载极限加载值为2 150kN。静载桩中心刚性桩的选取，应满足桩身承载力不小于2 150kN 要求，且承载力宜按照预制桩最低限值计算。必要时刚性桩可不与工程桩统一，以达到节省造价目的。本项目采用边长300 高强度实心方桩，桩身承载力为2 120kN满足静载加载值要求。

两种桩型均采用1.5m 桩间距，选取典型柱网尺寸进行经济性对比分析，单柱下桩基造价，灌注桩方案为4.1 万元，劲性复合桩1.3 万元。本项目采用劲性复合桩基础，项目实施过程中加强对周围环境影响实时监控，现基础已施工完毕，实践结果表明此桩型对周围环境影响较小，既避免了采用灌注桩时场地对泥浆池布置的限制，又兼顾经济性，此经验在类似项目中可值得借鉴推广。

6 结语

通过对典型多层报告厅结构分析得出如下结论，由于顶层大空间使用功能要求，在类似跨度结构布置中，屋面梁板体系可优先采用型钢混凝土梁柱体系；对于改扩建项目中，基础设计中挤土效应对周围环境的影响应引起重视，劲性复合桩型作为一种非挤土桩型有兼顾经济性和施工可行性，做法值得参考；对于顶部抽柱的不规则项建筑，应进行弹性时程补充分析，合理确定小震下地震剪力放大系数，以期达到抗震设防目的要求；大跨型钢混凝土梁设计过程中，挠度、裂缝的验算不可忽略，挠度过大时，应注明施工起拱值以满足正常使用工况下挠度要求，同时应注意复核规范公式使用的前提条件，如不满足应采取其他可靠的分析方法，如实体单元分析法等。