公共建筑大跨度空间结构设计

摘 要：本文就公共建筑大跨度空间结构设计进行了探讨,简要介绍了该工程结构设计中的一些特点和难点,提出了一些有关设计方面上的思路,以期能为公共建筑大跨度空间结构的设计提供参考.

关 键 词：大跨度空间；结构设计；分析

所谓的大跨度空间结构,通常是指跨度在60m以上的建筑结构,主要用于民用建筑的影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑.本文就公共建筑大跨度空间结构设计进行了探讨,并结合了实际的工程实例,简要介绍了有关该工程结构设计的特点和难点,以期能为公共建筑大跨度空间结构的设计提供参考.

1工程概况

某公共建筑工程,建筑面积28210m2,地面共4层.建筑物总长90.9m,宽81.3m,室外地面至大屋面檐口高度26.8m,采用现浇钢筋砼框架结构体系（局部布置少量剪力墙）.建筑抗震设防类别为重点设防类（乙类）,结构安全等级为二级,设计使用年限为50年.所在地区的抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类,建筑类别调整后用于抗震验算的烈度为6度,用于确定抗震等级的烈度为7度,框架、剪力墙抗震等级均为二级.

2基础设计

拟建场地位于江边冲积平地上,河岸已建有防洪堤和道路.场地平坦开阔,未见滑波、崩塌、泥石流等不良地质现象,地层变化较为均匀.场地主要岩土层工程地质综述及地基评价如下：

本次工程勘察揭示的岩土层,按其岩土工程性状划分主要分为8层：①吹填砂,②含泥中砂,③（含砾）细中砂,④淤泥质土,⑤细砂,⑥圆角砾、⑦碎卵石,⑧中等风化花岗岩.

结合拟建建筑物荷载情况,本工程最佳桩基持力层选用⑦碎卵石.

根据SATWE电算分析结果,柱底最大轴力（标准组合）为12351kN.根据地质报告,本工程基础可采用预应力砼管桩或冲（钻）孔灌注桩,相比冲（钻）孔灌注桩,管桩的优点是造价相对较低,工期较短,且桩身质量可靠.所以本工程基础选用锤击先张法预应力高强砼管桩,桩端持力层选用碎卵石⑦或根据地质情况选用圆角砾⑥.单桩竖向承载力特征值为2300kN,桩长约35～40m.锤击桩收锤标准以贯入度控制为主,桩长控制为辅,最后3阵每阵10击贯入度为20～50mm.根据现场试打桩的实际情况,桩长调整为约42m.经单桩竖向承载力静载荷试验验证,实际单桩竖向承载力满足设计要求.

3电算分析

因建筑功能需要,本工程平面较为复杂,楼面标高变化较大,局部存在夹层、错层,楼板开大洞.计算采用了中国建筑科学研究院研制的SATWE程序,考虑扭转藕联及双向地震.

舞台、侧台、主会堂观众厅上空因层高需要,在2、3、4层楼板开大洞,形成越层结构,刚度削弱较大,为增强结构侧向刚度,洞口周边布置少量剪力墙,如（图1）所示.此外,因开大洞导致观众厅左右两侧结构联系薄弱,在舞台与观众厅连接处两台口柱边各布置一片剪力墙,且在前厅与观众厅连接处的中间柱位边布置两片横向剪力墙,这些措施有效增强了结构的抗扭刚度,扭转周期由第2周期降至第3周期,扭转周期与平动周期的比值由0.895降至0.483.对楼板开大洞问题,在电算分析中还采用了全楼弹性及分块刚性楼板等不同模型计算,进行比较,作为结构设计的参考.

有关计算结果表明：本工程结构刚度适宜,结构的层间位移可以满足规范的要求,结构抗倾覆验算,整体稳定验算及上下层刚度比以及楼层抗剪承载力比均满足规范要求.根据电算分析结果,对重要构件及薄弱部位予以加强.主要计算指标如下：

（1）考虑扭转耦联时的振动周期（秒）、X,Y方向的平动系数、扭转系数

扭转周期与平动周期比值Tθ/T1等于0.483

（2）位移指标如（表1、表2）所示：

（3）楼层剪重比

X向剪重比1.43%（一层）

Y向剪重比1.38%（一层）

4上部结构设计

本工程结构设计方面主要有以下特点：

（1）平面较为复杂,楼面标高变化较大,局部因存在夹层、错层而形成短柱.对这些柱采用控制框架柱轴压比、加强框架柱主筋、提高箍筋的体积配箍率以及箍筋全高加密等方法,以保证结构构件的延性,确保竖向构件安全.

（2）楼板开大洞,结构侧向刚度沿竖向布置不规则.主会堂为单层空旷房屋结构,层高约20m,一层300人会议室为跃层结构,该部分层高约11.25m.鉴于上述原因,楼板多处开大洞,且洞口沿平面及竖向布置不规则,如设置抗震缝将结构主体断开,形成多个独立的结构单元,会导致这些结构单元成为大跨度的单跨结构,不利于抗震,故本工程不设防震缝.建筑物总长90.9m×81.3m,体型超长,各层均设后浇带,以减少砼收缩、徐变的不利影响.

由于观众厅及舞台上空楼板开大洞,结构侧向刚度受到较大削弱,对抗震不利.在不影响建筑使用功能的前提下,沿前厅、观众厅及舞台周边角部布置了少量L型剪力墙,L型墙角部设框架柱.有效增加了结构的侧向刚度,形成多道抗震设防.

计算采用了中国建筑科学研究院研制的SATWE程序,对楼板开大洞问题,在电算分析中采用全楼弹性及分块刚性楼板等不同模型计算,进行比较,作为结构设计的参考.洞口周边楼板加厚,板面配双向通长筋,增加楼板整体刚度.

（3）跨度较大.

一层300人会议室顶板横向跨度23.5m,纵向跨度22.4m,纵、横向各布置2道预应力大梁,形成井字梁结构,预应力梁断面600×1400.横向预应力梁最大裂缝出现在支座,宽度Wmax等于0.0145<0.2mm,跨中最大挠度W=23.8mm,挠度与跨度比W/l0=1/987<1/300.纵向预应力梁支座最大裂缝宽度Wmax=0.0263<0.2mm,跨中最大挠度W=23.5mm,挠度与跨度比W/l0=1/953<1/300,上述预应力梁挠度和裂缝宽度均满足规范及设计要求.300人会议室顶板以上在三、四层分隔为100人及30、50人会议室,层高5.4m,纵、横向按井字梁结构各布置2道预应力大梁,因层高限制,预应力梁断面调整为700×1350.此外,1～4层在300人会议室北向间隔一跨均设100人会议室,采用井字梁系布置,减小了主框架梁的高度.2道横向主梁、斜梁,如（图1）,跨度17.8m,梁断面600×1000,纵向1道主梁跨度20m,梁断面600x900,因梁的挠度和裂缝不大,采用常规混凝土梁结构.观众厅楼座为悬挑结构,布置4道悬挑预应力大梁,悬挑梁跨度7.2m,断面为600×1500～800（梁高）.为了尽可能平衡楼座悬挑荷载,自挑梁根部向后延伸4.8m,布置一排框架柱,柱断面1000×1200.悬挑大梁采用后张法有粘结预应力结构,支座最大裂缝宽度Wmax=0.0871<0.2mm,挑梁端部最大挠度W=35.7mm,挠度与跨度比W/l0=35.7/（2×7200）=1/403<1/300,挠度和裂缝宽度满足规范及设计要求.

主会堂屋面横向跨度39.8m,布置三道箱型钢梁,钢梁断面1200×2600～3100（梁高）.支承钢箱梁的柱断面为1400×1400,出屋面以后该柱断面收缩为600×1400.

舞台屋面25m×23.3m,采用现浇钢筋混凝土结构,按井字梁系布置,一道横向主梁跨度25m,断面为800×1500；两道纵向主梁23.3m,断面为700×1500,如（图2）所示.屋面梁下挂舞台栅顶钢结构,导致上述三道主梁受力较大,配置部分预应力筋,横向预应力梁最大裂缝出现在支座,宽度Wmax等于0.0763<0.2mm,跨中挠度W=68.5mm,挠度与跨度比值W/l0=1/365<1/300.纵向预应力梁最大裂缝在跨中,Wmax=0.0549<0.2mm,跨中挠度W=57.3mm,挠度与跨度比W/l0=1/410<1/300.由于预应力筋的配置,有效地控制了梁的挠度和裂缝.

（4）采用多种结构形式.

本工程主体采用现浇钢筋混凝土结构.观众厅屋面尺寸39.8m（横跨）×35.1m,因跨度较大采用钢梁+钢承板的组合楼板体系.横跨布置三道箱型钢梁,钢箱梁断面尺寸1200×2600～3100（梁高）,钢箱梁间布置H型钢次梁,与上铺压型钢板、叠合钢筋混凝土板组成组合梁、板受力体系.钢箱梁最大正应力与许用应力比为0.79,最大剪应力与许用应力比为0.10,钢箱梁设计考虑稳定性要求,除在次梁搁置处设置横向加劲肋外,在箱体上部布置通长纵向加劲肋,将截面分为上下双箱体,有效保证了腹板受压部分的稳定性.钢箱梁跨中弹性挠度为W等于26.1mm,挠度与跨度比W/l0等于1/1525<1/400.由于梁身超长,单根箱梁重量超过80t,设计同时考虑梁的现场拼装和场地内吊装问题,由具备相应专业资质的施工队伍安全经济的将主梁精确安装到位.次梁断面为H型钢600×300×10×20,屋面钢承板型号为YX51-250-750,现浇叠合钢筋混凝土板折算厚度为100.

5结论

综上所述,本文就公共建筑大跨度空间结构设计进行了探讨,结合了具体的工程实例,对公共建筑大跨度空间结构设计中的几个方面作了详细研究,并总结了几点结论,相信对公共建筑大跨度空间结构的设计有一定的参考借鉴作用.