魏偉，伊永忠，李明義，逯芳

（淄博市建筑設(shè)計(jì)研究院第一設(shè)計(jì)所，山東淄博　255037）

淄博建筑工程學(xué)校綜合實(shí)訓(xùn)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

魏偉，伊永忠，李明義，逯芳

（淄博市建筑設(shè)計(jì)研究院第一設(shè)計(jì)所，山東淄博255037）

隨著大型公共建筑的發(fā)展，超長混凝土結(jié)構(gòu)得到越來越廣泛的應(yīng)用。文章結(jié)合淄博建筑工程學(xué)校綜合實(shí)訓(xùn)樓項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)超長樓蓋和南部主入口處大懸挑的超長混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并對(duì)超長樓蓋溫度應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，采取了設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶、加強(qiáng)縱向鋼筋等減小溫度應(yīng)力對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不利影響的措施；對(duì)建筑南部主入口處大懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)選型分析，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)以滿足結(jié)構(gòu)承載力需要和抗震性能。

超長混凝土結(jié)構(gòu)；溫度應(yīng)力；型鋼混凝土

0　引言

近年來，我國各種大型公共建筑的建設(shè)得到蓬勃發(fā)展。因建筑功能以及造型的需要，對(duì)超長混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)的要求也越來越高。

目前，國內(nèi)已有較多超長結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論研究和工程實(shí)踐［2-8］。華丹等對(duì)混凝土溫度應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，并從設(shè)計(jì)、材料、施工方面采取了不同的技術(shù)措施［2］。黃以莊等推薦采用設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶、加強(qiáng)建筑保溫隔熱等措施進(jìn)行超長結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［3］。孫璨等著重闡述了超長混凝土結(jié)構(gòu)施工全程的溫差效應(yīng)非線性仿真分析方法［4］。潘立等對(duì)超長混凝土地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合應(yīng)力彈塑性時(shí)程分析，作為抗裂驗(yàn)算的補(bǔ)充［5］。

2013年，淄博市建筑設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)了淄博建筑工程學(xué)校綜合實(shí)訓(xùn)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建筑專業(yè)要求不設(shè)置伸縮縫。該工程采用框架結(jié)構(gòu)，平面最大長度為112.9 m，遠(yuǎn)超GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱混凝土規(guī)范）［1］中對(duì)伸縮縫最大間距做出的規(guī)定，屬于超長結(jié)構(gòu)。在綜合實(shí)訓(xùn)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員針對(duì)工程特點(diǎn)，選擇經(jīng)濟(jì)、成熟、易于操作的結(jié)構(gòu)措施，成功實(shí)現(xiàn)了超長結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，該建筑在大懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也頗具特色。

1　工程概況

淄博建筑工程學(xué)校綜合實(shí)訓(xùn)樓位于山東省淄博市。建筑面積為20 730 m2。建筑物地面以上共四層，無地下室。首層層高5.7 m，其余各層層高均為4.5 m。從室外地面算起，結(jié)構(gòu)總高度19.65 m。建筑平面最大長度112.9 m，最大寬度81.6 m。建筑效果如圖1所示。建筑物平面布置呈風(fēng)車狀，整體布局方圓結(jié)合，形意相連，由三個(gè)矩形，一個(gè)橢圓形（西南方向）與中部圓形連廊融為一體。建筑師為保證建筑使用功能及造型效果，要求不設(shè)置結(jié)構(gòu)縫。建筑物南側(cè)中部為主入口，此處設(shè)有大懸挑雨篷且在相應(yīng)二層位置存在平面凹進(jìn)，如圖1所示建筑物右下側(cè)位置。

該工程為學(xué)校類建筑，根據(jù)GB 50223—2008《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》［9］，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類。工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

圖1　建筑效果圖

2　綜合實(shí)訓(xùn)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)選型

綜合考慮結(jié)構(gòu)高度及平面布置等設(shè)計(jì)條件，工程采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)主要尺寸為8.1 m×8.1 m主要框架柱截面尺寸為700 mm×700 mm（1層）600 mm×600 mm（2～5層），主要框架梁截面尺寸為300 mm×650 mm。一層結(jié)構(gòu)布置示意如圖2所示。

圖2　一層結(jié)構(gòu)平面示意圖/mm

建筑連廊及南部位置造型呈流線型，存在大量弧形線條。弧形的框架梁在地震作用下受力不佳會(huì)同時(shí)產(chǎn)生較大的軸向力、剪力、扭矩和彎矩，在實(shí)際地震中也表現(xiàn)較差，所以在框架梁布置時(shí)，將圓弧位置框架梁做成以框架柱為折點(diǎn)的折線形，并在建筑物外圍設(shè)置弧形次梁和挑板。如圖2所示。采用直線形的框架梁來保障結(jié)構(gòu)抗震性能，而采用弧線形的次梁、挑板來表達(dá)建筑造型，兼顧了建筑、結(jié)構(gòu)兩個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)要求。

2.2超長樓蓋設(shè)計(jì)

2.2.1結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算

采用Midas Gen通用有限元計(jì)算程序，建立結(jié)構(gòu)整體模型?？蚣芰骸⒅捎脳U單元模擬，樓板采用殼單元模擬。桿單元與殼單元協(xié)調(diào)變形。

淄博市極端最高氣溫約為40℃，最低氣溫約為-20℃?？紤]建筑設(shè)有保溫措施，在計(jì)算中屋面溫差按-30℃考慮；各層樓面根據(jù)室內(nèi)溫度范圍15 ～30℃，按溫差-15℃考慮。

計(jì)算結(jié)果表明，框架梁在溫度作用下將產(chǎn)生軸向應(yīng)力，升溫時(shí)為壓應(yīng)力，降溫時(shí)為拉應(yīng)力。拉應(yīng)力是導(dǎo)致混凝土開裂的主要原因。在結(jié)構(gòu)中部位置拉應(yīng)力最大，向兩邊逐漸減?。辉跇翘蓍g、電梯間等樓板開洞處，產(chǎn)生了應(yīng)力集中?？蚣苤跍囟群奢d作用下產(chǎn)生較小的剪力。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算時(shí)，將構(gòu)件溫度應(yīng)力計(jì)入荷載組合，按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件配筋。在樓板開洞位置附加了放射狀鋼筋，避免因應(yīng)力集中造成開裂。

2.2.2減少溫度應(yīng)力對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不利影響的措施

超長樓蓋設(shè)計(jì)措施混凝土的收縮和結(jié)構(gòu)的溫度變形是超長樓蓋混凝土開裂的主要原因。設(shè)計(jì)中相應(yīng)采取了以下針對(duì)性措施:

（1）添加膨脹劑并設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶 在樓、屋面混凝土中添加UEA膨脹劑，摻量為8%。每隔30 ～40 m設(shè)置一道膨脹加強(qiáng)帶，帶寬2000 mm，帶內(nèi)UEA摻量為12%。UEA膨脹劑等量取代水泥。根據(jù)RISN—TG 002—2006《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》［12］的研究成果，膨脹劑使混凝土在鋼筋和周邊結(jié)構(gòu)的約束下，產(chǎn)生0.2～0.7 N/mm2的預(yù)壓自應(yīng)力，部分抵消了由于混凝土收縮產(chǎn)生的受拉應(yīng)變，從而提高了抗裂性能。

（2）在樓、屋面混凝土中添加聚丙烯抗裂網(wǎng)狀纖維添加方式如下:纖維直徑為18 μm，抗拉強(qiáng)度≥360 MPa，彈性模量≥3300 MPa，極限延伸率≥25%，混凝土中纖維摻量為0.6 kg/m3，后澆帶處增加為1.0 kg/m3，纖維長度為19 mm［6］?；炷潦且环N非均質(zhì)脆性材料，聚丙烯纖維的加入，提高了混凝土的極限拉伸率和韌性，有效地減小收縮和裂縫的發(fā)生。

（3）嚴(yán)格控制混凝土施工質(zhì)量 對(duì)于超長混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工作和施工工作緊密相連、不可分割。工程中采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，并選擇后期收縮小的外加劑。在工程施工階段，對(duì)混凝土后期養(yǎng)護(hù)措施和拆模時(shí)間進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)督，確保滿足設(shè)計(jì)要求。混凝土結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)的氣溫對(duì)后期溫度應(yīng)力有較大影響。而溫度應(yīng)力的不利影響主要是混凝土澆注完成后，溫度下降時(shí)期引起的混凝土開裂，溫度升高則對(duì)混凝土影響相對(duì)較小，所以超長樓蓋混凝土澆注時(shí)間以較冷的季節(jié)為好［4］。

（4）加強(qiáng)梁、板縱向鋼筋縱向梁上部通長鋼筋不小于支座或跨中鋼筋面積的1/4；梁側(cè)面設(shè)置縱向構(gòu)造鋼筋，間距不大于200 mm且直徑不小于14 mm。同時(shí)，適當(dāng)加強(qiáng)了樓板通長鋼筋。樓板縱向鋼筋最小配筋率不小于0.3%，雙層雙向通長配置在樓板洞口等應(yīng)力集中處，設(shè)置了放射狀附加鋼筋梁、板縱向鋼筋的加強(qiáng)可提高鋼筋混凝土抵抗收縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力的能力，從而提高結(jié)構(gòu)抗裂性能。

（5）采用可靠的保溫隔熱措施 經(jīng)與甲方及建筑專業(yè)溝通，建筑物外墻采用了加氣混凝土砌塊自保溫體系，該保溫體系效果可靠，使用壽命長。屋面采用擠塑聚苯板保溫材料，并適當(dāng)增大聚苯板厚度提高其保溫能力。保溫措施的加強(qiáng)，既有利于減小后期混凝土溫度應(yīng)力，又可以達(dá)到節(jié)能減排的效果2.3南部主入口處大懸挑設(shè)計(jì)

2.3.1結(jié)構(gòu)選型與分析

建筑南部主入口上部雨篷及相應(yīng)位置二層平面凹進(jìn)處，均為大懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑尺寸超過7 m。各層建筑平面如圖3所示。

圖3　南入口位置各層建筑示意圖/mm

原計(jì)劃此位置采用鋼結(jié)構(gòu)桁架進(jìn)行懸挑，這種方案在技術(shù)上可行，但鋼結(jié)構(gòu)在耐火性能和剛度表現(xiàn)上比混凝土結(jié)構(gòu)略差，工程造價(jià)也較高。經(jīng)與建筑專業(yè)溝通，對(duì)柱網(wǎng)及梁格進(jìn)行了優(yōu)化布置，采用了以大跨度梁為支座，用次梁進(jìn)行懸挑的結(jié)構(gòu)方案，有效減小了懸挑尺寸。結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。此位置大跨度梁跨度超過16 m且承受荷載范圍較大，如采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，將會(huì)導(dǎo)致梁柱截面尺寸偏大。經(jīng)多次計(jì)算比較，確定采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)型鋼混凝土具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)承載能力，經(jīng)計(jì)算，大跨度梁截面尺寸為500 mm×1200 mm，即可滿足承載力及撓度需求，且結(jié)構(gòu)含鋼量經(jīng)濟(jì)合理。型鋼混凝土抗震性能也非常優(yōu)異，在罕遇地震下即便混凝土有較嚴(yán)重的開裂，其內(nèi)部鋼框架仍能與箍筋內(nèi)的混凝土組成具有一定剛度的抗側(cè)體系，保證建筑物“大震不倒”，保障出入口的暢通。

圖4　南入口位置結(jié)構(gòu)布置示意圖/mm

2.3.2型鋼混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有較高的承載力和良好的抗震性，但結(jié)構(gòu)施工工藝復(fù)雜。在進(jìn)行型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮施工的可行性，并配合現(xiàn)場(chǎng)不斷完善設(shè)計(jì)。

圖5（a）為型鋼混凝土柱大樣圖?？蚣苤孛娉叽鐬?00 mm×700 mm，型鋼柱為H450×350×24 ×40。型鋼柱周邊存在較大空間，方便柱縱筋及箍筋布置。在進(jìn)行箍筋設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了柱箍筋與型鋼柱的位置關(guān)系，避免箍筋穿過型鋼。在箍筋肢距較大位置，設(shè)置了U型箍筋。箍筋設(shè)計(jì)時(shí)還考慮了型鋼柱栓釘位置的影響，避免箍筋不能一次套入［13］。

型鋼混凝土柱的體積配箍率比普通鋼筋混凝土柱有所提高，以提高柱極限變形能力［14］。

圖5（b）為型鋼混凝土梁大樣圖?？蚣芰航孛娉叽鐬?00 mm×1200 mm。型鋼梁采用H型鋼，鋼材型號(hào)選用 H900×300×20×30，型鋼含鋼率為5.9%。型鋼含鋼率在合理范圍，確保了型鋼混凝土梁具備較好的延性［15］。型鋼翼緣側(cè)邊至梁側(cè)邊距離為100 mm，確保振搗棒可伸入梁內(nèi)振搗。型鋼梁上、下翼緣外邊距梁外邊為150 mm，避免梁縱筋鋼筋交叉位置鋼筋保護(hù)層厚度不足。在型鋼腹板處設(shè)置附加鋼筋與梁腰筋拉結(jié)，避免拉筋穿過型鋼腹板造成施工困難以及梁腹板被削弱。

圖5（c）為型鋼梁、柱節(jié)點(diǎn)大樣圖。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于梁縱向鋼筋的布置。梁縱筋特別是角筋應(yīng)盡可能繞過型鋼。如存在困難，可適當(dāng)加大梁寬度，或調(diào)整縱筋根數(shù)及層數(shù)。對(duì)于無法繞過型鋼的縱筋，當(dāng)其與柱型鋼腹板垂直時(shí)，考慮將腹板鉆孔；當(dāng)其與柱型鋼翼緣垂直時(shí)，采用套筒連接。

腹板鉆孔時(shí)，鉆孔直徑應(yīng)比鋼筋直徑大5～8 mm，以利于穿筋。腹板因鉆孔造成截面損失超過腹板總面積25%時(shí)，應(yīng)采用補(bǔ)強(qiáng)板對(duì)腹板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。采用鋼筋套筒進(jìn)行縱筋連接時(shí)，應(yīng)在相應(yīng)位置設(shè)型鋼加勁板，以保障傳力可靠。

圖5　型鋼混凝土大樣圖

3　結(jié)語

文章結(jié)合淄博建筑工程學(xué)校綜合實(shí)訓(xùn)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹了超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和南部入口位置大懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在超長混凝土設(shè)計(jì)中，采用有限元軟件計(jì)算出混凝土樓蓋在溫度作用下產(chǎn)生的內(nèi)力并根據(jù)應(yīng)力分布規(guī)律，采取針對(duì)性設(shè)計(jì)措施，有效減小了溫度作用和混凝土收縮變形對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響；在南入口位置大懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用以大跨度型鋼梁為支座，設(shè)置次梁進(jìn)行懸挑的方式，實(shí)現(xiàn)了懸挑尺寸超過7 m的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

［1］GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］華旦，吳杰，干鋼.超長混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析與設(shè)計(jì)實(shí)踐［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012，42（7）:56-59.

［3］黃以莊，黃華敬，王利，等.超長混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（6）:90-92，25.

［4］孫璨，傅學(xué)怡，朱勇軍，等.杭州奧體中心主體育場(chǎng)超長混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境溫差效應(yīng)分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2014，44（17）:34-39.

［5］潘立，張建林.超長混凝土地下結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力彈塑性時(shí)程分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2014，44（16）:21-25.

［6］王奇，張守峰，朱炳寅.東營會(huì)展中心展館超長結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（7）:9-12.

［7］馬林建，劉新宇，邱旭光，等.地下超長結(jié)構(gòu)環(huán)境溫度效應(yīng)數(shù)值模擬分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2011，41（7）:111-114.

［8］彭英，柯葉君，陳威文，等.超長混凝土結(jié)構(gòu)溫差收縮效應(yīng)分析及工程實(shí)踐［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（10）:86-90.

［9］GB 50223—2008，建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［10］藺建中，孫守榮，王剛.不規(guī)則大開洞結(jié)構(gòu)受力性能分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2007，37（10）:27-29，13.

［11］JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［12］RISN-TG 002—2006，補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［13］王多民，陳雷，岳君威.北京移動(dòng)通信綜合樓型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2007，37（12）:58-61.

［14］郭子雄，林煌，劉陽.不同配箍形式型鋼混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31（4）:110-115.

［15］張建文，司馬玉洲，張仲先.不同鋼骨含鋼率的鋼骨混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2005，35（8）:79-80，51.

（學(xué)科責(zé)編：李雪蕾）

Structural design of the Comprehensive Training Building of Zibo Construction Engineering School

Wei Wei，Yi Yongzhong，Li Mingyi，et al.
（Zibo Architecture Design and Research Institute，Zibo 255037，China）

With the development of large public buildings，super-long concrete structures are being widely used.On the base of structural design of the Comprehensive Training Building of Zibo Construction Engineering School，the scheme design of super-long floor and large cantilever at the south entrance are discussed.The temperature stress in super-long concrete floor is calculated，and the adverse effect of temperature on the structure is reduced by setting expansion-reinforcing-band，deploying vertical steel bars.Besides，the structural scheme of the large cantilever on the south of the building is discussed.Steel reinforced concrete structure is applied to meet the needs of bearing capacity and ductility requirements.

super-long concrete structure；temperature stress；steel reinforced concrete

1673-7644（2015）06-0596-04

TU318

A

2015-03-11

魏偉（1982-），男，工程師，學(xué)士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究.E-mail:weiwei0967@163.com