高志輝 吳立朋 崔 愷

(1.北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050011； 2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

1 工程背景

河北傳媒大學(xué)新聞學(xué)院教學(xué)樓，位于石家莊市欒城區(qū)?？偨ㄖ娣e1.83萬(wàn)m2，建筑造型似“微卷的報(bào)紙”，且有景觀河流從建筑中部穿過(guò)(效果見(jiàn)圖1)。建筑地上5層，局部地下1層。考慮到建筑功能、結(jié)構(gòu)形式等因素，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用兩道永久結(jié)構(gòu)縫將建筑分為3個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單體，各結(jié)構(gòu)單元均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。其中A區(qū)整體平面為“L”形框架，樓板局部大開(kāi)洞，L形外伸中部因建筑造型和寬9 m、深2.5 m的河道通過(guò)，形成底部?jī)蓪蛹芸?，上?層為跨度25 m的大跨度結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，場(chǎng)地類別Ⅲ類。

2 結(jié)構(gòu)體系和選型

由于建筑功能為新聞播音、配音等專業(yè)教學(xué)，對(duì)聲學(xué)環(huán)境有特殊要求。經(jīng)過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，以及桁架結(jié)構(gòu)、托梁結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)、空腹桁架結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)材料和形式的分析、比較[1]，綜合建筑聲學(xué)效果、維護(hù)難易、抗震性能和建筑造型等因素，最終采用型鋼混凝土空腹桁架結(jié)構(gòu)型式，桁架立面如圖2所示。型鋼主要加設(shè)在兩端支撐的混凝土框架柱、桁架弦梁和五個(gè)豎向腹桿中。桁架上、下弦梁結(jié)合建筑立面要求，梁高取為1 450 mm，其中頂層梁為保證立面造型上抬600 mm。主體結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)加強(qiáng)樓板整體性、合理布置柱網(wǎng)、選定合理設(shè)計(jì)參數(shù)保證主體結(jié)構(gòu)各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本工程的型鋼混凝土空腹桁架并非簡(jiǎn)支于主體結(jié)構(gòu)兩端，而是與主體結(jié)構(gòu)各層整澆一起，相互作用并形成空間受力模式，其受力和破壞形態(tài)復(fù)雜，因此需要采用兩種力學(xué)模型的軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并按結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)[2]。本工程采用PKPM SATWE和MIDAS GEN兩種不同軟件進(jìn)行空腹桁架在整體空間作用下的內(nèi)力。在SATWE整體模型中，須將桁架的上、下弦定義為轉(zhuǎn)換梁，將桁架上下弦所在樓層的板定義為彈性板，并且在計(jì)算桁架內(nèi)力時(shí)把桁架相關(guān)樓層的加載方式設(shè)置為同時(shí)加載，考慮與結(jié)構(gòu)豎向地震作用組合計(jì)算。同時(shí)利用GEN建立計(jì)算模型，并通過(guò)結(jié)構(gòu)總重量、柱底恒和活荷載、恒載單獨(dú)作用下的內(nèi)力比較來(lái)驗(yàn)證兩個(gè)軟件計(jì)算模型輸入的正確性。兩種軟件計(jì)算的彎矩、剪力如圖3～圖6所示。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出:

1)三層樓的總重量產(chǎn)生的效應(yīng)按照桁架上弦、下弦、中間橫腹桿的剛度進(jìn)行了重新分配，并且主要由截面和剛度較大的桁架上、下弦來(lái)承擔(dān)。空腹桁架結(jié)構(gòu)按兩種模型計(jì)算得到的關(guān)鍵部位內(nèi)力比較見(jiàn)表1。兩者計(jì)算結(jié)果存在一定差異，SATWE計(jì)算結(jié)果大部分情況下高于GEN，但兩者上、下弦桿的總彎矩((M左支座彎矩+M右支座彎矩)/2+M跨中)基本相等，約為18 000 kN·m；總剪力值相近，差額部分主要是因?yàn)橹虚g腹桿的分擔(dān)?？紤]到計(jì)算軟件對(duì)型鋼混凝土構(gòu)件剛度模擬假定的近似性，設(shè)計(jì)時(shí)仍按兩者較大值進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

表1 不同模型時(shí)空腹桁架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位內(nèi)力比較

2)桁架豎向腹桿的計(jì)算內(nèi)力很小，4層和5層處于受壓狀態(tài)，3層處于受拉狀態(tài)。豎腹桿是上、下弦形成整體工作和可靠傳力的關(guān)鍵，因此設(shè)計(jì)時(shí)雖然其所受力較小，但仍采用型鋼與上、下弦中的型鋼焊接在一起，并且其中的鋼筋全長(zhǎng)按受拉鋼筋要求進(jìn)行機(jī)械連接或焊接，并在節(jié)點(diǎn)區(qū)可靠錨固。

3)橫向腹桿僅在支座附近剪力有較大增加。設(shè)計(jì)時(shí)取消了中間橫向腹桿中的型鋼，優(yōu)化了設(shè)計(jì)并大大簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于上述兩者的模型及計(jì)算中，未考慮桿件軸向變形和剛度的影響。而實(shí)際上桁架上、下弦桿由于桁架的整體作用還存在一定的拉壓力，因此其內(nèi)力由兩部分組成：未考慮軸向變形的彎剪受力狀態(tài)和桁架整體形成的軸向拉壓力[3]。為便于設(shè)計(jì)，可按下列方法近似估計(jì)上、下弦中的拉壓力：桁架上下弦中的拉壓力=桁架總彎矩/桁架高度。按此比值與彎矩產(chǎn)生的截面正應(yīng)力比例，將內(nèi)力放大后按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果，合理確定型鋼的布置范圍。由于型鋼混凝土桁架的上、下弦桿、中間層橫向腹桿并非簡(jiǎn)支在兩邊框架上，而是與鄰接混凝土框架整澆在一起，因此鄰跨的內(nèi)力很大。本工程對(duì)桁架上、下弦中的型鋼按負(fù)彎矩范圍向兩邊外延，且不伸入鄰跨框架柱節(jié)點(diǎn)，以避免鋼筋穿插過(guò)密；同時(shí)在型鋼截?cái)嗵幖訌?qiáng)箍筋，以保證可靠傳力；與大跨度結(jié)構(gòu)相連的框架梁按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)?？蚣苻D(zhuǎn)換柱和豎向腹桿中內(nèi)置型鋼[4]。

對(duì)支承空腹桁架的框架轉(zhuǎn)換柱、桁架上下弦和豎向腹桿，按照性能設(shè)計(jì)的原則，進(jìn)行設(shè)防烈度下彈性設(shè)計(jì)復(fù)核加強(qiáng)，抗震措施提高一級(jí)。對(duì)空腹桁架各層平面外梁板進(jìn)行了加強(qiáng)。

此外，為簡(jiǎn)化型鋼節(jié)點(diǎn)，保證施工質(zhì)量，同時(shí)提高節(jié)點(diǎn)延性和安全性，設(shè)計(jì)采取了以下措施：1)套筒連接和節(jié)點(diǎn)板連接組合使用。套筒連接質(zhì)量可靠，但施工麻煩；節(jié)點(diǎn)板連接質(zhì)量受焊工水平影響，但施工簡(jiǎn)便。本工程中框架柱筋連接全部采用套筒，框架梁筋連接采用套筒或節(jié)點(diǎn)板。采用節(jié)點(diǎn)板時(shí)注意控制鋼筋直徑，以減小節(jié)點(diǎn)板的尺寸，避免影響柱筋。柱筋采用大直徑，減小根數(shù)，當(dāng)多根柱筋落在節(jié)點(diǎn)處的型鋼梁上，在該處加加勁肋，并核對(duì)加勁肋是否阻擋梁箍筋。2)采用窄厚翼緣的型鋼，并取消了腹板的加勁肋，有利縱筋和箍筋穿插。翼緣寬度宜取1.8倍柱筋最大間距為宜，這樣柱筋只有正中一根對(duì)準(zhǔn)梁中心，且梁不用設(shè)加勁肋。3)對(duì)型鋼腹板開(kāi)圓孔穿拉鉤，有利于混凝土的澆筑和密實(shí)，有利于混凝土和型鋼形成整體受力，對(duì)腹板削弱可通過(guò)加厚腹板實(shí)現(xiàn)。4)在設(shè)計(jì)時(shí)取消了型鋼柱間的加勁肋板，但同時(shí)對(duì)型鋼柱外圍箍筋加大加密，在等同效果下，大大提高了混凝土澆筑質(zhì)量。5)型鋼混凝土澆筑時(shí)采用小粒徑(限制為22 mm)的自密實(shí)混凝土。

3.3 施工過(guò)程的影響

由于本工程的“空腹桁架”雖然“嵌入”在多層混凝土框架結(jié)構(gòu)中，但是其本身仍是一個(gè)完整的受力體系，必須在其形成整體后方可進(jìn)行加載，并且不同的施工加載過(guò)程對(duì)空腹桁架的內(nèi)力影響不可忽略。由于軟件可施工模擬計(jì)算假定和計(jì)算過(guò)程并不完全與實(shí)際一致，并且計(jì)算結(jié)果也存在較大不確定性。本工程通過(guò)桁架形成整體后一次性加載的方式來(lái)保證與計(jì)算假定一致。

施工時(shí)具體采用以下控制措施：1)首先在形成受力體系前，整個(gè)桁架的重量要通過(guò)腳手架或臨時(shí)支撐將荷載傳遞至地基上，底層模板和腳手架的設(shè)計(jì)要能承受上面3層的重量，扣除后期施加的建筑面層荷載、活荷載和填充墻荷載，實(shí)際加載量只占所有荷載的25%；2)待桁架上弦達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才可以整體拆模，拆模時(shí)為減小整個(gè)空腹桁架的變形，由上到下逐層拆除；同時(shí)為減小突然加載對(duì)周邊已形成結(jié)構(gòu)的影響，逐層拆除時(shí)控制拆除的節(jié)奏；3)在實(shí)施建造過(guò)程中，由于大跨度型鋼混凝土構(gòu)件的型鋼和鋼筋籠起拱比較困難，把下弦梁底腹桿對(duì)應(yīng)的腳手架支撐按變形控制的理念進(jìn)行加強(qiáng)，不再施工起拱。

4 結(jié)論

目前工程已竣工使用，通過(guò)本工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐可得如下結(jié)論：1)與兩側(cè)主體連為一體的空腹桁架的受力形態(tài)，與普通桁架比有很大差別，表現(xiàn)為連續(xù)疊合梁的受力特征，上、下弦桿在變形協(xié)調(diào)條件下的組合受力。桿件力學(xué)狀態(tài)復(fù)雜，計(jì)算需要注意桿件軸向剛度和變形影響。2)豎向腹桿是結(jié)構(gòu)體系正常工作的保證，其處于拉、壓彎剪綜合受力狀態(tài)；橫向腹桿的作用很小。3)合理的設(shè)置型鋼有效的提高了空腹桁架整體結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)的延性，減小了構(gòu)件截面尺寸和自重，尤其是豎腹桿中的型鋼。4)對(duì)多層框架中嵌入的大跨度空腹桁架結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制施工加載和拆模過(guò)程可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形成并明確受力，施工方便，綜合效益明顯。