李 森，丁偉倫，任慶英，劉文珽，周軼倫，劉 翔，劉 帥

(中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100044)

1 工程概況

玉環(huán)圖書館與博物館工程位于浙江省玉環(huán)市，圖書館總建筑面積1.05萬m2，博物館總建筑面積0.8萬m2。圖書館地上2層，局部地下1層，建筑高度(最高點(diǎn))15.5m。博物館主要的展廳空間沿垂直方向分為4層，分別對應(yīng)不同的展覽主題。技術(shù)和辦公用房、藏品庫房、設(shè)備機(jī)房位于一層基座層內(nèi)，建筑高度(最高點(diǎn))24m。建筑均由多個單體建筑組成，建筑效果如圖1所示，現(xiàn)場照片如圖2所示。

圖1 玉環(huán)圖書館與博物館效果圖

圖2 玉環(huán)圖書館與博物館現(xiàn)場圖

項(xiàng)目設(shè)計(jì)于2014年，圖書館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年，建筑安全等級為二級，非抗震設(shè)防區(qū)。圖書館基本風(fēng)壓為1.2kN/m2(重現(xiàn)期為50年)，博物館基本風(fēng)壓為1.45kN/m2(重現(xiàn)期100年)，地面粗糙度為A類[1]。

2 結(jié)構(gòu)體系

為把建筑形態(tài)優(yōu)美、使用功能完備和結(jié)構(gòu)受力合理三者有機(jī)結(jié)合，工程采用兩種結(jié)構(gòu)形式形成相對標(biāo)準(zhǔn)化的無柱空間，對應(yīng)不同的閱覽空間和展廳空間：一種是反曲的鋼筋混凝土懸索預(yù)應(yīng)力薄殼屋面，將懸索屋面固定在兩端的墻體上，墻體起到傳遞豎向力和屋蓋懸索水平力的作用，這是一種較為新穎的預(yù)應(yīng)力索-殼組合結(jié)構(gòu)；另一種是用工字形魚腹梁的大跨度結(jié)構(gòu)來形成無柱空間，用箱型結(jié)構(gòu)樓蓋抵消兩端剪力墻彎曲變形所產(chǎn)生的水平推力。這兩種結(jié)構(gòu)單元的水平和豎向組合，形成了不同的建筑形態(tài)和空間，對應(yīng)不同的功能，形成總體建筑群。采用MIDAS Gen軟件建立典型結(jié)構(gòu)單元，三種典型結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。單元A凈跨為31.4m，單元B凈跨為17m，單元C凈跨為17m。

圖3 典型結(jié)構(gòu)單元MIDAS Gen 模型

圖書館2層和博物館2層、博物館3層的大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)針對建筑下懸魚腹式吊頂采用了魚腹梁組成的箱型樓蓋結(jié)構(gòu)方案，并在魚腹梁腹板上開若干洞，將設(shè)備管線隱藏于箱型結(jié)構(gòu)中。

為了給拉索提供支承，在矩形平面的兩端結(jié)合建筑功能布置多道平行的鋼筋混凝土剪力墻，各剪力墻之間通過擴(kuò)大其端部邊緣墻體厚度和設(shè)置高連梁使得建筑平面端部形成筒體，一方面滿足結(jié)構(gòu)豎向和側(cè)向抗力要求，另一方面為建筑提供了可供靈活布置的大空間，從而形成鋼筋混凝土剪力墻抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。兩館的典型屋頂平面布置如圖4所示。

圖4 屋頂結(jié)構(gòu)平面圖

場地原始地貌單元屬海岸平原，地表面平坦，場地內(nèi)地基土埋深、層厚變化較大，性質(zhì)差異較大，屬于不均勻地基，場地內(nèi)有較深厚的淤泥土層(18.30～27.40m)。結(jié)合本工程淤泥較厚、持力層較深的特點(diǎn)，并考察當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)和樁基施工成熟度，經(jīng)計(jì)算分析，本工程基礎(chǔ)采用樁徑800mm的鉆孔灌注樁，樁身采用強(qiáng)度為C35的混凝土，以⑥-2層粉質(zhì)黏土為樁端持力層，樁端進(jìn)入持力層3m，有效樁長約50m，并采用樁端樁側(cè)后壓漿以提高承載力[2]?？紤]負(fù)摩阻力以及后壓漿作用，單樁承載力特征值為2 000kN。

3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

結(jié)構(gòu)處于非抗震區(qū)，無抗震超限情況，采用YJK 3.0.2和SAP2000 V22進(jìn)行整體計(jì)算，采用MIDAS Gen 2020進(jìn)行豎向構(gòu)件的分析校核。結(jié)構(gòu)嵌固端位于基礎(chǔ)頂面，計(jì)算多個風(fēng)向角，包括每個單體建筑主軸與次軸方向。由于結(jié)構(gòu)之間連接較弱，結(jié)構(gòu)的自振振型主要表現(xiàn)為各單體獨(dú)自震動。整體計(jì)算結(jié)果詳如表1、表2所示。整體計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型

圖書館結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果 表1

博物館結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果 表2

4 屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 屋蓋截面及配筋設(shè)計(jì)

項(xiàng)目所在地玉環(huán)市處于風(fēng)荷載很大的沿海地區(qū)，臺風(fēng)頻發(fā)。下凹形狀的混凝土薄殼能夠利用薄殼結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)較好地抵御向上的風(fēng)吸力。同時，能呈現(xiàn)出混凝土薄殼屋蓋的輕盈曲面和完全無柱的大跨使用空間。故結(jié)構(gòu)采用了鋼筋混凝土懸索預(yù)應(yīng)力薄殼屋面，是一種預(yù)應(yīng)力索-殼組合結(jié)構(gòu)。

圖書館懸索屋面設(shè)計(jì)時考慮其對風(fēng)荷載的敏感性，按50年一遇基本風(fēng)壓的1.1倍取值，基本風(fēng)壓為1.2×1.1=1.32kN/m2，博物館風(fēng)振系數(shù)取1.5，基本風(fēng)壓為1.45kN/m2(重現(xiàn)期100年)。圖書館基本雪壓為s0=0.35kN/m2(重現(xiàn)期50年)，博物館基本雪壓為s0=0.40kN/m2(重現(xiàn)期100年)，雪荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)均為Ⅲ區(qū)[1]。

在選取風(fēng)荷載體型系數(shù)時，每個單元需考慮橫軸、縱軸兩個方向風(fēng)荷載作用。其中橫向風(fēng)的體型系數(shù)較為復(fù)雜，在同一個屋面上同時出現(xiàn)了風(fēng)吸力和風(fēng)壓力[3]，且風(fēng)吸力較大。文獻(xiàn)[4-5]指出，風(fēng)荷載是進(jìn)行懸索屋蓋設(shè)計(jì)時需重點(diǎn)考慮的荷載形式。對于單元C，坡屋面迎風(fēng)時，體型系數(shù)與坡度角α有對應(yīng)關(guān)系，單元C坡度為0°～30°，對應(yīng)體形系數(shù)為-0.6～0，取較大值為-0.6，當(dāng)為背風(fēng)坡面時取-0.6，如圖6所示。

圖6 風(fēng)荷載體型系數(shù)取值

下凹屋面設(shè)計(jì)同樣需考慮雪荷載的三種情況取值[1]，考慮不同的布置形式，進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，索結(jié)構(gòu)屋面的雪荷載積雪分布系數(shù)如圖7所示。

圖7 雪荷載分布情況

屋蓋的設(shè)計(jì)主要通過三方面控制配筋和截面尺寸：1)根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度條件確定索構(gòu)件截面，在1.0D+1.4W(即1.0恒載+1.4風(fēng)荷載)荷載工況下，索應(yīng)力σ≥0.1ftpk，其目的是使得索在風(fēng)吸力作用下仍處于受拉狀態(tài)，在其他荷載工況下的應(yīng)力σ≤ftpk/2.2；2)根據(jù)結(jié)構(gòu)的剛度條件確定混凝土殼的厚度，在1.0D+1.0W(即1.0恒載+1.0風(fēng)荷載)荷載工況下，按薄殼結(jié)構(gòu)抗彎控制結(jié)構(gòu)剛度，結(jié)構(gòu)的撓跨比不小于1/400[6],在1.0D+1.0L(即1.0恒載+1.0活載)的標(biāo)準(zhǔn)荷載組合工況下，按懸索結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)剛度，結(jié)構(gòu)的撓跨比不小于1/200[3]；3)根據(jù)風(fēng)荷載引起的殼面平面外彎矩配置普通鋼筋。

屋蓋平面布置為長方形，剖面找形采用了垂跨比為1/20的懸鏈線。這種垂跨比，不僅能滿足建筑外形美觀的需要，還能夠?qū)⑹父吆屠Ρ３衷谝粋€合理的范圍[7]。結(jié)合建筑方案，將屋蓋分為等高屋蓋和不等高屋蓋兩種類型，等高屋蓋凈跨度有31.4m和17m兩種，不等高屋蓋凈跨為17m。每個屋蓋剖面設(shè)置了20個定位控制點(diǎn)，以便圖紙表達(dá)和施工找形，詳如圖8、圖9所示。

圖8 等高屋蓋典型剖面

圖9 不等高屋蓋單元C典型剖面

為了對應(yīng)等高屋蓋31.4m和17m兩種跨度，分別采用了180mm厚和150mm厚C40混凝土樓板, 在接近支座位置，兩種跨度屋蓋均逐漸加厚到300mm。預(yù)應(yīng)力鋼絞線分別為直徑17，15mm高強(qiáng)低松弛鋼鉸線，fptk=1 860MPa，強(qiáng)度和剛度控制指標(biāo)如表3所示。預(yù)應(yīng)力筋均采用緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù),布置方式如圖10所示。

圖10 典型剖面對應(yīng)橫斷面鋼筋布置示意

典型結(jié)構(gòu)單元屋面預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 表3

在31.4m跨度的情況下，若采用普通梁板結(jié)構(gòu)屋蓋，預(yù)應(yīng)力混凝土梁尺寸達(dá)500mm×1 500mm，混凝土屋面板厚達(dá)120mm，折算厚度達(dá)到31cm/m2。而采用預(yù)應(yīng)力索-殼組合結(jié)構(gòu)屋蓋，考慮到接近支座處的局部加厚，混凝土平均厚度僅需18.9cm/m2。可見該結(jié)構(gòu)體系不但形態(tài)輕薄，且兼具較好的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 屋面屈曲分析

當(dāng)屋面承受Y向全跨向上風(fēng)吸力時，下凹屋面整體受力狀態(tài)一定程度上接近受均布壓力的殼體，存在受壓屈曲的問題。為進(jìn)一步探究該新型屋面的受力機(jī)理，同時考慮到該結(jié)構(gòu)所處位置易出現(xiàn)較大風(fēng)壓的現(xiàn)狀，有必要對該屋面進(jìn)行屈曲分析，探究不同屈曲模態(tài)下屋面的臨界屈曲力。取該模型前6階屈曲模態(tài)，具體變形模式如圖11所示，屈曲臨界力見表4。

圖11 結(jié)構(gòu)屋蓋屈曲變形示意圖

各階屈曲模態(tài)的臨界力 表4

4.3 屋蓋預(yù)應(yīng)力張拉過程分析

由于屋蓋薄殼混凝土為整體現(xiàn)澆，在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，有三個問題值得重點(diǎn)關(guān)注：1)預(yù)應(yīng)力是否會施加在兩端墻上，而未施加于板中；2)板中是否會產(chǎn)生較大彎矩作用；3)張拉方案需綜合考慮受力合理和施工方便。針對以上三個問題，研究了屋蓋薄殼內(nèi)預(yù)應(yīng)力張拉的兩種方案：方案一是混凝土屋蓋整體現(xiàn)澆，形成強(qiáng)度之后一次性張拉預(yù)應(yīng)力筋；方案二是在一端支座處設(shè)置后澆帶，在封帶前完成預(yù)應(yīng)力張拉。

在SAP2000中建立截面尺寸為150mm×180mm的預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行施工模擬分析，梁軸向的幾何形狀為預(yù)應(yīng)力索的幾何形狀。梁截面形心布置一根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力值設(shè)為1 000MPa，張拉力為139kN。采用了四種加載方案進(jìn)行對比：方案A用兩端完全固支，模擬一次張拉的支座條件；方案B用一端自由一端固支，模擬設(shè)置后澆帶的支座條件。同時，為了對比下凹屋蓋和水平屋蓋在預(yù)應(yīng)力加載過程中，屋蓋自身和兩端支座的受力和變形，設(shè)計(jì)了兩根與方案A，B支座條件相同、跨度相同的直線梁。方案C用兩端完全固支，模擬一次張拉；方案D用一端自由一端固支，模擬設(shè)置后澆帶。支座條件示意簡圖如圖12所示，數(shù)據(jù)匯總于表5。

圖12 預(yù)應(yīng)力張拉支座條件簡圖

通過張拉過程施工模擬分析可得出以下結(jié)論：

(1)對于方案A和方案B兩種施工方案，最后施加到板中的預(yù)加軸力相差很小，相差僅(134.84-134.18)/134.84=0.49%。即不設(shè)后澆帶直接張拉預(yù)應(yīng)力筋施加的預(yù)加軸力與設(shè)后澆帶張拉預(yù)應(yīng)力筋施加的預(yù)加軸力最多相差0.49%。

(2)對于方案A，如果直接張拉預(yù)應(yīng)力筋，會在支座處每150mm寬范圍內(nèi)產(chǎn)生1.02kN·m的彎矩，跨中處每150mm寬范圍內(nèi)產(chǎn)生0.55kN·m的彎矩，彎矩值很小。實(shí)際上板的約束達(dá)不到完全固支，張拉有效應(yīng)力也達(dá)不到1 000MPa，因此實(shí)際上產(chǎn)生的彎矩會更小。對于方案B，預(yù)應(yīng)力的張拉不會對板殼產(chǎn)生彎矩。

張拉過程分析結(jié)果 表5

(3)對于方案A和方案B，兩種情況梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋拉力幾乎相等，對支座產(chǎn)生的反力(即次內(nèi)力)，方案A僅為0.67kN，方案B為0。方案A跨中向上位移為23mm，方案B跨中沒有位移，板中預(yù)應(yīng)力的施加是通過板向上的變形實(shí)現(xiàn)的。

(4)對于直線布置的方案C和方案D，兩者施加到板中的預(yù)加軸力相差100%，方案C全部加在兩端支座上，方案D全部加在板中。即不設(shè)后澆帶直接張拉預(yù)應(yīng)力筋施加的預(yù)加軸力與設(shè)后澆帶張拉預(yù)應(yīng)力筋施加的預(yù)加軸力相差100%。

(5)對比方案A和方案C，可知只有在方案C的直線狀態(tài)即平板時，預(yù)應(yīng)力會施加到兩端墻體上，而方案A的下凹屋蓋則可以把絕大多數(shù)預(yù)應(yīng)力施加在板內(nèi)，支座只承受很小的反力。

(6)根據(jù)預(yù)應(yīng)力等效荷載的概念[8]，由于預(yù)應(yīng)力鋼筋和屋蓋均呈懸鏈線下凹，產(chǎn)生垂度f，在端支座施加有效預(yù)加力Np時，將產(chǎn)生向上的等效均布荷載q，因此方案A會產(chǎn)生整體向上的變形，而在預(yù)應(yīng)力張拉的形心在支座處與屋蓋形心存在微小夾角α，因而會對方案A端支座產(chǎn)生彎矩。而對于方案C和方案D，由于幾何形態(tài)為水平線，不存在預(yù)應(yīng)力鋼筋下凹產(chǎn)生的垂度f，因而不會產(chǎn)生向上的等效均布荷載q，也就不會產(chǎn)生向上的變形，不存在夾角α，因此支座處也不會產(chǎn)生任何彎矩。

綜上可知，在張拉板內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋時，通過設(shè)置后澆帶使屋蓋不受剪力墻的約束，可避免次內(nèi)力的不利影響，但設(shè)置后澆帶增加了施工難度。不設(shè)后澆帶對次內(nèi)力影響不大，而且施工方便，因此選擇方案A，即混凝土屋蓋整體現(xiàn)澆，形成強(qiáng)度之后一次性張拉預(yù)應(yīng)力筋作為本工程的張拉方案。

5 樓蓋工字形魚腹梁設(shè)計(jì)

圖書館2層和博物館2層、3層樓蓋結(jié)構(gòu)凈跨為31.4m，由于上部懸索屋面對兩側(cè)墻體有拉力作用，作為相鄰下層結(jié)構(gòu)，樓蓋受力狀態(tài)復(fù)雜，同時具有梁跨中彎矩大和壓桿受壓容易失穩(wěn)的受力特點(diǎn)。因此結(jié)合建筑的外觀要求，選用中部截面高度較大、支座截面相對較小的工字形魚腹梁截面，結(jié)合上下層樓板形成箱型截面，是較為合理的結(jié)構(gòu)布置方案，示意圖如圖13所示。

圖13 魚腹梁受力狀態(tài)示意

魚腹梁梁高從梁端1 186mm漸變到跨中2 300mm，梁與梁間距3.6m。為了更高效地傳遞彎矩，魚腹梁采用工字形截面，在剪力較大的梁端腹板厚度500mm，剪力較小的跨中腹板厚度400mm。上翼緣寬度1 000mm、厚度310mm，下翼緣寬度1 050mm、厚度200mm。魚腹梁之間設(shè)置3道垂直于魚腹梁的200mm寬混凝土系梁，用于控制魚腹梁平面外穩(wěn)定。下層樓板采用80mm現(xiàn)澆板，上層樓板采用預(yù)制混凝土板加疊合現(xiàn)澆層。

魚腹梁與上下層樓板構(gòu)成了整體性較強(qiáng)的2層箱型樓蓋，在建筑功能上有四個特點(diǎn)：1)保證了2層圖書館閱覽或博物館展陳所需要的平整地面；2)滿足了首層天花板的清水曲面效果并呼應(yīng)于屋頂曲面的建筑立面效果；3)提高了上下層間的隔聲性能；4)形成了較大的箱型使用空間，可以將設(shè)備專業(yè)管線隱藏其中。每根魚腹梁腹板上開6個圓洞，其中4個直徑700mm圓洞，2個直徑800mm圓洞。魚腹梁之間的聯(lián)系梁開洞尺寸為800mm×1 200mm。示意圖如圖14所示。

圖14 魚腹梁形成的箱型結(jié)構(gòu)示意

由于魚腹梁施工過程中采用二次澆筑。第一次澆筑魚腹梁下翼緣、下層混凝土曲板和腹板，第二次澆筑上翼緣及預(yù)制板上的疊合層。施工順序及典型配筋詳如圖15所示。

圖15 魚腹梁施工順序及典型配筋

針對魚腹梁的受力特點(diǎn)，在腹板內(nèi)布置了2×4φs15.2的預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力布筋形式采用直線與拋物線相切布置，如圖16所示。

圖16 魚腹梁預(yù)應(yīng)力布置示意

工字形魚腹梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)用料比較經(jīng)濟(jì)，34m結(jié)構(gòu)凈跨混凝土折算厚度約為43cm/m2。

6 端部剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對建筑功能布置和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，間隔3.6m布置了多道平行的剪力墻作為豎向受力構(gòu)件，墻長度4.2m。為了在建筑限定的500mm厚、4.2m長、15.5m高的墻體范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較為高效的水平拉力傳遞，以圖3中的單元A為典型結(jié)構(gòu)，采用有限元分析軟件MIDAS Gen比選了四種端部墻體布置形式：形式1是剪力墻端柱附加型鋼，形式2是純框架結(jié)構(gòu)，形式3是框架結(jié)構(gòu)并設(shè)置了兩層通高的斜桿，形式4是框架結(jié)構(gòu)并設(shè)置了兩層方向相反的斜桿，計(jì)算模型如圖17所示。通過比較四種形式端部墻體的頂點(diǎn)在懸索拉力作用下包絡(luò)最大的水平位移、傳力路徑，并考慮到施工的復(fù)雜度及建筑專業(yè)對清水混凝土效果的要求，選用形式1作為最終墻體方案。比選數(shù)據(jù)如表6所示。

圖17 不同布置形式的端部剪力墻計(jì)算模型

由于每個結(jié)構(gòu)單元僅有兩組端部剪力墻作為豎向構(gòu)件，大跨屋蓋的荷載會以彎矩的形式傳遞給端部墻體，端部墻體的外側(cè)受到的拉力較大，底部彎矩較大，因此在外側(cè)柱除了增設(shè)型鋼，還布置了預(yù)應(yīng)力鋼筋，以有效減小墻體外側(cè)拉應(yīng)力。

不同布置形式的端部剪力墻受力及變形 表6

用于單元A的典型剪力墻平面布置如圖18所示。墻體混凝土強(qiáng)度等級為C40,受壓和受拉端邊緣構(gòu)件均采用型鋼柱，配筋率為1.05%，含鋼率為4.54%[9]。針對墻體內(nèi)外兩端的受力狀態(tài)不同，同時采取了兩種技術(shù)手段：在裂縫控制方面，受拉端邊緣構(gòu)件設(shè)置通高預(yù)應(yīng)力鋼絞線2×4φs15.2，如圖18所示；在構(gòu)造方面，受拉端采用特殊的埋入式柱腳節(jié)點(diǎn)，在型鋼柱兩側(cè)鋼梁各外伸400mm與型鋼柱剛接，代替以往的栓釘連接，形成類似端錨板的錨固形式，達(dá)到更好的抗拉錨固效果。受壓端采用外露式鋼柱腳，如圖19所示。

圖18 端部剪力墻配筋詳圖

圖19 端部剪力墻型鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)

在與大跨度垂直方向(即Y向)，出于建筑效果的需要，并未布置剪力墻，而是由四個500mm×1 000mm端柱與X向兩道剪力墻圍合成一組筒體。如果不考慮剪力墻平面外抗彎貢獻(xiàn)，端柱在Y向會形成接近多跨框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系。Y向柱跨3.6m，梁凈跨2.6m，梁高1 300mm。以單元A為例，用YJK中不含X向剪力墻的純框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行比較，Y向風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)位移對比見圖20。純框架結(jié)構(gòu)模型在Y向風(fēng)荷載作用下最大層間位移角為1/2 935，而單元A剪力墻結(jié)構(gòu)在Y向風(fēng)荷載作用下最大層間位移角為1/4 858，可見端柱和剪力墻圍成的筒體相對純框架結(jié)構(gòu)來說，有較好的抗側(cè)力性能。

圖20 Y向風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)位移對比/mm

由于每個結(jié)構(gòu)單體都采用懸索預(yù)應(yīng)力薄殼屋蓋，剪力墻外側(cè)邊緣構(gòu)件存在較大的拉力，因此整個墻體存在較大的彎矩。為消除其對樁基上拔的不利影響，通過調(diào)整樁位布置使得每片墻體群樁重心與上部墻體偏心距重合，從而使各樁均參與受壓，且最大受壓樁受壓作用不超過單樁承載力?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[10]第8.5.3條規(guī)定，布置樁位時宜使樁基承載力合力點(diǎn)與豎向永久荷載合力作用點(diǎn)重合，而不是將承臺的幾何形心與墻體的幾何形心重合。以單元A隨機(jī)選取某跨剪力墻為例，恒載作用下，恒載重心與群樁重心偏心距約為200mm，對于三樁承臺樁間距來說偏心率為4%，基本滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[10]合力偏心距重合的要求，如圖21所示。另外，所有樁頭均按抗拔樁考慮了鋼筋錨固長度，樁身配筋也能夠滿足作為抗拔樁的使用需求，作為安全儲備。

圖21 群樁重心與恒載重心重合示意圖

7 結(jié)論

該項(xiàng)目很好地詮釋了如何將建筑造型和結(jié)構(gòu)構(gòu)件有機(jī)融合，并有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)下凹的鋼筋混凝土懸索預(yù)應(yīng)力薄殼屋面，在滿足無柱大空間使用功能的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)屋面室內(nèi)外均為清水混凝土的外觀效果，并營造輕薄的建筑立面效果。特別是在風(fēng)荷載很大的沿海地區(qū)，下凹形狀的混凝土薄殼能夠通過薄殼結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)較好地抵御向上的風(fēng)吸力。除了控制屋面建筑做法帶來的荷載外，風(fēng)荷載和雪荷載的取值及計(jì)算，是保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的關(guān)鍵前提。

(2)懸索薄殼屋面的截面和配筋設(shè)計(jì)中，通過不同工況下的索應(yīng)力控制預(yù)應(yīng)力配筋；在恒載和風(fēng)吸力組合的工況下，按薄殼結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)剛度，在恒載和活載標(biāo)準(zhǔn)組合的工況下，按懸索結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)剛度；根據(jù)風(fēng)荷載引起的殼面平面外彎矩配置普通鋼筋。

(3)在張拉板內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋時，通過設(shè)置后澆帶使屋蓋不受剪力墻的約束，可避免次內(nèi)力的不利影響，但設(shè)置后澆帶增加了施工難度。不設(shè)后澆帶對次內(nèi)力影響不大，而且施工方便，因此采用混凝土屋蓋整體現(xiàn)澆，形成強(qiáng)度之后一次性張拉預(yù)應(yīng)力筋，是比較合適的下凹薄殼屋面的預(yù)應(yīng)力張拉方案。

(4)由于上部懸索屋面對兩側(cè)墻體有拉力作用，作為與懸索屋面相鄰下層結(jié)構(gòu)，同時具有梁跨中彎矩大和壓桿受壓容易失穩(wěn)的受力特點(diǎn)。2層大跨無柱空間選用工字形魚腹梁截面，結(jié)合上下層樓板形成箱型截面，是較為合理的結(jié)構(gòu)布置方案。在保證建筑功能和清水曲面效果的基礎(chǔ)上，提高了上下層間的隔聲性能，能夠形成設(shè)備夾層，結(jié)構(gòu)用料比較經(jīng)濟(jì)。

(5)端部剪力墻作為懸索大跨屋蓋的支座，平面內(nèi)需要較大的剛度實(shí)現(xiàn)有效的彎矩傳遞及水平變形控制。在邊緣構(gòu)件內(nèi)增設(shè)鋼骨柱和設(shè)置柱內(nèi)預(yù)應(yīng)力，都是抵抗彎矩、控制墻體裂縫的有效手段。

(6)大跨無柱空間會對端部豎向構(gòu)件產(chǎn)生較大的彎矩。墻體在基礎(chǔ)位置存在較大彎矩，為平衡此彎矩采用偏心布樁是必要的。