賈書鋒

（中天環(huán)宇建筑設(shè)計(jì)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 引言

公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究是一個(gè)涉及建筑學(xué)和工程學(xué)的復(fù)雜課題。隨著城市化進(jìn)程的加速和人口的不斷增長(zhǎng)，公共建筑作為城市的重要組成部分，其空間框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建設(shè)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。首先，公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到建筑的安全性、穩(wěn)定性和使用壽命。一個(gè)合理的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效地承受各種荷載，包括永久荷載、瞬時(shí)荷載和風(fēng)力荷載等，從而確保建筑在各種環(huán)境條件下的安全使用。此外，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要考慮材料的選取和構(gòu)造方式，以在滿足功能需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和美觀性的平衡。近年來(lái)，眾多學(xué)者在該方面開(kāi)展研究，并已經(jīng)取得一定研究成果。如侯學(xué)凡等[1]以深圳京基東濱時(shí)代大廈為研究對(duì)象，對(duì)其超限高層塔樓框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；再如王森等[2]以深圳恒裕后海金融中心真實(shí)案例為基礎(chǔ)，根據(jù)場(chǎng)地周邊環(huán)境，合理確定了塔樓不同方向的地面粗糙度類別，得到了更準(zhǔn)確的風(fēng)荷載值，并以此為基礎(chǔ)，針對(duì)超大高寬比引起結(jié)構(gòu)剛度弱的特點(diǎn)對(duì)其建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；肖梅花[3]充分考慮房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，對(duì)廣西某商業(yè)綜合體做了深入的研究，對(duì)其超長(zhǎng)多層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以上述研究為基礎(chǔ)，為滿足人們不同的使用需求，本次開(kāi)展公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。希望通過(guò)本次研究，為公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更多的可能性。

1 公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)定大空間框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)

公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)是一種專為大型公共空間設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)體系，其主要特點(diǎn)是具有開(kāi)闊的內(nèi)部空間，能夠滿足多種功能需求。這種結(jié)構(gòu)體系在體育館、會(huì)展中心、購(gòu)物中心等大型公共建筑中得到了廣泛應(yīng)用。在公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)中，主要承重構(gòu)件是梁和柱，共同組成一個(gè)穩(wěn)定的框架，承擔(dān)建筑的重量和各種荷載。這種結(jié)構(gòu)形式具有較高的靈活性和適應(yīng)性，可以根據(jù)不同的空間需求進(jìn)行靈活布局和調(diào)整。

首先，需要確定公共建筑的地基承載力，以保證公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，首要任務(wù)是確保地基的承載能力超出結(jié)構(gòu)在豎直方向所受的荷載，以預(yù)防結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剪切破壞。因此，地基的基底壓力需低于其承載力的特征值，換言之，基礎(chǔ)底面積的設(shè)計(jì)必須滿足地基的強(qiáng)度要求[4]。從以往的工程實(shí)踐來(lái)看，地基的承載力除了取決于埋設(shè)的深度之外，還與地基底部的尺寸有關(guān)。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，要根據(jù)具體情況確定基礎(chǔ)的承載力。所以，要保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確，就需要對(duì)二者的綜合影響進(jìn)行綜合分析。

建筑地基基礎(chǔ)的承載力數(shù)值應(yīng)滿足以下公式：

公式中：fa代表經(jīng)過(guò)修正的地基承載力數(shù)值，α、δ分別表示基礎(chǔ)埋深的修正系數(shù)、基礎(chǔ)寬度的地基承載力修正系數(shù)，d表示基礎(chǔ)埋置深度，fak表示土的加權(quán)平均重度，k表示基礎(chǔ)底面以下土的重度。

在計(jì)算好承載力，并確定了建筑設(shè)計(jì)需求之后，框架結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)要按照建筑設(shè)計(jì)的需要，確定適宜的框架梁和框架柱的截面尺寸、選擇的材質(zhì)和材料的強(qiáng)度等級(jí)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的梁截面的撓度應(yīng)滿足以下公式組：

公式中：b代表框架梁的截面寬度，h表示框架梁的截面高度，L代表框架柱的寬度。

在框架設(shè)計(jì)中，當(dāng)框架梁跨高比小于4時(shí)，將出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。當(dāng)混凝土梁產(chǎn)生裂紋時(shí)，其極限承載力將隨之降低，同時(shí)延性也將隨之下降。因此，梁的跨寬比必須滿足下列公式：

公式中：β代表框架梁的剛度。

當(dāng)框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件中選用寬扁梁時(shí)，樓板使用現(xiàn)澆方法，寬扁梁的截面尺寸應(yīng)符合以下計(jì)算公式組：

公式中：g表示梁柱的截面寬度，ε代表柱縱筋的直徑。

由于構(gòu)件的梁端在框架結(jié)構(gòu)是一個(gè)非常重要的部位，因此對(duì)梁端的變形能力有很高的要求。為避免塑性鉸的產(chǎn)生，梁端配筋應(yīng)增加，以改善構(gòu)件的變形能力和延性，并加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。

1.2 框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)時(shí)，需要充分考慮結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工性。要確保結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下都能保持穩(wěn)定，不發(fā)生破壞或變形。其次，要充分考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能，采取必要的抗震措施，提高建筑的抗震能力。此外，還需要考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和施工性，選擇合理的材料和施工工藝，降低建筑成本，提高施工效率。因此，在設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，應(yīng)注重建筑平面的簡(jiǎn)單規(guī)則、空間的合理劃分以及外形簡(jiǎn)潔等利于結(jié)構(gòu)布置的特點(diǎn)，保證框架結(jié)構(gòu)的整體性[5]。

框架節(jié)點(diǎn)，即框架梁與框架柱的銜接部位，在框架結(jié)構(gòu)中占據(jù)著舉足輕重的地位。只有當(dāng)框架節(jié)點(diǎn)處的梁錨固穩(wěn)定可靠，塑性鉸的形成才能得到保障。同樣，框架節(jié)點(diǎn)的安全性與可靠性，直接決定了框架柱與框架梁的整體安全性能。因此，框架節(jié)點(diǎn)在框架結(jié)構(gòu)中的重要性不言而喻，是確保整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)以上分析[6]，公共建筑大空間框架的節(jié)點(diǎn)需要按照以下準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）節(jié)點(diǎn)的極限承載力要比其連接部分高，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的受力性能要滿足設(shè)計(jì)要求。在大震作用下，可適當(dāng)減小節(jié)點(diǎn)的承載力，但要保證垂直荷載的傳遞。節(jié)點(diǎn)處梁柱中的縱筋應(yīng)設(shè)置牢固的錨固，節(jié)點(diǎn)鋼筋的布局要合理，一般應(yīng)考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響[7]。

（2）框架柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)至少與框架節(jié)點(diǎn)處的強(qiáng)度等級(jí)相匹配，甚至更高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)處的截面尺寸必須得到充分的重視，確保其尺寸適中，不宜過(guò)小。如果梁的上部鋼筋布局密集，節(jié)點(diǎn)處的頂層可能因承受過(guò)大壓力而發(fā)生斜壓破壞，這對(duì)構(gòu)件的安全性能構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，在規(guī)劃截面尺寸時(shí)，不僅要確保節(jié)點(diǎn)處的截面尺寸足夠大，還需考慮增加框架梁或框架柱的負(fù)彎矩鋼筋以增強(qiáng)其承載能力。基于這些考慮，框架結(jié)構(gòu)頂層端節(jié)點(diǎn)處梁上部縱向鋼筋的截面面積需要滿足以下計(jì)算公式：

公式中：Q代表頂層端節(jié)點(diǎn)處梁上部縱向鋼筋截面的面積，?表示梁截面的有效高度，r代表梁腹板的寬度。

（3）在框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對(duì)于箍筋的配置至關(guān)重要。在節(jié)點(diǎn)處，箍筋的設(shè)置應(yīng)當(dāng)與框架柱保持一致，確保結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。至于箍筋的間距，一般而言，應(yīng)控制在200mm 以內(nèi)，以有效發(fā)揮其約束和增強(qiáng)作用。此外，在框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，還需特別注意水平箍筋的布置，這有助于提升節(jié)點(diǎn)的抗剪能力。若存在梁相互搭接的情況，可在其節(jié)點(diǎn)處采用矩形箍筋進(jìn)行配置，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力性能。在滿足特定位移要求時(shí)，隨著軸壓比的上升，約束箍筋的使用量會(huì)相應(yīng)增加，呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)聯(lián)[8]。根據(jù)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，針對(duì)柱軸壓比的不同，柱端箍筋加密區(qū)的約束箍筋體積配筋率需要滿足一定的計(jì)算公式要求：

公式中：p代表按核芯截面的體積配箍率，λ表示最小配箍數(shù)值，fd表示混凝土軸心抗壓強(qiáng)度數(shù)值，fg表示箍筋抗拉強(qiáng)度數(shù)值。

1.3 公共建筑的框架結(jié)構(gòu)體系的布置

公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于其空間利用率高、布局靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。然而，這種結(jié)構(gòu)形式也存在一些挑戰(zhàn)和難點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工難度大等。因此，在實(shí)際工程中，需要綜合考慮各種因素，采用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)，確保公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性。因此，在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，框架結(jié)構(gòu)體系的布置應(yīng)遵循如下原則：

（1）結(jié)構(gòu)的平面布局要簡(jiǎn)潔、規(guī)整，盡可能地以對(duì)稱的方式進(jìn)行布局，使其重心與剛心盡可能地重疊，從而更好地改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（2）在豎向布局上，應(yīng)盡可能地將重心放低，并采用對(duì)稱布置，以達(dá)到更好的受力效果。

（3）為避免建筑物的不均勻沉降和混凝土收縮引起的開(kāi)裂，必須在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置變形縫。

最后，防震縫的設(shè)置主要受到建筑平面布局和建筑物質(zhì)量分布的影響。為了確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，防震縫的設(shè)置應(yīng)追求結(jié)構(gòu)單元的簡(jiǎn)潔布置、剛度的均勻分布以及質(zhì)量的均衡分布，從而避免地震引發(fā)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。當(dāng)建筑物設(shè)置防震縫時(shí)，在地震作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生層間位移。若防震縫的寬度過(guò)窄，地震時(shí)建筑物可能因相互碰撞而受損。因此，防震縫的寬度應(yīng)至少為70mm。當(dāng)防震縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)類型存在差異時(shí)，建議依據(jù)較寬的結(jié)構(gòu)類型來(lái)確定防震縫的寬度，以確保框架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性。

綜合以上分析，本文設(shè)計(jì)的公共建筑的框架結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的連接部位的平面圖如圖1 所示。

圖1 框架結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)連接部位示意圖

同時(shí)，為減小施工周圍地基變形對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響，可以采取以下措施：

（1）待主體框架結(jié)構(gòu)和周圍建筑環(huán)境均完成建設(shè)后，再對(duì)結(jié)構(gòu)與支護(hù)的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效連接，以確?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和安全性。

（2）加強(qiáng)支護(hù)部分的設(shè)計(jì)，并計(jì)劃采用錨索與巖石連接的方式，來(lái)平衡左右兩側(cè)的不平衡力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

（3）在連接部位設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工位置對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力。一旦發(fā)現(xiàn)壓力增大，應(yīng)立即采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理，確保結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

針對(duì)縱向地震與水平應(yīng)力的傳遞，一般采取逐層退臺(tái)的方法，使建筑構(gòu)件強(qiáng)度有序地變化，以防止出現(xiàn)過(guò)大的變形。另外，通過(guò)縱向設(shè)計(jì)也完成了對(duì)水平壓力的分層輸送。這些分級(jí)方法都有效地提高了支護(hù)的安全性，也減少了公共建筑的空間框架結(jié)構(gòu)的建設(shè)難度。

2 工程測(cè)試與分析

2.1 工程概況

工程以S 市的一高中辦公樓為例，該高中項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)包括教學(xué)樓、辦公樓、宿舍及食堂等7 座建筑，其中3 ～6 層的宿舍樓為磚混結(jié)構(gòu)，其余為框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度49 ～59m，寬度8.2 ～16.3m。該辦公樓建筑的規(guī)劃使用年限定為50 年，屬于一類公共建筑類別。在建筑結(jié)構(gòu)安全上，其等級(jí)被劃分為一級(jí)。對(duì)于抗震設(shè)防方面，其類別被定為丙類。該工程的施工條件設(shè)置，具體如表1 所示。

表1 施工條件設(shè)置表

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證所提技術(shù)的先進(jìn)性，本次將設(shè)計(jì)的公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)參數(shù)代入PKPM 軟件中進(jìn)行抗震計(jì)算分析，得到結(jié)果如表2 所示。

表2 測(cè)試結(jié)果

由于大空間框架結(jié)構(gòu)由于跨度大、空間開(kāi)敞，往往面臨著穩(wěn)定性問(wèn)題。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果可以看出，經(jīng)由公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性符合公共建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、加強(qiáng)支撐體系和采用先進(jìn)的連接技術(shù)等措施，可以有效提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，減少因變形和振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究是一個(gè)涉及廣泛且復(fù)雜的領(lǐng)域，其不僅關(guān)乎建筑的安全與穩(wěn)定，更與空間利用效率、建筑美學(xué)及可持續(xù)發(fā)展緊密相連。本次深入探討了公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理、方法與實(shí)踐，取得了一系列有益的成果。通過(guò)對(duì)大空間框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，明確了其在公共建筑中的重要作用，并讓大空間框架結(jié)構(gòu)能夠靈活適應(yīng)不同的空間需求，為公共建筑提供穩(wěn)定而寬敞的室內(nèi)環(huán)境，得出結(jié)論如下：

（1）經(jīng)由公共建筑大空間框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性符合公共建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（2）本次研究通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布局、材料選擇以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，成功提升了結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能，同時(shí)也注重了結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性。