段俊鍇 郭順軍 王雋 何帆 楊小坤

摘要：介紹C立方.智造慧創(chuàng)空間-2號辦公樓結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)計算分析、基礎(chǔ)設(shè)計等方面的簡要分析，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝、型鋼混凝土在本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)計算； 預(yù)應(yīng)力； 型鋼混凝土

中圖分類號：TU243.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

該項(xiàng)目建筑設(shè)計考慮了地塊的交通和布局，整體規(guī)劃以汽車“V”文化為主題，“S”型蜿蜒流動、高低錯落的建筑為骨架，通過不同標(biāo)高的街道、廣場、下沉庭院、空中平臺，打造 復(fù)合共享的立體街區(qū)（圖1）。

為滿足建筑創(chuàng)意及功能需求，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在大跨度、長懸臂、高躍層的條件下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1工程概況

該工程抗震烈度7度，建筑抗震設(shè)防類別丙類，設(shè)計使用年限50年，建筑場地類別Ⅱ類。其中2號辦公樓整體呈“S”型，地上最高10層（四個單元由高到低分別為10～7層，呈高低錯落布局）地下1層，為辦公類一類高層公共建筑，建筑面積78 445.11 m2，建筑耐火等級地上一級/地下一級。

2概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)體系

2.1概念設(shè)計

由于本工程高低錯落，整體平面呈“S”造型，空中花園導(dǎo)致局部躍層很高（4層），結(jié)構(gòu)設(shè)計從思路上需考慮幾個方面：

（1）對高低錯落、“S”型平面，通過在每個“S”彎處設(shè)防震縫（兼溫度縫）將結(jié)構(gòu)劃分為四個較簡單規(guī)則的單元，以減小結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)和結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（2）每個單元選擇既滿足建筑功能需求，又滿足結(jié)構(gòu)對整體性、側(cè)移剛度、抗扭轉(zhuǎn)能力、二道防線需求的結(jié)構(gòu)體系。

（3）對高躍層柱采用型鋼混凝土柱，增加高躍層柱的延性，并進(jìn)行性能設(shè)計。

（4）在遵循強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固的延性結(jié)構(gòu)設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，控制豎向構(gòu)件軸壓比，進(jìn)一步提高整體結(jié)構(gòu)的延性。

2.2結(jié)構(gòu)體系

2.2.1不同結(jié)構(gòu)體系的分析

2.2.1.1框架結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：室內(nèi)空間大，可以滿足復(fù)雜的建筑形式，抗震性能較好，房間空間可靈活分隔。

缺點(diǎn)：側(cè)移剛度較小，在水平荷載作用下側(cè)移較大，在強(qiáng)烈地震作用下易造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞。

2.2.1.2剪力墻結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：剪力墻結(jié)構(gòu)是一種傳統(tǒng)、成熟、抗震性能良好的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)本身的整體性好，側(cè)移剛度大，在水平作用下側(cè)移小。

缺點(diǎn)：剪力墻結(jié)構(gòu)墻體較多，混凝土用量較大，自重大?；炷翂w為高強(qiáng)度承重墻體，房間不易拆改，布置不靈活。

2.2.1.3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：室內(nèi)空間的使用以及房間隔墻的拆改，和框架結(jié)構(gòu)一樣靈活多變，抗震性能與剪力墻結(jié)構(gòu)基本相當(dāng)。

缺點(diǎn)：剪力墻結(jié)構(gòu)墻體較多，混凝土用量較大，自重較大。

2.2.2結(jié)構(gòu)體系的選擇

綜合上述分析并結(jié)合本工程具體情況：建筑對靈活大空間的需求；結(jié)構(gòu)對整體性、側(cè)移剛度、抗扭轉(zhuǎn)能力、二道防線的需求；滿足建筑、結(jié)構(gòu)需求的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，本工程采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系［1］。

3結(jié)構(gòu)計算分析

3.1結(jié)構(gòu)模型指標(biāo)

采用PKPM-SATWE系列軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)三維有限元整體分析，初步確定結(jié)構(gòu)各構(gòu)件截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級等；進(jìn)一步將各結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)濟(jì)性與結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)動態(tài)結(jié)合，對模型細(xì)化、優(yōu)化，最終結(jié)構(gòu)布置及模型指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，僅以一單元模型指標(biāo)為例（表1）。

建筑論壇與建筑設(shè)計段俊鍇， 郭順軍， 王雋， 等：公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析——C立方·智造慧創(chuàng)空間-2號辦公樓

3.2結(jié)構(gòu)不規(guī)則判定

根據(jù)2號樓各結(jié)構(gòu)單元模型指標(biāo)及結(jié)構(gòu)平面布置，2號樓各結(jié)構(gòu)單元未超出《四川省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)2020版》關(guān)于特別不規(guī)則的超限高層民用建筑工程的界定，屬于一般不規(guī)則高層建筑［4］。

4基礎(chǔ)型式的選擇與設(shè)計

4.1本項(xiàng)目場地地勘情況

在2號樓區(qū)域，場地起伏很大，基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)高以下土層分部為：雜填土（層厚1.3～19.4 m）、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化—中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。對于較厚的雜填土，地下水容易引發(fā)預(yù)成孔孔壁塌孔及預(yù)成孔孔內(nèi)沉渣清理困難。

4.2基礎(chǔ)型式的選擇

基于以上地質(zhì)情況，綜合考慮地基承載力、施工可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性等，通過對比預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁、旋挖樁及復(fù)合地基處理后的筏板基礎(chǔ)，2號樓采用樁基礎(chǔ)（預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土空心方樁PHS-500-310-95-AB），樁端以中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為持力層，單樁豎向承載力特征值Ra=2700 kN。

4.3基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)持力層情況確定單樁承載力特征值，在PKPM-JCCAD中輸入樁-承臺，進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的共同作用分析（樁基承載力與變形驗(yàn)算，包括樁基豎向承載力（包括負(fù)摩阻力影響）、沉降及承臺的抗彎，抗剪、抗沖切計算等），依據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括承臺的強(qiáng)度設(shè)計及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等［6］。

5特殊部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1高位躍層框架柱的性能設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計性能化是根據(jù)結(jié)構(gòu)高度、規(guī)則性（平面、立面）及結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的重要性，來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）延性。采用性能化設(shè)計的方法，需考慮結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度、超高超限的情況、所在地區(qū)的烈度和經(jīng)濟(jì)因素等，對結(jié)構(gòu)薄弱部位、關(guān)鍵部位、主要抗側(cè)力構(gòu)件，采取提高抗震承載力或提高結(jié)構(gòu)變形能力，確定合理的性能目標(biāo)，提高結(jié)構(gòu)的延性。

本工程在2～4單元斷縫處的框架柱均存在不同高度的躍層，以2單元為例，躍層最高達(dá)22.5 m，躍層部位位于空中連廊連接部位，綜合考慮各種因素，將高位躍層框架柱的性能目標(biāo)定為B級，高位躍層框架柱采用型鋼混凝土柱，在PKPM-SATWE中進(jìn)行性能設(shè)計計算，

（1）2單元SATWE結(jié)構(gòu)整體分析，罕遇地震下X、Y向最大層間位移角為1/214，滿足規(guī)范彈塑性層間位移角限值不大于1/100的要求。

（2）2單元SATWE結(jié)構(gòu)整體分析，多遇地震及罕遇地震下的混凝土構(gòu)件配筋及鋼構(gòu)件應(yīng)力比、下翼緣穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)力計算，對比多遇地震及罕遇地震計算結(jié)果，高位躍層框架柱采用型鋼混凝土柱，柱縱筋計算值一樣均為構(gòu)造配筋，箍筋略有變化，躍層柱設(shè)計按多遇地震及罕遇地震計算結(jié)果包絡(luò)配筋。

從上述性能設(shè)計計算結(jié)果看，對高位躍層框架柱采用型鋼混凝土柱，由于鋼骨的作用，混凝土柱的配筋均為構(gòu)造筋，能有效提高躍層柱的延性，提高安全儲備，更容易實(shí)現(xiàn)性能設(shè)計目標(biāo)［2］。

5.2長懸挑梁的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計

本工程部分區(qū)域存在長懸挑梁（懸挑長度7 m左右），為了控制長懸挑梁的上部支座裂縫及梁端部的撓度，故在長懸挑梁部分采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，梁中施加有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，鋼筋采用HRB400級（三級鋼）和1860級高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，懸挑梁區(qū)域及相關(guān)影響范圍梁板采用C40混凝凝土。通過在混凝土構(gòu)件中預(yù)埋金屬波紋管，穿預(yù)應(yīng)力筋、張拉預(yù)應(yīng)力筋、灌漿，預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土之間的相互粘結(jié)，共同工作，承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載，

5.2.1預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計的基本流程

（1）首先試算初步確定預(yù)應(yīng)力鋼筋的直徑以及根數(shù)，根據(jù)相關(guān)構(gòu)造確定預(yù)應(yīng)力鋼絞線的線型矢高。

（2）根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量、矢高，試算確定預(yù)應(yīng)力梁高，計算預(yù)應(yīng)力鋼筋在梁中產(chǎn)生的等效荷載。

（3）在PKPM計算模型中，刪掉已施加的活荷載（點(diǎn)荷載、線荷載和面荷載），在預(yù)應(yīng)力梁上輸入等效荷載，然后采用軟件進(jìn)行有限元計算，得出等效荷載在梁中產(chǎn)生的綜合彎矩、主彎矩及次彎矩（其中，次彎矩=綜合彎矩-主彎矩）。

（4）計算預(yù)應(yīng)力損失，包括：錨具回縮損失、管道摩擦損失、鋼筋的應(yīng)力松弛損失、收縮徐變損失、局部擠壓損失。

（5）根據(jù)混凝土規(guī)范，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力梁的配筋驗(yàn)算，次彎矩參與荷載組合（考慮豎向地震作用），按照GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第10.1.2節(jié)進(jìn)行組合，并按照GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第6章進(jìn)行截面驗(yàn)算。

（6）得到合理的設(shè)計結(jié)果，并滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，若不滿足，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，重復(fù)步驟（1）～（5），直到得到合理的設(shè)計結(jié)果。

（7）對長懸挑梁按施加預(yù)應(yīng)力和未施加預(yù)應(yīng)力兩種工況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，達(dá)到既控制長懸挑梁的上部支座裂縫及梁端部的撓度又具備足夠的安全儲備。

5.2.2有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的施工工藝

混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計值100%并滿足張拉條件后方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉，預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)采用應(yīng)力和應(yīng)變雙重控制方法進(jìn)行，以應(yīng)力控制為主，用應(yīng)變（伸長值）進(jìn)行校核。

張拉施工應(yīng)遵循對稱原則：縱橫向梁應(yīng)對稱同時張拉，同一根梁上多束預(yù)應(yīng)力筋宜同步張拉。張拉工藝應(yīng)能保證同一根梁內(nèi)同一束或多束中各根預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力均勻一致［5］（圖2）。

6綠色建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運(yùn)用

傳統(tǒng)建筑在設(shè)計、施工和使用過程中，建筑的耗能過高，同時對環(huán)境的污染比較嚴(yán)重。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計之時，就要進(jìn)行節(jié)能環(huán)保的規(guī)劃，提高資源的利用率，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。本工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中以綠色建筑為指引，將綠色建筑融入結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中。

6.1低碳環(huán)保的結(jié)構(gòu)選型

科學(xué)的結(jié)構(gòu)選型是實(shí)現(xiàn)綠色結(jié)構(gòu)體系，滿足綠色建筑設(shè)計要求的關(guān)鍵?；诰G色建筑的理念來對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型，可以降低建筑活動對環(huán)境的負(fù)荷壓力，實(shí)現(xiàn)建筑生命周期的可持續(xù)發(fā)展。

本項(xiàng)目選擇框架剪墻結(jié)構(gòu)，綜合考慮了建筑使用功能和空間需求，并考慮到結(jié)構(gòu)的靈活性與適應(yīng)性問題，選擇大空間可靈活分隔的結(jié)構(gòu)布置，為建筑功能轉(zhuǎn)換留有余地，節(jié)約后期結(jié)構(gòu)加固改造費(fèi)用。

6.2裝配式結(jié)構(gòu)的運(yùn)用

根據(jù)成都市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局發(fā)布成住建規(guī)〔2021〕5號文的要求，房屋建筑工程項(xiàng)目全部執(zhí)行裝配式建筑要求，單體或平均裝配率不低于40%，裝配率計算依據(jù)：《四川省裝配式建筑裝配率計算細(xì)則》，具體計算結(jié)果：

裝配式建筑的裝配率應(yīng)根據(jù)裝配式建筑評分計算表中評價項(xiàng)得分值，并應(yīng)按下式計算：

P=（Q1+ Q2+ Q3+Q4+Q5）/100×100%=（0+25.58+20.25+3+0）/100×100%=48.83%

式中：P為單體建筑裝配率；Q1為標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)實(shí)際得分值；Q2為主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)指標(biāo)實(shí)際得分值；Q3為外圍護(hù)系統(tǒng)指標(biāo)實(shí)際得分值；Q4為內(nèi)裝系統(tǒng)指標(biāo)實(shí)際得分值；Q5為管線系統(tǒng)指標(biāo)實(shí)際得分值。

綜上所述，根據(jù)《四川省裝配式建筑裝配率計算細(xì)則》，本項(xiàng)目2號樓子項(xiàng)裝配率為 48.83%，滿足裝配式建筑建設(shè)要求。

本工程裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件（疊合樓板、預(yù)制柱、裝配式隔墻板）的使用，最大程度實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件生產(chǎn)工廠化，施工安裝標(biāo)準(zhǔn)化，達(dá)到節(jié)約資源、降低能耗、保護(hù)土地資源，提高結(jié)構(gòu)的生態(tài)、綠色環(huán)保性能。

6.3材料選用

設(shè)計過程中，采用高強(qiáng)度材料（HRB400、HRB500級鋼筋，高強(qiáng)度混凝土），注意結(jié)構(gòu)材料選用的標(biāo)準(zhǔn)化，就地取材；建筑工程施工中，采用預(yù)拌混凝土、預(yù)拌砂漿，避免給施工現(xiàn)場造成污染［3］。

7主要結(jié)構(gòu)措施

（1）加大凹凸或薄弱部位的樓板板厚（板厚為150 mm），并采取雙層雙向鋼筋拉通布置。

（2）對高位躍層柱加鋼骨（型鋼混凝土柱），提高其延性。

（3）樓梯采用滑動支座，以減小地震時其對主體結(jié)構(gòu)的不利影響。

（4）對超長結(jié)構(gòu)采取以下措施：設(shè)置溫度后澆帶、提高屋面樓板配筋率。

8結(jié)束語

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是項(xiàng)復(fù)雜的工程，涉及到的內(nèi)容非常廣泛，本文就2號樓結(jié)構(gòu)設(shè)計作了簡要淺析，從中可歸納出幾方面：概念設(shè)計涉及到的面很廣，從方案、結(jié)構(gòu)布置到計算簡圖的選取等，它比量化計算更能有效地從宏觀上處理好結(jié)構(gòu)的安全問題，抗震設(shè)計必須重視概念設(shè)計；對高位躍層柱采用型鋼混凝土，既能滿足性能設(shè)計的需要，又可有效提高構(gòu)件延性和安全儲備。

對大跨度結(jié)構(gòu)或局部大跨度結(jié)構(gòu)，采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可有效控制裂縫和撓度，滿足正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的要求。

在公共建筑中，功能及空間造型通常較復(fù)雜，經(jīng)常會涉及到轉(zhuǎn)換、躍層、大懸挑及大跨度結(jié)構(gòu)等，本文通過總結(jié)本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，為該類型結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

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［作者簡介］段俊鍇（1982—），男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)轫?xiàng)目設(shè)計管理、城市設(shè)計管理；郭順軍（1971—），男，本科，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，長期從事工業(yè)與民用建筑設(shè)計工作。