建筑结构设计分析袁晨峰

建筑结构设计分析袁晨峰

袁晨峰

深圳机械院建筑设计有限公司

摘要：目前很多建筑结构呈现出很多不规则结构，给结构设计出不了不难题。本文根据工程案例，对建筑裙楼结构抗震及屋面斜板的设计进行探讨。

关键词：建筑工程；结构设计；抗震骨架；屋面斜板

1、工程概况

该建筑主楼高度为37.59米，地上10层，局部11层，主要设计地下层，主要用途是行政办公。主要以自然生态形式，围绕主楼以顺时钟方向盘旋上升。主楼与裙楼间设抗震缝，主楼平面、立面规则，扭转不规则，为不规则结构；裙楼作为仿生态建筑，其不规则程度较高，就平面不规则而言，其平面形状复杂，存在楼面错层，楼面开洞，凹凸等多项不规则，就竖向不规则而言，屋面为一斜板攀高，高点与低点高差约18m，其下楼层有单层，有多层，已无传统结构的层概念（层刚度、层位移角、层剪力），因此裙楼属于平面、立面特别不规则结构。部分建成后的建筑实景照片如下图1：

图1建筑建成后现场照片

2、设计特点

2.1结构综述

地基基础拟采用高强预应力混凝土管桩。桩径400、500。桩基持力层为4层粘土夹碎石层，桩端进入持力层深度不小于3倍桩径。

上部结构主楼部分，采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。主楼有一外部楼梯围绕外立面盘旋向上，经与建筑及设备专业协商，外部楼梯采用梁式楼梯，利用主楼各标准层楼层梁出挑以支承该外部楼梯，两标准层间梯段跨度9～10m，标准楼层悬挑梁的出挑跨度为2m。

上部结构裙房部分体型复杂，建筑功能复杂，有大剧场、小剧场、大小多功能厅、视听厅、报告厅等，同时为与房屋体型及功能适应，单个楼层的楼面标高众多，楼板错层不连续，错层柱较多，局部剧场部分因建筑功能要求部分楼面缺失。根据裙楼体型特点，结构选型有设抗震缝及不设抗震缝两种考虑。设缝的优点在于：可大致按建筑功能将裙楼划分为几个单体，各个单体房屋高度相差高度较原方案有改善。传统结构层概念有所体现，缺点在于：因房屋平面复杂，各个单体平面不规则，楼板错层不连续，每个单体均为特别不规则结构；单体房屋高差仍很大，传统结构层概念仍不明显，而较多的抗震缝对建筑型体有较大影响，对未来使用也带来较大麻烦。通过与建筑师协商及院内部结构方案论证，最终确定裙楼不设抗震缝，结构类型采用框架-少量抗震墙结构，房屋高度较高及单层空旷部位设部分抗震墙，抗震墙为双向布置长墙且尽量围成筒体形成空间结构。加强房屋刚度较小部分的刚度，使房屋各个部分刚度接近均匀。

本工程裙楼大剧场区域二层楼座及其上屋面存在34m跨度的大跨度梁，该梁采用预应力大梁，在剧院南面大剧场出口部位，屋面有一块出挑区域，出挑最大跨度约8m左右，由于建筑效果要求，出挑结构高度尽量薄，通过协商，采用预应力变截面梁出挑，梁端部高度600mm，从建成效果看，达到了建筑效果要求。

2.2裙楼结构抗震设计

裙楼为特别不规则结构，根据抗震规范，需根据结构不规则性特点，进行研究论证，采取特别的加强措施。

2.2.1抗震平面分块包络设计

裙房各个分部的房屋高度相差较大，层数有单层，多层，为刚度相差较大的各个分部联成一个整体，因此，将房屋划分为若干个部分，分别进行计算，与整体模型一起，进行平面分块与整体包络配筋设计，模型分块示意图见附图。

图2计算模型的三维轴测图

分块1的屋面高度约25m，分块1～5房屋高度依次降低，分块5房屋高度约7m左右。整体模型周期为0.736s（x向）、0.908s（y向），分块模型的各向刚度刚柔不一，有周期大于整体模型周期的分块，也有周期小于整体模型周期的分块。大致随房屋高度的降低，分块刚度从小到大（周期从大到小），整体模型的刚度为其间的中间值。

根据工程实际表明各分部联结成整体抵抗地震作用，地震作用在各分部中进行了重新分配，刚度较小的分部的侧向变形相较独立结构将变小，而刚度较好的分部的侧向变形增大，承担了更大的地震作用，相当于整体模型中的弱骨架。根据抗震规范3.5.3条，结构体系宜有多道防线，结构设计时按整体模型计算结果及分块模型计算结果进行配筋包络设计，保证地震作用时骨架的承载能力，同时又保证骨架屈服时附属结构独立的承载能力，类似于在结构体系中建立弱形式的二道防线，避免因局部结构屈服导致整体结构丧失承载能力。

2.2.2中震弹性性能设计

根据抗震审查专家意见：因结构平面不规则，屋面高度相差较大，需保证中震作用下竖向构件抗弯及抗剪弹性，屋面构件部分屈服。其抗震弹性设计具有以下特点：

●高度较低区域加大柱截面可满足中震弹性要求。

●剧场部分柱原截面较大，同时设置了钢筋砼筒体抗震墙，加强截面配筋即可满足要求。

●其他区域框架柱截面需加大较多才能满足要求，进一步分析表明，框架柱均为单向而非双向不满足抗震要求。

根据上述特点，经与建筑师协调，房屋高度较低区域柱截面加大，房屋高度较高区域：单层空旷区域柱截面不变，加大配筋；其他区域柱截面加大至建筑师许可的最大程度，在中震弹性不够的方向单向加剪力墙翼墙，翼墙同建筑师协商尽量为长肢墙，局部无法避免短肢处短肢墙的截面高度与墙厚之比不小于6。截面、配筋按中震弹性分析调整后，根据抗震规范，进行pushover静力弹塑性分析，满足规范要求。

2.3裙楼屋面斜板的设计

2.3.1屋面斜板地震作用下的应力分析

屋面斜板斜度较大，若将屋面板按坡屋顶用平屋顶方式建模模拟，结构的第一周期为1.4s，而将屋面板按真实斜度建模，结构的第一周期为0.9s，这表明，屋面斜板对抗侧刚度的贡献不容忽视，同时，各个分区域刚度相差较大，中间楼层楼面标高众多，区部楼板缺失，完整的屋面板是将各个分区域连接成一个整体，有效空间协同工作的重要抗震构件。屋面板在地震作用下应具备一定延性，这对确保整个结构的抗震延性，实现抗震性能设计目标有重要意义。为确保抗震性能目标的实现，对屋面斜板进行中震弹性计算，经反复计算，调整板厚，对局部薄弱部位进行加强。

从计算图形结果可以看出中震地震产生的楼板拉应力峰值出现在屋面板端角、转折角部、屋面板缩颈部两端，方向与屋面板长向方向大致相同，最大拉应力峰值未超砼拉应力设计值。

2.3.2屋面斜板温度作用下的应力分析

屋面板x向长度约123m左右，y向长度约80m左右。屋面板呈盘旋上升之势，为一侧放U型板带，U型板带总长约280m，结构未设温度缝，且屋面高度相差较大，其下竖向构件抗侧刚度差异较大，且U型板带形状不规则，存在缩颈、转折区域，使得屋面在温度作用下呈现复杂应力状态，有必要进行温度应力分析。

温度应力由砼的自身收缩及季节温差两部分产生，砼收缩应力通过等效当量温度模拟，考虑为-15℃，屋面间隔30～40m设置后浇带，后浇带封闭前考虑砼收缩完成60%，砼水化热产生的温度应力设定在后浇带封闭前已经释放。对于季节温差，该地区最冷月份的平均温度为-2℃，最热月份的平均温度28℃，对于季节温差，选择合适的砼浇注时间可有效降低结构的温度应力，对于本工程，土建施工为6月份开始，为确保屋面砼浇注在低温季节进行，通过与甲方及施工单位会商，明确屋面砼浇注的时间为来年三月份，该月的平均温度为10℃。因此结构考虑两种温度工况：升温：28-10-0.4*15=12℃；降温：-2-10-0.4*15）=18℃。计算应力时，温度作用的组合值系数、频遇值系数和准永久值系数分布取0.6、0.5和0.4，应力折减系数取0.3，砼弹性模量折减系数取0.9。

温度产生的楼板拉应力峰值出现在屋面板长向的端部和中部，最大峰值出现在中部，其值大于屋面板砼轴心抗拉强度设计值1.43MPa（C30），方向与屋面板长向方向大致相同，其位置与中震应力峰值位置不在同一区域。

2.3.3屋面板结构设计措施

根据计算结果，经院内部结构方案论证，决定沿屋面板长向通长施加预应力，以抵消砼产生的拉应力。因屋面板平面复杂，各区域抗侧刚度相差较大，为避免施加预应力产生过大的次应力，将预应力筋的布置与楼面梁的设计结合起来，预应力筋全部集中布置在楼面梁中，预应力筋线型为直线筋，沿截面形心轴布置，仅施加预压力，梁板截面施加的预应力平均压力约为2MPa，基本抵消中震作用下屋面板的拉应力，大致保证温度及预应力作用下屋面板砼的拉应力不超砼轴心抗拉强度设计值。同时，加强材料及施工工艺控制，对材料、砼配合比、外加剂严格控制，对砼骨料、水泥品种、级配、外加剂。水胶比等给出具体量化指标，对砼浇注、养护给出详细的技术要求。

2.4裙楼施工的难点与设计的考虑

本工程造型独特，屋面为平斜板+连接板组成，平斜板斜度及方向均不同，为空间平斜板，为保证空间平斜板平滑过渡，连接板呈现曲面板的形态，该点也是建筑造型的特色之一。斜板两端端部横截直线倾斜方向组成x型，以两根端部直线为基准线按级数等分，相对直线连接两端部直线等分点即得斜板网格线。左端最高台阶与最低台阶高差10m，右端最高台阶与最低台阶高差7m，斜板底面连接为一曲面。

曲面板区域较大，约40*50m，越过好几个柱跨，区域需布置框架梁及板格屋面梁，同时，由于使用方要求，随屋面高度增加，其下楼层数也增加，以保证尽可能多的使用面积，楼层过渡区域顶层楼层的使用净高没有富余，屋面层梁应紧贴曲面板，呈曲线梁造型。因此，曲线梁、曲面板施工如何定位成为一个难点，目前尚无专业结构软件解决该问题，根据本工程特点，利用现有cad软件，建立实体模型，再对实体在需要的方向取截面，可得该方向建筑造型的上下轮廓包线，结构骨架层应位于该包线之中，对于曲梁，采用折线去逼近曲线，给出折梁的折点处的位置及标高，对于曲板，设计采用网格三角形逼近曲面，每个三角形区域为斜平板。通过对实体模型若干方向取一系列截面，对曲面区域所有的梁高、板厚及梁板的转折形状进行定位，确保建筑造型及其下使用空间净高，设计给出每根梁，每块折板的模板定位图，以指导施工。

对于屋面斜板，局部区域斜板斜度过大，施工浇筑困难，通过与施工、监理会商，对砼配合比提出要求，避免初凝过早，同时对施工过程操作给出详细要求，在满足施工条件下，尽量减少坍落度，避免在大风降温天气时浇注砼，施工中根据斜板倾斜度不同，采取相应的措施，斜度较大板表面设置模板，斜度中等板表面采用小间距钢丝网格压面，斜度较小板采用大间距钢丝网格压面。通过各方努力，顺利解决斜板成型问题。

3结语

该工程通过在施工图设计阶段与建筑师的紧密配合，审图阶段结构专家的指导，以及施工阶段甲方及施工单位的大力支持，对该结构在方案、设计、施工三阶段认真准备，精心设计，以及积极配合施工，较好的完成了该项工程的建设。

参考文献：

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[2]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]韩重庆，孟少平，大面积混凝土梁板结构温度应力问题的探讨[J].建筑技术，2000，（3）.

[4]王铁梦.《工程结构裂缝控制》