平面和立面不規(guī)則多層框架結(jié)構(gòu)的實例探討

楊雨龍

(大同市建筑設(shè)計研究院，山西大同 037006)

現(xiàn)代建筑為了體現(xiàn)建筑師的造型概念設(shè)計理念，建筑的功能和形式的要求也相對以往復(fù)雜的多。為了滿足建筑外觀與使用功能的需求，設(shè)計師越來越傾向于設(shè)計平面和立面都很復(fù)雜的建筑。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計人員而言，就是要在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求的前提下，盡量符合方案設(shè)計理念，建造出美觀大方的建筑物。同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還要考慮結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化，節(jié)約造價等經(jīng)濟方面的因素，使結(jié)構(gòu)設(shè)計既滿足建筑需求，又使建設(shè)方減少投資達到滿意的效果。對于平面和立面均不規(guī)則的建筑，現(xiàn)在已經(jīng)層出不窮，隨處可見。依據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范對平立面均不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，在進行抗震設(shè)計中的設(shè)計原則也作了相應(yīng)的規(guī)定。規(guī)范中3.4.5條規(guī)定，體型復(fù)雜、平立面特別不規(guī)則的建筑，應(yīng)根據(jù)不規(guī)則程度、地基基礎(chǔ)條件和技術(shù)經(jīng)濟等因素的比較分析，確定是否需要設(shè)置防震縫。

當在適當部位設(shè)置防震縫時，宜形成多個較規(guī)則的抗側(cè)力單元，這樣可使結(jié)構(gòu)抗震分析單元模型簡單，容易估計其地震作用和采取抗震措施，但需要考慮扭轉(zhuǎn)地震效應(yīng)，并按規(guī)范要求設(shè)置縫寬，使防震縫兩側(cè)在預(yù)期的地震下不發(fā)生碰撞或減輕碰撞引起的局部損壞。當不設(shè)置防震縫時，應(yīng)采用符合實際的計算模型，分析判明其應(yīng)力集中、變形集中或地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等導(dǎo)致的易損部位，采取相應(yīng)的加強措施。體型比較復(fù)雜的建筑并不一概提倡設(shè)置防震縫，是否設(shè)置防震縫各有利弊。對于可設(shè)縫、可不設(shè)縫時，不設(shè)縫為好，規(guī)范中沒有強條規(guī)定，故此對于平面及立面均不規(guī)則的建筑并不是要求必須設(shè)置抗震縫。

下面就應(yīng)用一個具體工程算例來闡述一下設(shè)計人的思路。此建筑沒有設(shè)縫而且長度超長，通過軟件分析計算，設(shè)計人員設(shè)計思路的敘述，并依據(jù)審圖專家的意見進行了構(gòu)造措施加強，希望為平立面均不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供參考。圖1～圖3為平面圖，圖4～圖6為后澆帶設(shè)置位置圖。

圖1 1層平面圖

受大同市實驗小學(xué)委托我院對行政教學(xué)綜合樓的方案進行施工圖設(shè)計，方案圖紙已經(jīng)被各級部門審查認可過，建筑面積4 655 m2，建筑高度 19.5 m，地上共5層，每層層高均為3.9 m。該建筑物體型并不大，形狀像古錢幣刀柄形，結(jié)構(gòu)形式相對簡單，但在平面布置圖中體型并不規(guī)則，且立面在2層頂突變。1層突出部分超出規(guī)范的50%的要求，豎向剛度在2層頂部退回產(chǎn)生剛度突變，且收回比例不滿足規(guī)范限值要求。故此本設(shè)計有違背規(guī)范的地方，但考慮到并非高層設(shè)計，且體型并不是特別不規(guī)則，沒有特別容易造成破壞的地方，設(shè)計人員嚴格按照空間模型計算使用PKPM和PMSAP兩種軟件進行設(shè)計計算，考慮了一些加強構(gòu)造措施，把前面局部1層，2層部分按照主樓裙樓考慮，即使破壞也不會對主體5層框架產(chǎn)生嚴重影響，從使用功能來講，前面突出部分為食堂和辦公用房，按時間段人流量不會很大，且遇地震發(fā)生時易逃生。

依據(jù)本人對抗震規(guī)范的理解，如前面2層裙房配樓與主體分開，配樓有三跨則成單榀框架，如果作為獨立單元模型進行單獨計算時，該單元體抗扭周期為主振型，對抗震不利。按新抗震規(guī)范條文解釋理解，樓體能不設(shè)縫，盡量不設(shè)，故本設(shè)計未設(shè)置伸縮縫按整體空間計算模型考慮抗震。配樓與主體存在剛度差異，故此考慮扭轉(zhuǎn)破壞，配樓柱均加大截面，與主體連接處柱均加強考慮，采取全高箍筋加密處理，符合強柱弱梁的設(shè)計思路。依據(jù)審圖專家意見，主樓與配樓連接處走廊的樓板應(yīng)進行加強處理，故設(shè)計時1層和2層樓板均為120厚雙層雙向配筋。計算時第一周期與扭轉(zhuǎn)第一周期比值不超0.9，扭轉(zhuǎn)影響在規(guī)范要求數(shù)值范圍內(nèi)?？紤]主樓與配樓之間基礎(chǔ)沉降差異不同，在配樓第一跨梁1/3處設(shè)置了后澆帶，施工時要求主體施工完畢后再進行配樓基礎(chǔ)施工，保證兩部分沉降差值基本一致。主樓全長63.8 m，超出規(guī)范要求50 m的限值，故此在中部設(shè)置了后澆帶，防止超長溫度及剛度不均的影響作用。后澆帶并不是萬能的，但在大同施工過的樓體有一定的經(jīng)驗可循，都有很好的建筑使用效果，本次設(shè)計也采取了這種做法。主樓凹回去部位梁截面以及配筋均進行了加強處理，考慮了梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞的可能性，同時梁截面沒有突變的地方。地基持力層較好，土質(zhì)均勻，且無復(fù)雜地質(zhì)情況，該樓采用柱下獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂設(shè)置連系拉梁，保證基礎(chǔ)整體性，防止建筑基礎(chǔ)的沉降差。其他的計算參數(shù)以及計算結(jié)果包括位移比以及剛度比等均滿足規(guī)范要求，經(jīng)過上述內(nèi)容的設(shè)計理念應(yīng)用調(diào)整，該圖順利通過圖審，以上僅為設(shè)計人員的設(shè)計思路以及設(shè)計理念，如有不妥之處懇請?zhí)岢鰧氋F意見。

圖2 2層平面圖

圖3 3層及標準層平面圖

圖4 1層后澆帶設(shè)置位置平面圖

圖5 2層后澆帶設(shè)置位置平面圖

圖6 3層及標準層后澆帶設(shè)置位置平面圖

這次計算應(yīng)用的PKPM軟件是建筑科學(xué)院開發(fā)的相對功能性與針對性較強的設(shè)計軟件。不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在PKPM中設(shè)計人員應(yīng)注意的是對合理計算參數(shù)的選擇，且不能完全按照矩形結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，否則就會影響整個結(jié)構(gòu)的安全性與準確性，降低不規(guī)則結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗震性能。因此應(yīng)在設(shè)計中充分利用軟件的計算與分析功能完成對不規(guī)則多層框架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。如果有可能的話用兩種不同的軟件進行分析比較，找到結(jié)構(gòu)薄弱部位，以及彈塑性變形破壞的節(jié)點，針對具體的地方進行構(gòu)造或結(jié)構(gòu)加強。合理的計算模型，加上合適的計算軟件配合，再加上設(shè)計師的理念判斷與分析，體型復(fù)雜多樣的建筑一定會安全可靠的設(shè)計出來，為城市建設(shè)提供一個提升的平臺。

［1］ GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ 王玉杰.平立面不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)抗震問題探討［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2003，22(6):10-13.

［4］ 高小旺，龔思禮.建筑抗震設(shè)計規(guī)范理解與應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］ 李國勝.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計禁忌及實例［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［6］ 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.