以某會展中心為例探析超長復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊鵬鵬

（太原市建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030002）

0 引言

結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證建筑工程質(zhì)量、安全、經(jīng)濟等指標(biāo)的關(guān)鍵，受到超長復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的限制，其設(shè)計及施工難度較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性對外部因素變化的敏感程度較高。結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要充分考慮各種因素對結(jié)構(gòu)性能的影響，通過合理設(shè)計，確保此類建筑結(jié)構(gòu)的正常使用。

1 工程概況

某會展中心為典型的超長復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，地上5層、地下1層，結(jié)構(gòu)高度為 30.6m，地上結(jié)構(gòu)長度為 75.6m，結(jié)構(gòu)形式為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑抗震設(shè)防烈度為 8度 0.20g，地震分組為第二組，基本風(fēng)壓為 0.40kN/m2，基本雪壓為0.35kN/m2。首層局部挑空，樓板中部大開洞，樓板連續(xù)性較差；四層會議室局部抽柱導(dǎo)致框架梁跨度較大，采用型鋼混凝土梁，與其相連的框架柱亦采用型鋼混凝土，并向下延伸一層，均為H型鋼Q345B；頂層為滿足展廳功能多變，結(jié)構(gòu)中部抽柱形成大跨空間，其屋蓋采用鋼網(wǎng)架；同時，在混凝土結(jié)構(gòu)中局部采用型鋼及鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點類型較多，施工難度較高。

2 設(shè)計要點

2.1 溫度控制

超長復(fù)雜高層建筑的主體結(jié)構(gòu)大多為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其受力性能易受溫度變化的影響。設(shè)計過程中，需要重點解決的問題就是抗混凝土干縮，并對溫度變化引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行控制[1]。本工程當(dāng)?shù)刈罡咂骄鶜鉁卦?4℃左右，最低平均氣溫約為-16℃，當(dāng)所處環(huán)境溫度變化較大時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部將會產(chǎn)生較大的溫度伸縮應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)裂縫。為考慮溫度應(yīng)力對施工的影響，在結(jié)構(gòu)長度方向的中部附近每層設(shè)置1條寬度為800mm的溫度后澆帶（結(jié)構(gòu)1/3跨中范圍內(nèi)），并加強后澆帶處樓板配筋，將地上結(jié)構(gòu)劃分成2個施工單元，使得結(jié)構(gòu)長度不超過 55m，以滿足現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的要求。其次，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)邊跨樓板以及屋面板配筋率，并雙層雙向配筋，對樓板產(chǎn)生的溫度應(yīng)力進(jìn)行控制。還有，位于樓、電梯間位置的剪力墻剛度較大，可在一定程度上抑制混凝土的收縮變形。此外，建筑外墻、屋面均采取了設(shè)置保溫隔熱層的建筑防護(hù)措施，對結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力控制亦起到了有利作用。

為發(fā)揮對溫度應(yīng)力控制的最佳效果，設(shè)計需與施工相互協(xié)調(diào)，對混凝土結(jié)構(gòu)施工方案進(jìn)行細(xì)化。要求在混凝土原料配比過程中，優(yōu)先選用水化熱較低的水泥，嚴(yán)格控制砂子、石子粒徑，確定合適的水膠比，對混凝土在凝固過程中的放熱進(jìn)行控制。同時，根據(jù)施工時的室外氣溫，制定合理的后澆帶封閉時間，使結(jié)構(gòu)得到充分的溫差伸縮變形。封閉后澆帶時，應(yīng)先將后澆帶范圍內(nèi)的雜物清理干凈并澆水充分濕潤，采用比原結(jié)構(gòu)強度等級提高一級的微膨脹混凝土澆筑密實。另外，選擇晴好天氣開展混凝土澆筑工作，保證澆筑時環(huán)境溫度在20℃左右，以免引發(fā)過高的內(nèi)外溫差。對于混凝土在凝固過程中易出現(xiàn)干縮的問題，可在混凝土初凝后，對其進(jìn)行二次壓光處理，處理后再在其表面覆蓋塑料薄膜，并進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。若不可避免進(jìn)行冬季施工時，還應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)全面覆蓋棉被或草簾進(jìn)行保溫，加強對溫差的控制[2]。

2.2 超限處理

超長復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)形式的特殊性，一般都會存在明顯的結(jié)構(gòu)不規(guī)則問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先應(yīng)從概念方面找出建筑方案中的超限問題，并及時溝通，盡量將超限問題在方案階段解決。其次，對于整體結(jié)構(gòu)，應(yīng)弱化結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度、增強結(jié)構(gòu)外圍剛度，并對結(jié)構(gòu)的薄弱部位采取有效的加強措施，促使結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心盡量重合，使得結(jié)構(gòu)第一、二周期均為平動，且平動系數(shù)宜大于90%，并控制結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值小于 0.9[3]，以免地震時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致開裂、失穩(wěn)。對于本工程，設(shè)計時提高了位于開大洞周圍樓板的厚度及配筋率，并雙層雙向配筋，同時適當(dāng)增大了洞口周邊梁截面及配筋，以增加樓板的平面內(nèi)連接，為更好的傳遞水平地震剪力。對于型鋼梁，采取抗震等級提高一級，箍筋全長加密，提高梁強剪弱彎的變形能力。

結(jié)構(gòu)豎向方面，豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上、下貫通至基礎(chǔ)頂，避免出現(xiàn)梁托柱、墻的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。對于本工程，需要對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、薄弱部位的框架柱采取加強措施。設(shè)計中，將樓板開大洞周圍、頂層支撐鋼網(wǎng)架的框架柱及型鋼柱的抗震等級均提高一級，并將柱箍筋沿相應(yīng)樓層全高加密，以提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力；在樓、電梯間以及結(jié)構(gòu)的邊角部位設(shè)置剪力墻，加強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，避免產(chǎn)生薄弱層，使得各層的最大層間位移角和最大水平位移比均滿足現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求。

2.3 節(jié)點設(shè)計

本工程主體結(jié)構(gòu)同時使用了型鋼、鋼筋和混凝土，存在多種類型連接節(jié)點。比如，型鋼與混凝土連接、柱中型鋼與梁中型鋼連接、柱中型鋼與梁中鋼筋連接以及梁、柱箍筋與型鋼的排布方式等。由于節(jié)點處受力情況復(fù)雜，而且從概念設(shè)計上也要求“強節(jié)點”設(shè)計，因此節(jié)點設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點之一。

進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)遵循以下原則：首先，保證節(jié)點處能夠順利傳遞荷載；其次，鋼筋混凝土的節(jié)點連接應(yīng)連續(xù)進(jìn)行；最后，節(jié)點的拼接位置應(yīng)為后期施工提供方便。以本工程型鋼梁與型鋼柱的連接為例，設(shè)計時選用剛性連接，并結(jié)合連接節(jié)點的不同位置，設(shè)計出梁、柱型鋼連接及梁中鋼筋在柱中錨固的節(jié)點大樣，梁與柱的連接固定點應(yīng)位于柱中的型鋼處，以確保將節(jié)點處所受的應(yīng)力合理傳遞到混凝土結(jié)構(gòu)中。

2.4 大跨空間設(shè)計

只有結(jié)合建筑功能的空間分區(qū)，才能對結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行有針對性的比選和優(yōu)化。本工程頂層為多功能大廳，平面接近正方形，展廳設(shè)計凈高6m，跨度將近40m，為大跨度結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足展廳、會議室等空間需求。

對于多功能大廳屋蓋的設(shè)計，曾提出兩種結(jié)構(gòu)方案，分別為設(shè)置井字型鋼梁和鋼網(wǎng)架。通過對整體結(jié)構(gòu)的計算分析和綜合比較，最終采用了鋼網(wǎng)架形式。本工程鋼網(wǎng)架為正放四角錐焊接空心球結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架高度為2.0m，網(wǎng)格密度為3×3m，上弦多點支撐于框架柱頂。該屋蓋形式在大跨度空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較為廣泛，具備穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)剛度大、抗震性能優(yōu)等特點。此外，鋼網(wǎng)架的生產(chǎn)相對于井字型鋼梁更為簡單，而且安裝操作便捷，能夠有效節(jié)省工程造價和施工時間，為業(yè)主帶來經(jīng)濟效益。

3 結(jié)論

隨著大型、多功能建筑項目需求的提升，將會有更多的超長復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)被應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮超長復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不利因素、施工難度和工程造價，進(jìn)而設(shè)計出功能性、美觀性和經(jīng)濟性俱佳的結(jié)構(gòu)方案，不斷提高超長復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平，促進(jìn)建筑行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。