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构思结构“先放后抗”理念在大跨度转换结构上的创新应用

发布于：2021-12-08 13:22:08 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

△ 翔安区第二实验小学黎安校区航拍实景

构思结构?

结构设计：白若冰李小龙

陈博文陈泉波周鼎亮

在“结构设计的思维模型——沉没成本”一文中，大白提出当项目设计遇到困难时，可以向业主寻求支持，修改设计输入参数。

本文则是另一个方向，为保证方案效果，也可向施工单位提出要求，指导并调整施工工艺，以实现建筑意图。

1 工程概况

某小学位于厦门市翔安区马巷镇，项目总建筑面积为 29665m 2 ，其中地上建筑面积 18379.08m 2，半地下室建筑面积 6912.10m 2，全埋地下室建筑面积 2186.91m 2。主体建筑由 1# 楼 ( 教学办公综合楼 ) 、 2 # 楼 ( 教学艺术综合楼 ) 、 3# 楼 ( 连廊 ) 与地下室组成。建筑效果图如图 1a 所示。

△ 图1a 建筑效果图

△ 图1b 施工航拍 图

主体结构采用型钢混凝土组合框架结构体系。建筑抗震设防类别为重点设防类，结构安全等级为一级 ; 所在地区的抗震设防烈度 7 度，设计基本地震加速度 0.15g ，设计地震分组为第三组，场地类别 II 类，特征周期 T =0.45s ; 50 年一遇的基本风压 0.80kN/m 2，地面粗糙度 B 类。

项目用地西北低、东南高，存在近5m的高差。建筑方案充分借用地势，拾级而上，设置半地下架空层，以减少填土方量(图2) ; 架空层结合下沉庭院，作为学生活动场地。为了保证该层的通透性，同时简化结构方案，将支挡结构与主体结构完全脱开，布置独立的钢筋混凝土挡土墙，由岩土工程单位进行合作设计。挡土墙走向如图3所示。

△ 图2 建筑剖面分析图

考虑到教学楼屋顶均用作分班种植园地，且架空层顶作为绿化种植屋面，建筑专业要求尽可能减少结构断缝的数量。故初步方案阶段，仅在 3# 楼连廊两端、地下室架空层边界，以及 2# 楼中部位置设置了抗震缝，位置如图 3 所示。

上述需求导致结构超长不可避免。以1#楼为例，一层楼面东西向长度约102 m，南北向长约62m，远超出《混凝土结构设计规范》( GB50010 - 2010) [1] 第8.1.1条现浇框架结构伸缩缝最大间距55m限值要求。除了合理设置施工后浇带，要求加强施工阶段养护、楼板钢筋双层双向通长布置等常用措施外，补充整体结构温度作用分析，在楼板应力较大部位适当增加板厚，并加密通长钢筋。构件按考虑温度工况结果进行配筋设计; 且沿主体长向的梁内设置抗扭腰筋，适当增大腰筋直径并缩小间距。

△ 图3 建筑总平面图

2 1 #楼大跨度转换结构布置方案

2.1 基本情况

项目的1#楼坐落于场地东北侧，主结构地上4层，带一层半地下室。负一层层高4.8m，一层层高4.2m，其余层层高3.9m。从室外地面算起，主要结构高度为21.0m。局部下沉庭院位置，结构高度为23.2m，均未超过24m，属于多层公共建筑。框架抗震等级为二级、部分大跨度框架抗震等级为一级。普通教室楼板采用装配箱现浇混凝土密肋楼盖，其余位置均为梁板式现浇混凝土楼盖。整体计算模型如图4所示。

建筑平面呈闭口U型，端头布置有室外露台或活动平台且逐层退台收进。鉴于平面形状复杂，考虑多迎风面影响，风荷载体型系数适当放大，且叠加考虑其他风向角度(73°和 163°)下的荷载工况。

负一层~一层的东南角设有两层通高阶梯教室，平面尺寸为20.4m×21.1m。其上二层为阅览区，三~ 四层为普通教室。故结构设计面临的第一个难题，是利用阶梯教室进行大跨度结构转换，以满足空间内无柱的建筑功能需求，如图4所示。

△ 图4 整体结构模型

2 .2 转换楼盖平面布置

考虑到二层转换楼盖与上层平面斜交叠合，为便于转换，其内依照上层柱网朝向，布置双向正交斜放井字梁网格。结合上部开间尺寸，网格按2.5m ~ 3.2m设置。沿井字梁与周圈边支撑框架梁的交接点，设置12根非等柱距的型钢混凝土框架柱。除托柱转换梁采用型钢混凝土梁外，其余均采用普通钢筋混凝土梁。楼盖布置如图5所示。

△ 图5 二层转换楼盖平面布置图

2 .3 规则性指标自查

1#楼为多层公共建筑，不属于《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》( 建质〔2015〕67号) 中所规定的超限建筑工程，因而无需进行抗震设防专项审查。

自查发现，本工程具有扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、尺寸突变、构件间断这五项一般不规则指标，且二层存在个别穿层柱，属于特别不规则的建筑工程。因此，设计阶段采取针对性措施与构造手段，对关键构件及薄弱部位进行详细分析与构造加强，力求整体结构具有足够的抗震性能与承载力冗余度，以减少不规则方案带来的不利影响。

3 大跨度转换结构的传统计算方案

3. 1 常规施工流程

对于大跨度转换框架结构，当转换层及其上抬常规楼层的总层数不多 ( 通常按 3 层 ) 时，现场施工一般采用如下工艺流程 :

搭设满堂脚手架 → 转换层模板安装 → 钢筋绑扎 → 转换层混凝土浇筑及养护 → 搭设常规楼层满堂脚手架 → 模板安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑及养护 → 其后各层依次重复 → 整体混凝土强度等级达到1 00% → 逆向拆除各常规楼层模板与脚手架 → 拆除转换层模板与脚手架以实现整体卸载。

3. 2 考虑施工过程影响的初算成果

依据常规施工流程，为保证整体转换结构的受力准确性，结构分析时，应根据现场施工工艺及拆模特点，考虑施工过程的影响，手工修改计算模型转换层及上部楼层合并为同一施工次序。

结合1#楼实际情况，初算时全楼合并为同一施工次序。计算结果表明，如图 6所示，恒荷载作用下，临近转换楼盖周圈框架柱的支座区域，构件承受的荷载最大，导致内力集聚效应明显，且构件弯矩的反弯点均位于中部。这说明，大跨度楼盖与上部框架成为一体，共同呈现出空腹桁架式的变形特征与受力特点。

( a) 变形状态图

( b) 弯矩示意图

△ 图6 恒载作用下L轴整体转换框架计算结果

3. 3 “以抗为主”计算方案的优缺点

这种依赖于大跨度空腹桁架体系硬抗受力以实现跨越的传统计算方案，其优缺点都较为明显。优点在于，相较于仅靠底部大跨度楼盖受力的非空间结构转换方式:

(1) 空间刚度更大，整体竖向变形更小;

( 2) 同等变形约束条件下，转换梁成为桁架下弦杆，其受力相对较小，故截面尺寸可设计的更小。

缺点在于: 支座区域构件受力大，导致截面容易抗剪超限或配筋过大，需要投入更多的结构材料(例如增大梁柱断面或加密支撑柱网等)，可能影响建筑功能或立面造型。

4 基于“先放后抗”理念的结构设计实践

4. 1 建筑方案的限制

本项目结构设计面临的另一项挑战是: 方案中1~3#楼，共同围合成了开放式中庭空间(图7a) 。为保持视觉效果一致性，建筑专业要求各栋高度、造型与功能均不相同的主楼，其中庭位置的外露圆柱截面尺寸必须一致。

△ 图7a 中庭透视图

△ 图7b 中庭施工实景图

经试算，在 2#楼负一层个别圆柱、3#楼负一层~ 二层的全部圆柱采用型钢混凝土柱，其他采用普通钢筋混凝土柱的情况下，两栋楼的圆柱直径可统一成 700mm。

1#楼的情况则相对复杂，当三层以下采用型钢混凝土柱，其上过渡为钢筋混凝土柱时，整体计算指标可满足规范[2]要求。

但是，该结构方案的构件设计存在较多难题:

(1) 考虑支撑柱网加密，将1-KZ3(图8a) 升至三层板面后，仍然无法解决1-KZ1截面抗剪超限问题;

(2) 各型钢柱配筋面积过大(例如三层1-KZ2的配筋面积高达123cm2) ，导致构造困难。倘若简单增大截面尺寸，则2、3#楼必须一并调整，势必增加结构成本。可见，传统计算方案难以满足建筑专业的需求。

△ 图8a L 轴框架立面示意图

4. 2 “先放后抗”的创新设计理念

从分析可知，大跨度转换结构自重等于带转换层的下部结构重量与上部结构重量两者之和。整体施工卸载带来的空间变形协调效应，使得总重量在两者之间线性分配。由于上部框架刚度弱，故大跨度楼盖在自身重量下的挠曲变形对其造成巨大负担，产生较大的次生内力，这是造成结构设计困难的主要原因。

由此可见，1#楼遇到的难题是由传统计算方案的内在特性所决定的。考虑到总质量几乎恒定且线性分配过程无法避免，只能尽量降低上部结构的分担比例，转由下部结构先行承担。

为此，笔者提出“先放后抗”的大跨度转换结构设计新理念: 在大跨度转换楼盖施工完毕且混凝土强度等级满足设计要求后，通过可靠的施工措施，先行释放其自重下的变形（图8b），令该部分荷载由自身承担。随后，施工上部各楼层，整体结构完工后再次卸载，共同抵抗剩余重量，承受风荷载与地震作用。

△ 图8b 楼盖变形释放施工实景

4. 3 两种计算方案的结果对比

为实现“先放后抗”的结构设计理念，对计算模型的施工次序进行合理调整，如表1所示。

▽ 表1 两种计算方案的施工次序

表2列出了恒荷载下两种计算方案的竖向位移。数据说明“先放后抗“计算方案，利用了软件模拟施工3的算法优势，当上部楼层加载时，下部转换层已施工完毕并经找平处理，后者的变形对前者不产生影响。该算法既释放了转换楼盖的变形，又大幅降低其对上部框架的影响( B点框架柱竖向位移减少45% )，结构设计新理念得以实现。

▽ 表2 恒载下的竖向位移

上部框架的内力变化趋势(表3) 证明，自重下分担比重的下降，令支座区域框架柱内力出现较大幅度的降低，1-KZ2的弯矩与剪力分别减少20.8%和19.8% ;1-KZ1亦可满足受剪承载力需要，中庭圆柱截面尺寸实现了统一。

▽ 表3 二层柱截面控制内力设计值

需要注意的是，新方案托柱转换梁1-TZL处的最大竖向位移增加13%，导致设计内力出现不同幅度的增长，如表4所示。这说明，下部结构多承担了部分自重，设计时应适当增大其安全储备。据此，在满足阶梯教室净高要求的前提下，调整楼盖范围梁高至 1.4m，补充计算了竖向地震作用，并对关键构件进行性能化设计。

▽ 表4 转换梁1－TZL截面控制内力设计值

4. 4 配套施工流程

为确保整体结构受力与计算方案相吻合，设计文件中对施工流程规定如下:

搭设满堂脚手架→转换层模板安装→钢筋绑扎 →转换层混凝土浇筑及养护→楼盖混凝土强度等级达到100% →调整脚手架顶托以临时卸载（图8c）→自重变形稳定后回顶紧密→搭设常规楼层满堂脚手架→模板安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑及养护→其后各层依次重复→整体混凝土强度等级达到100% →逆向拆除各常规楼层模板与脚手架→拆除转换层模板与脚手架以实现整体卸载。

△ 图8c 临时卸载施工实景

同时，要求施工单位编制符合上述流程的专项施工方案，并建议进行专家论证。施工严格按专项方案进行实施。

4. 5 变形观测及结果

除此之外，要求在转换楼盖的中心点与跨度方向临近四等分点处设置5个观测点，以监控施工全过程的楼盖竖向变形值。施工单位结合现场实际情况，布置了观测点G1~G5，具体位置如图9所示。

△ 图9 转换楼盖变形观测点布置

截至2021年3月，项目主体结构已全部封顶，砌体工程接近完成，装饰工程正在进行中，大跨度转换楼盖主体完工实况如图10a所示。

△ 图10a 大跨度转换楼盖工程图

△ 图10b 大跨度转换楼盖航拍实景

期间共进行两次变形观测，分别是转换楼盖临时卸载时(T1) 和整体结构卸载时(T2) 。如图11所示，转换楼盖对角线上的变形曲线呈锅底状，位移中心大、四周小，类似双向板的受力形态，与程序分析结果相近。且随施工过程开展，跨中变形值逐渐增大，但均小于相应阶段楼盖自重下的最大变形计算数值，说明整体结构具有良好的空间受力性能。