陳躍輝

(廈門合道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 福建廈門 361004)

文體類建筑常見結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題探討
——以“長(zhǎng)泰文體中心”為例

陳躍輝

(廈門合道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 福建廈門 361004)

文化體育類建筑由于人員密集、使用功能復(fù)雜，常常存在超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、空曠結(jié)構(gòu)、樓板有效寬度不足、大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題，如何確定建筑抗震設(shè)防類別和結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)常常成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文以長(zhǎng)泰文體中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，探討以上常見問題的設(shè)計(jì)方法，為類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。

文體中心；超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)；空曠結(jié)構(gòu)；大跨度鋼屋蓋；抗震等級(jí)

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引 言

文化體育類建筑不同于常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)，由于功能復(fù)雜、人員密集、造型和空間的需要，常常會(huì)出現(xiàn)諸如超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、空曠結(jié)構(gòu)、樓板有效寬度不足、大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋等問題，需要通過設(shè)置合理的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造措施、分析薄弱處樓板應(yīng)力以及合理的計(jì)算假定等措施解決。另外如何確定此類建筑的抗震設(shè)防類別，確定結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)，往往也成為此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文以長(zhǎng)泰文體中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，探討以上結(jié)構(gòu)問題的設(shè)計(jì)方法，希望能為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

“長(zhǎng)泰文體中心”位于漳州市長(zhǎng)泰縣，總建筑面積133729m2，包含了圖書館、博物館、文化館、展覽館、科技館、綜合體育館、主體育場(chǎng)七個(gè)單體。主體結(jié)構(gòu)層數(shù)均為4層，建筑總高度<24m。建筑總體鳥瞰詳圖1。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組：第二組，場(chǎng)地類別：II類；50年一遇的基本風(fēng)壓：0.55kN/m2，地面粗糙度：B類。

圖1 總體鳥瞰圖

2 抗震等級(jí)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)根據(jù)設(shè)防類別、烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級(jí)[1]?？拐鹪O(shè)防的所有建筑應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB 50223確定其抗震設(shè)防類別及其抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)[1]。公共建筑，應(yīng)根據(jù)其人員密集程度、使用功能、規(guī)模、地震破壞所造成的社會(huì)影響和直接經(jīng)濟(jì)損失的大小劃分抗震設(shè)防類別[2]。本工程圖書館建筑面積9484m2,屬中型圖書館；博物館建筑面積9484m2,屬中型博物館；文化館建筑面積9799 m2,屬大型文化館；展覽館建筑面積6578m2,屬小型展覽館；科技館建筑面積9636m2,屬中型科技館；綜合體育館建筑面積17251m2,其中游泳館內(nèi)觀眾席1000座，籃球館內(nèi)觀眾席4000座，屬中型丙級(jí)體育館；主體育場(chǎng)建筑面積20468m2,有觀眾席10000座，屬小型體育場(chǎng)。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223-2008)[2]第6.0.3條和6.0.4條，圖書館、展覽館、科技館、主體育場(chǎng)抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，博物館、文化館、綜合體育館抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為重點(diǎn)設(shè)防類。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)[1]第6.1.2條，圖書館、展覽館、科技館、主體育場(chǎng)抗震等級(jí)為三級(jí)，博物館、文化館、綜合體育館抗震等級(jí)為二級(jí)。圖書館的報(bào)告廳屋面梁跨度21m，科技館的電影院屋面跨度20.8m，均屬跨度≥18m的大跨度框架，構(gòu)件抗震等級(jí)取二級(jí)。主體育場(chǎng)二層室外平臺(tái)為單跨結(jié)構(gòu)，層高7.2m，為提高結(jié)構(gòu)安全度，單跨結(jié)構(gòu)柱抗震等級(jí)取二級(jí)，并按抗剪中震彈性、抗彎中震不屈服復(fù)核單跨框架柱的配筋。

3 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)

文體類建筑由于使用功能的需要，平面長(zhǎng)度往往較長(zhǎng)，過多的切縫既影響使用，對(duì)建筑立面也造成一定的破壞。以“長(zhǎng)泰文體中心為例”，各館平面長(zhǎng)度均在65m～100m之間，超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)[3]第8.1.1條鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距55m的要求。為防止混凝土溫差變化和混凝土收縮效應(yīng)造成的開裂，本工程采取如下措施：

(1)加強(qiáng)屋面的保溫隔熱措施。

(2)減少混凝土的水灰比、混凝土的水灰比控制在0.4～0.5之間。加強(qiáng)混凝土的施工養(yǎng)護(hù)，混凝土初凝前多次壓光及加強(qiáng)潮濕養(yǎng)護(hù)，確?；炷敛怀霈F(xiàn)早期裂縫。混凝土初凝后，應(yīng)采用如薄膜覆蓋保水、覆蓋兩層麻袋、草簾保溫等措施，并定期噴霧或噴淋養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于20d。

(3)主體結(jié)構(gòu)中部層層設(shè)置后澆帶，后澆帶在主體結(jié)構(gòu)封頂2個(gè)月后才能封閉，后澆帶采用強(qiáng)度等級(jí)高一級(jí)的微膨脹混凝土。

(4)板面均附加Φ6@150×150雙向拉通鋼筋網(wǎng)片、屋面設(shè)置誘導(dǎo)縫，釋放屋面溫度變形產(chǎn)生的應(yīng)力，誘導(dǎo)縫的做法詳(圖2)。

圖2 屋面誘導(dǎo)縫做法

4 空曠結(jié)構(gòu)

體育館類建筑由于運(yùn)動(dòng)、觀演的需要，常常采用大跨度空曠結(jié)構(gòu)，此類建筑存在抗側(cè)力構(gòu)件減少，樓板不連續(xù)等問題。為提高空曠結(jié)構(gòu)的抗震能力、增加結(jié)構(gòu)的冗余度，根據(jù)《福建省建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干規(guī)定》(閩建科[2012]37號(hào))第11條：“劇場(chǎng)、體育館、會(huì)堂等大跨度、空曠的公共建筑不宜采用純框架結(jié)構(gòu)體系”。長(zhǎng)泰文體中心綜合體育館為4層框架結(jié)構(gòu)，為避免形成純框架結(jié)構(gòu)，在建筑四角及樓電梯間等適當(dāng)位置布置少量剪力墻，形成少墻框架結(jié)構(gòu)體系。剪力墻的設(shè)置既加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體剛度，增加了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的能力，同時(shí)邊角剪力墻的存在，有效的控制了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。

結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)位移比的控制：由于大空間和斜看臺(tái)的存在，結(jié)構(gòu)樓板不連續(xù)，此時(shí)位移比的計(jì)算如果再點(diǎn)取“強(qiáng)制剛性樓板假定”，結(jié)構(gòu)分析嚴(yán)重失真，位移比也沒有意義。空曠結(jié)構(gòu)可以通過位移的“詳細(xì)輸出”或觀察結(jié)構(gòu)的變形示意圖，來考察結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用框架和框剪兩種模型復(fù)核，計(jì)算結(jié)果對(duì)比詳(表1)，從計(jì)算結(jié)果看，兩種計(jì)算模型各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。增設(shè)剪力墻后，結(jié)構(gòu)的自振周期和層間位移角減少，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度有明顯提高；結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比減少，剪力墻的設(shè)置控制了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。為進(jìn)一步考察剪力墻的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)大震作用下彈塑性變形的影響，采用pushover軟件分析結(jié)構(gòu)在大震下變形反應(yīng)。經(jīng)計(jì)算，增設(shè)剪力墻后結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下最不利層間位移角由1/220減少為1/258,剪力墻的設(shè)置提高了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下抗倒塌能力。結(jié)構(gòu)在大震作用下彈塑性變形詳見(圖3)。對(duì)柱、剪力墻及豎向構(gòu)件周邊的框架梁按兩種計(jì)算結(jié)果的大值包絡(luò)配筋。

表1 綜合體育館兩種計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

圖3 綜合體育館框剪模型大震作用下彈塑性變形曲線

綜合體育館斜看臺(tái)對(duì)看臺(tái)柱子有一水平推力,由于SATWE程序無法準(zhǔn)確模擬看臺(tái)梁水平推力對(duì)柱的影響,應(yīng)抽取斜看臺(tái)處典型框架用PK程序進(jìn)行復(fù)核,對(duì)看臺(tái)處梁,柱的配筋應(yīng)取PK與SATWE程序兩者計(jì)算的大值進(jìn)行包絡(luò)。PK計(jì)算簡(jiǎn)圖詳(圖4)。

圖4 綜合體育館13軸PK計(jì)算模型

5 樓板應(yīng)力分析

因功能需要，文體類建筑常常出現(xiàn)樓板大開洞，導(dǎo)致樓板有效寬度遠(yuǎn)小于該層樓板典型寬度的50%，如文化館3層平面X向樓板有效寬度僅17%左右，見圖5陰影區(qū)。

為保證結(jié)構(gòu)整體有效地共同工作，對(duì)樓板有效寬度小于50%處樓板進(jìn)行應(yīng)力分析。計(jì)算軟件采用PKPM-PMSAP(2010版)，樓板計(jì)算模型采用彈性膜，計(jì)算工況采用中震作用，樓板薄弱處板厚取150mm，計(jì)算所得的樓板應(yīng)力圖如(圖6、7)所示。

圖5 文化館3層平面樓板大開洞示意圖

圖6 X向地震工況下3層樓板拉應(yīng)力等值線

圖7 Y向地震工況下3層樓板壓應(yīng)力等值線

樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 20010-2010)[3],樓板混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=14.3 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.43 MPa。計(jì)算所得樓板薄弱處最大壓應(yīng)力382KPa,即0.382MPa，遠(yuǎn)小于樓板的混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=14.3 MPa。樓板薄弱處最大拉應(yīng)力190KPa,即0.192MPa，也遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.43 MPa，故樓板薄弱處抗壓抗拉承載力能夠滿足規(guī)范要求。為安全起見，樓板薄弱處板鋼筋雙層雙向拉通。

6 大跨度鋼屋蓋設(shè)計(jì)

本工程綜合體育館屋蓋采用正放四角錐鋼網(wǎng)架屋面。網(wǎng)架最大跨度為66.3M，網(wǎng)架最大厚度為3.5M。體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置如(圖8)。 網(wǎng)架支承采用壓力平板支座,螺栓球節(jié)點(diǎn)。 屋面采用夾芯板屋面。

圖8 綜合體育館鋼網(wǎng)架屋蓋平面布置圖

采用浙江大學(xué)MST2011設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電算。網(wǎng)架采用空間桁架位移法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，節(jié)點(diǎn)采用鉸接節(jié)點(diǎn)模型，網(wǎng)架計(jì)算考慮了屋面的恒荷載和活荷載、下部吊掛、馬道的荷載和風(fēng)荷載?？紤]施工安裝完畢時(shí)氣溫與當(dāng)?shù)爻Ｄ曜罡呋蜃畹蜌鉁刂顬椤?5°C。網(wǎng)架采用上弦多點(diǎn)支撐,支座均設(shè)在外圍框架柱。分析結(jié)果支座的最大反力為680kN，網(wǎng)架最大撓度為L(zhǎng)0/364, (L0為網(wǎng)架的計(jì)算跨度)滿足規(guī)范≤L0/250的要求。

為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，設(shè)計(jì)中有意加大柱頂圈梁，柱頂圈梁的斷面為400×800mm，這樣能較好發(fā)揮結(jié)構(gòu)的整體空間作用，并加強(qiáng)對(duì)看臺(tái)框架的約束作用。本工程采用PKPM系列的SATWE程序?qū)Y(jié)構(gòu)主體進(jìn)行電算,而目前SATWE程序無法直接輸入鋼結(jié)構(gòu)屋面,若直接按普通鋼筋混凝土屋面帶入計(jì)算,將會(huì)使計(jì)算結(jié)果失真,故須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋面進(jìn)行合理的模擬。本工程采用如下處理：根據(jù)等剛度變形協(xié)調(diào)原則，鋼結(jié)構(gòu)屋面按寬700mm,高1500mm,腹板與翼緣厚度均為150mm的工字鋼鋼梁輸入,于柱位上雙向布置，梁端點(diǎn)鉸接, 以保證鋼梁不參與地震剪力分配。屋面板板厚設(shè)置為0,采用彈性樓板假定對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間整體分析,確保屋面板不傳遞水平地震力;鋼結(jié)構(gòu)屋面支座的反力以節(jié)點(diǎn)荷載的形式附加于框架柱。經(jīng)驗(yàn)算,這樣的處理既保證了鋼結(jié)構(gòu)屋面不參與地震剪力的分配,又能將屋面的荷載傳遞至主體結(jié)構(gòu),確保主體建筑的安全。

7 結(jié)論

(1)文化體育類建筑應(yīng)根據(jù)使用功能、人員密集程度、規(guī)模確定抗震設(shè)防類別，并以確定結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)；并對(duì)抗震薄弱部位適當(dāng)提高構(gòu)件的抗震等級(jí)。既滿足主體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的要求，又確保關(guān)鍵構(gòu)件的安全度。

(2)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)為避免混凝土溫度變化和收縮應(yīng)力造成樓板開裂，應(yīng)采取加強(qiáng)施工養(yǎng)護(hù)、設(shè)置后澆帶、設(shè)置板面構(gòu)造鋼筋，設(shè)置屋面誘導(dǎo)縫等綜合措施。

(3)空曠結(jié)構(gòu)不宜采用純框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)在適當(dāng)位置布置剪力墻，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，并對(duì)主要抗側(cè)力構(gòu)件采用框架和框剪兩種計(jì)算模型包絡(luò)配筋。同時(shí)抽取典型框架用PK程序復(fù)核，以準(zhǔn)確模擬斜看臺(tái)、連層柱對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。

(4)對(duì)樓板有效寬度不足50%的薄弱部位，應(yīng)進(jìn)行中震工況下的樓板應(yīng)力分析，保證結(jié)構(gòu)整體有效的工作。

(5)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋面應(yīng)采用鉸接節(jié)點(diǎn)模型，使屋面不參與地震剪力的分配，并在主體計(jì)算中對(duì)鋼屋面進(jìn)行合理的模擬。加大柱頂圈梁的尺寸，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。

致謝：論文撰寫過程中，得到集團(tuán)總工程師肖偉教授級(jí)高工的悉心指導(dǎo)，在此深表感謝。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50223-2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Research on common structural design problems of cultural and sports buildings——"Chang tai cultural and sports center" as an example restrained brace

CHENYuehui

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co, Ltd.,Xiamen 361004)

Because the crowded, complex function, cultural and sports buildings often exist the problems such as super-long structures, open structures, lack of effective width of slab, design of large span steel roof structure, how to determine the seismic fortification category and classes of seismic measure often become the difficulty in structural design. In this paper, taking Chang tai cultural and sports center design as an example, the common problems mentioned above were discussed, the reference for similar engineering design were provided.

Cultural and sports center; Super-long structures; Open structures; Large span steel roof；Classes of seismic measure

陳躍輝(1977.10- )，男，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。

2015-05-18

TU318

A

1004-6135(2015)07-0042-04