白若冰

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361009)

0 引言

大跨度轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)的受力特性與整體空腹桁架結(jié)構(gòu)類似，在傳統(tǒng)計(jì)算方法與常規(guī)施工手段下，部分區(qū)域的構(gòu)件設(shè)計(jì)存在困難。本文著重以某小學(xué)項(xiàng)目的1#樓為例，通過(guò)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手法，指導(dǎo)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)施工流程，干預(yù)自重荷載在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分配比例，從而高效解決上述難題，并最終實(shí)現(xiàn)建筑意圖。

1 工程概況

某小學(xué)位于廈門市翔安區(qū)馬巷鎮(zhèn)，項(xiàng)目總建筑面積為29 665 m2，其中地上建筑面積18 379.08 m2，半地下室建筑面積6912.10 m2，全埋地下室建筑面積2186.91 m2。主體建筑由1#樓(教學(xué)辦公綜合樓)、2#樓(教學(xué)藝術(shù)綜合樓)、3#樓(連廊)與地下室組成。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

主體結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土組合框架結(jié)構(gòu)體系。建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)；所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別Ⅱ類，特征周期Tg=0.45 s；50年一遇的基本風(fēng)壓0.80 kN/m2，地面粗糙度B類。

項(xiàng)目用地西北低、東南高，存在近5 m的高差。建筑方案充分借用地勢(shì)，拾級(jí)而上，設(shè)置半地下架空層，以減少填土方量(圖2)；架空層結(jié)合下沉庭院，作為學(xué)生活動(dòng)場(chǎng)地。為了保證該層的通透性，同時(shí)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)方案，將支擋結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)完全脫開(kāi)，布置獨(dú)立的鋼筋混凝土擋土墻，由巖土工程單位進(jìn)行合作設(shè)計(jì)。擋土墻走向如圖3所示。

圖2 建筑剖面分析圖

考慮到教學(xué)樓屋頂均用作分班種植園地，且架空層頂作為綠化種植屋面，建筑專業(yè)要求盡可能減少結(jié)構(gòu)斷縫的數(shù)量。故初步方案階段，僅在3#樓連廊兩端、地下室架空層邊界，以及2#樓中部位置設(shè)置了抗震縫，位置如圖3所示。

上述需求導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)不可避免。以1#樓為例，一層樓面東西向長(zhǎng)度約102 m，南北向長(zhǎng)約62 m，遠(yuǎn)超出《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)[1]第8.1.1條現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距55 m限值要求。除了合理設(shè)置施工后澆帶，要求加強(qiáng)施工階段養(yǎng)護(hù)、樓板鋼筋雙層雙向通長(zhǎng)布置等常用措施外，補(bǔ)充整體結(jié)構(gòu)溫度作用分析，在樓板應(yīng)力較大部位適當(dāng)增加板厚，并加密通長(zhǎng)鋼筋。構(gòu)件按考慮溫度工況結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)；且沿主體長(zhǎng)向的梁內(nèi)設(shè)置抗扭腰筋，適當(dāng)增大腰筋直徑并縮小間距。

2 1#樓大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)布置方案

2.1 基本情況

項(xiàng)目的1#樓坐落于場(chǎng)地東北側(cè)，主結(jié)構(gòu)地上4層，帶一層半地下室。負(fù)一層層高4.8 m，一層層高4.2 m，其余層層高3.9 m。從室外地面算起，主要結(jié)構(gòu)高度為21.0 m。局部下沉庭院位置，結(jié)構(gòu)高度為23.2 m，均未超過(guò)24 m，屬于多層公共建筑?？蚣芸拐鸬燃?jí)為二級(jí)、部分大跨度框架抗震等級(jí)為一級(jí)。普通教室樓板采用裝配箱現(xiàn)澆混凝土密肋樓蓋，其余位置均為梁板式現(xiàn)澆混凝土樓蓋。整體計(jì)算模型如圖4所示。

建筑平面呈閉口U型，端頭布置有室外露臺(tái)或活動(dòng)平臺(tái)且逐層退臺(tái)收進(jìn)。鑒于平面形狀復(fù)雜，考慮多迎風(fēng)面影響，風(fēng)荷載體型系數(shù)適當(dāng)放大，且疊加考慮其他風(fēng)向角度(73°和163°)下的荷載工況。

負(fù)一層～一層的東南角設(shè)有兩層通高階梯教室，平面尺寸為20.4 m×21.1 m。其上二層為閱覽區(qū)，三～四層為普通教室。故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的第一個(gè)難題，是利用階梯教室進(jìn)行大跨度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，以滿足空間內(nèi)無(wú)柱的建筑功能需求，如圖4所示。

圖4 整體結(jié)構(gòu)模型

2.2 轉(zhuǎn)換樓蓋平面布置

考慮到二層轉(zhuǎn)換樓蓋與上層平面斜交疊合，為便于轉(zhuǎn)換，其內(nèi)依照上層柱網(wǎng)朝向，布置雙向正交斜放井字梁網(wǎng)格。結(jié)合上部開(kāi)間尺寸，網(wǎng)格按2.5 m～3.2 m設(shè)置。沿井字梁與周圈邊支撐框架梁的交接點(diǎn)，設(shè)置12根非等柱距的型鋼混凝土框架柱。除托柱轉(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土梁外，其余均采用普通鋼筋混凝土梁。樓蓋布置如圖5所示。

圖5 二層轉(zhuǎn)換樓蓋平面布置圖

2.3 規(guī)則性指標(biāo)自查

1#樓為多層公共建筑，不屬于《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))中所規(guī)定的超限建筑工程，因而無(wú)需進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。

自查發(fā)現(xiàn)，本工程具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變、構(gòu)件間斷這五項(xiàng)一般不規(guī)則指標(biāo)，且二層存在個(gè)別穿層柱，屬于特別不規(guī)則的建筑工程。因此，設(shè)計(jì)階段采取針對(duì)性措施與構(gòu)造手段，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件及薄弱部位進(jìn)行詳細(xì)分析與構(gòu)造加強(qiáng)，力求整體結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震性能與承載力冗余度，以減少不規(guī)則方案帶來(lái)的不利影響。

3 大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)計(jì)算方案

3.1 常規(guī)施工流程

對(duì)于大跨度轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)換層及其上抬常規(guī)樓層的總層數(shù)不多(通常按3層)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工一般采用如下工藝流程：

搭設(shè)滿堂腳手架→轉(zhuǎn)換層模板安裝→鋼筋綁扎→轉(zhuǎn)換層混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)→搭設(shè)常規(guī)樓層滿堂腳手架→模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)→其后各層依次重復(fù)→整體混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到100%→逆向拆除各常規(guī)樓層模板與腳手架→拆除轉(zhuǎn)換層模板與腳手架以實(shí)現(xiàn)整體卸載。

3.2 考慮施工過(guò)程影響的初算成果

依據(jù)常規(guī)施工流程，為保證整體轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力準(zhǔn)確性，結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝及拆模特點(diǎn)，考慮施工過(guò)程的影響，手工修改計(jì)算模型轉(zhuǎn)換層及上部樓層合并為同一施工次序。

結(jié)合1#樓實(shí)際情況，初算時(shí)全樓合并為同一施工次序。計(jì)算結(jié)果表明，如圖6所示，恒荷載作用下，臨近轉(zhuǎn)換樓蓋周圈框架柱的支座區(qū)域，構(gòu)件承受的荷載最大，導(dǎo)致內(nèi)力集聚效應(yīng)明顯，且構(gòu)件彎矩的反彎點(diǎn)均位于中部。這說(shuō)明，大跨度樓蓋與上部框架成為一體，共同呈現(xiàn)出空腹桁架式的變形特征與受力特點(diǎn)。

(a)變形狀態(tài)圖 (b)彎矩示意圖圖6 恒載作用下L軸整體轉(zhuǎn)換框架計(jì)算結(jié)果

3.3 “以抗為主”計(jì)算方案的優(yōu)缺點(diǎn)

這種依賴于大跨度空腹桁架體系硬抗受力以實(shí)現(xiàn)跨越的傳統(tǒng)計(jì)算方案，其優(yōu)缺點(diǎn)都較為明顯。優(yōu)點(diǎn)在于，相較于僅靠底部大跨度樓蓋受力的非空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方式：(1)空間剛度更大，整體豎向變形更?。?2)同等變形約束條件下，轉(zhuǎn)換梁成為桁架下弦桿，其受力相對(duì)較小，故截面尺寸可設(shè)計(jì)的更小。缺點(diǎn)在于：支座區(qū)域構(gòu)件受力大，導(dǎo)致截面容易抗剪超限或配筋過(guò)大，需要投入更多的結(jié)構(gòu)材料(例如增大梁柱斷面或加密支撐柱網(wǎng)等)，可能影響建筑功能或立面造型。

4 基于“先放后抗”理念的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 建筑方案的限制

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是：方案中1～3#樓，共同圍合成了開(kāi)放式中庭空間(圖7)。為保持視覺(jué)效果一致性，建筑專業(yè)要求各棟高度、造型與功能均不相同的主樓，其中庭位置的外露圓柱截面尺寸必須一致。

圖7 中庭透視圖

經(jīng)試算，在2#樓負(fù)一層個(gè)別圓柱、3#樓負(fù)一層～二層的全部圓柱采用型鋼混凝土柱，其他采用普通鋼筋混凝土柱的情況下，兩棟樓的圓柱直徑可統(tǒng)一成700 mm。

1#樓的情況則相對(duì)復(fù)雜，當(dāng)三層以下采用型鋼混凝土柱，其上過(guò)渡為鋼筋混凝土柱時(shí)，整體計(jì)算指標(biāo)可滿足規(guī)范[2]要求。

但是，該結(jié)構(gòu)方案的構(gòu)件設(shè)計(jì)存在較多難題：(1)考慮支撐柱網(wǎng)加密，將1-KZ3(圖8)升至三層板面后，仍然無(wú)法解決1-KZ1截面抗剪超限問(wèn)題；(2)各型鋼柱配筋面積過(guò)大(例如三層1-KZ2的配筋面積高達(dá)123 cm2)，導(dǎo)致構(gòu)造困難。倘若簡(jiǎn)單增大截面尺寸，則2、3#樓必須一并調(diào)整，勢(shì)必增加結(jié)構(gòu)成本?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)計(jì)算方案難以滿足建筑專業(yè)的需求。

圖8 L軸框架立面示意圖

4.2 “先放后抗”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念

從分析可知，大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)自重等于帶轉(zhuǎn)換層的下部結(jié)構(gòu)重量與上部結(jié)構(gòu)重量，兩者之和。整體施工卸載帶來(lái)的空間變形協(xié)調(diào)效應(yīng)，使得總重量在兩者之間線性分配。由于上部框架剛度弱，故大跨度樓蓋在自身重量下的撓曲變形對(duì)其造成巨大負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生較大的次生內(nèi)力，這是造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難的主要原因。

由此可見(jiàn)，1#樓遇到的難題是由傳統(tǒng)計(jì)算方案的內(nèi)在特性所決定的?？紤]到總質(zhì)量幾乎恒定且線性分配過(guò)程無(wú)法避免，只能盡量降低上部結(jié)構(gòu)的分擔(dān)比例，轉(zhuǎn)由下部結(jié)構(gòu)先行承擔(dān)。

為此，筆者提出“先放后抗”的大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新理念：在大跨度轉(zhuǎn)換樓蓋施工完畢且混凝土強(qiáng)度等級(jí)滿足設(shè)計(jì)要求后，通過(guò)可靠的施工措施，先行釋放其自重下的變形，令該部分荷載由自身承擔(dān)。隨后，施工上部各樓層，整體結(jié)構(gòu)完工后再次卸載，共同抵抗剩余重量，承受風(fēng)荷載與地震作用。

4.3 兩種計(jì)算方案的結(jié)果對(duì)比

為實(shí)現(xiàn)“先放后抗”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，對(duì)計(jì)算模型的施工次序進(jìn)行合理調(diào)整，如表1所示。

表1 兩種計(jì)算方案的施工次序

表2列出了恒荷載下兩種計(jì)算方案的豎向位移。數(shù)據(jù)說(shuō)明，“先放后抗”計(jì)算方案，利用了軟件模擬施工3的算法優(yōu)勢(shì)，當(dāng)上部樓層加載時(shí)，下部轉(zhuǎn)換層已施工完畢并經(jīng)找平處理，后者的變形對(duì)前者不產(chǎn)生影響。該算法既釋放了轉(zhuǎn)換樓蓋的變形，又大幅降低其對(duì)上部框架的影響(B點(diǎn)框架柱豎向位移減少45%)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新理念得以實(shí)現(xiàn)。

表2 恒載下的豎向位移

上部框架的內(nèi)力變化趨勢(shì)(表3)證明，自重下分擔(dān)比重的下降，令支座區(qū)域框架柱內(nèi)力出現(xiàn)較大幅度的降低。1-KZ2的彎矩與剪力分別減少20.8%和19.8%；1-KZ1亦可滿足受剪承載力需要，中庭圓柱截面尺寸實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。

表3 二層柱截面控制內(nèi)力設(shè)計(jì)值

需要注意的是，新方案托柱轉(zhuǎn)換梁1-TZL處的最大豎向位移增加13%，導(dǎo)致設(shè)計(jì)內(nèi)力出現(xiàn)不同幅度的增長(zhǎng)，如表4所示。這說(shuō)明，下部結(jié)構(gòu)多承擔(dān)了部分自重，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大其安全儲(chǔ)備。據(jù)此，在滿足階梯教室凈高要求的前提下，調(diào)整樓蓋范圍梁高至1.4 m，補(bǔ)充計(jì)算了豎向地震作用，并對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。

表4 轉(zhuǎn)換梁1-TZL截面控制內(nèi)力設(shè)計(jì)值

4.4 配套施工流程

為確保整體結(jié)構(gòu)受力與計(jì)算方案相吻合，設(shè)計(jì)文件中對(duì)施工流程規(guī)定如下：

搭設(shè)滿堂腳手架→轉(zhuǎn)換層模板安裝→鋼筋綁扎→轉(zhuǎn)換層混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)→樓蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到100%→調(diào)整腳手架頂托以臨時(shí)卸載→自重變形穩(wěn)定后回頂緊密→搭設(shè)常規(guī)樓層滿堂腳手架→模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)→其后各層依次重復(fù)→整體混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到100%→逆向拆除各常規(guī)樓層模板與腳手架→拆除轉(zhuǎn)換層模板與腳手架以實(shí)現(xiàn)整體卸載。

同時(shí)，要求施工單位編制符合上述流程的專項(xiàng)施工方案，并建議進(jìn)行專家論證。施工嚴(yán)格按專項(xiàng)方案進(jìn)行實(shí)施。

4.5 變形觀測(cè)及結(jié)果

除此之外，要求在轉(zhuǎn)換樓蓋的中心點(diǎn)與跨度方向臨近四等分點(diǎn)處設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)控施工全過(guò)程的樓蓋豎向變形值。施工單位結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，布置了觀測(cè)點(diǎn)G1～G5，具體位置如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)換樓蓋變形觀測(cè)點(diǎn)布置

截至2021年3月，項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)已全部封頂，砌體工程接近完成，裝飾工程正在進(jìn)行中，大跨度轉(zhuǎn)換樓蓋主體完工實(shí)況如圖10所示。

圖10 大跨度轉(zhuǎn)換樓蓋工程圖

期間共進(jìn)行兩次變形觀測(cè)，分別是轉(zhuǎn)換樓蓋臨時(shí)卸載時(shí)(T1)和整體結(jié)構(gòu)卸載時(shí)(T2)。如圖11所示，轉(zhuǎn)換樓蓋對(duì)角線上的變形曲線呈鍋底狀，位移中心大、四周小，類似雙向板的受力形態(tài)，與程序分析結(jié)果相近。且隨施工過(guò)程開(kāi)展，跨中變形值逐漸增大，但均小于相應(yīng)階段樓蓋自重下的最大變形計(jì)算數(shù)值，說(shuō)明整體結(jié)構(gòu)具有良好的空間受力性能。

(a)G1，G3，G5觀測(cè)點(diǎn) (b)G2，G3，G4觀測(cè)點(diǎn)圖11 各觀測(cè)點(diǎn)豎向變形曲線

5 結(jié)論

本文以某小學(xué)1#樓的大跨度轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)為載體，研究了“先放后抗”理念在具體項(xiàng)目中的應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

(1)常規(guī)大跨度轉(zhuǎn)換框架結(jié)構(gòu)的邊支座區(qū)域存在內(nèi)力集聚現(xiàn)象，故而構(gòu)件設(shè)計(jì)較為困難，這是由其整體空腹桁架式內(nèi)在受力特性所決定的；

(2)創(chuàng)新的計(jì)算方案與施工工藝相結(jié)合，令轉(zhuǎn)換樓蓋的自重變形先行釋放，再由整體結(jié)構(gòu)共同抵抗剩余荷載，能有效降低此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，以滿足建筑功能與造型需要；

(3)實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果相近，結(jié)構(gòu)整體性良好且空間受力性能優(yōu)良，客觀證明上述理念運(yùn)用于工程實(shí)踐是可行的。