浅谈综合体建筑结构设计难点及解决方案

2016-12-14肖新

中华建设科技 2016年10期

肖新

【摘要】现代都市中，习惯快节奏的人们需要在一个方便、快捷、经济、集多种功能于一体的综合空间里，享受高效率的生活和工作，于是综合体建筑便应运而生。由于其超大的体量，复杂丰富的外立面造型，居于城市优越的地段，往往成为城市的标志性建筑。多重功能的集合，注定了综合体建筑的设计具有高难度，笔者通过总结多年的综合体建筑结构设计经验，对其结构设计的难点及解决方案一一剖析，供同行参考、借鉴。

【关键词】综合体建筑；设计难点；解决方案

Simple Talking about Difficulty and Solution of Architectural Structural Design of Complex Building

Xiao Xin

（Chengdu benchmark in the architectural design LimitedChengduSichuan610031）

【Abstract】Modern city， the habit of fast-paced people need a convenient， fast， economic， multi-functional integrated in an integrated space， enjoy high efficiency of life and work， so complex building came into being. Because of its large body mass， complex and rich facade modeling， living in the city of superior location， often become the citys landmark. Multi-function set， doomed complex building design is difficult， the author through years of comprehensive architectural design experience， its structural design difficulties and solutions one by one for peer reference， reference.

【Key words】Complex building；Design difficulty

1. 前言

（1）城市综合体是将城市中的商业、办公、居住、旅店、展览、餐饮、会议、文娱和交通等城市生活空间的三项以上进行组合，并在各部分间建立一种相互依存、相互助益的能动关系，从而形成一个多功能、高效率的综合体。一般酒店或写字楼与购物中心的组合是最基本的组合，我们称之为商业综合体（图1）。

（2）综合体建筑不仅要满足使用功能的要求，还需要满足更高品质的要求，结构设计难度相应的不断增加。综合体建筑中结构设计难度主要体现在：超长超大体量、大跨度大悬挑、大跨度大悬挑的扭转倾覆问题、楼板连接薄弱问题、楼板舒适度问题、竖向构件转换问题以及造型复杂的大跨度采光顶和立面幕墙。

（3）如图1所示，建筑中庭要求大跨空间，跨度一般在20米以上，30米也算正常，屋顶采光顶也是大跨的；二层以上内部步行街设置连通各层的扶梯，悬挑跨度一般在6米以上，10米也有。

（4）内部步行街中间开洞，以大跨度连桥连通（图3），并可能是弯曲的连桥，使用过程中易出现较大的振动响应。

（5）初步的建筑方案还可能出现连桥的宽度极其狭窄，如果又是弯曲的连桥，极有可能只允许一根梁拉通，此时就会出现倾覆的问题，此问题一定要在方案阶段与建筑充分配合，争取两根梁拉通，并采用抗扭性能强的梁构件形式，解决好大跨度梁的抗倾覆问题。如图4中，主梁采用了矩形钢梁，柱为钢管混凝土柱。

（6）内部步行街区域往往也是设备管线最集中的区域，为了保证净高，梁高控制的要求也极其严格。

（7）屋顶往往还有绿植而覆土，荷载较大，进一步加剧了大跨和大悬挑部位的设计难度（图5）。

（8）由于各层商业布局不一致，往往导致柱无法伸直屋顶，带来框架柱转换问题。因为商业综合体建筑常用柱网一般为9X9、9X11米等，还可能出现18米以上的大跨度转换。

（9）最后，商业综合体的外围造型往往是非常复杂的（图6），幕墙与主体结构的连接以及主体结构设计时考虑幕墙支座荷载也要求非常严格。

2. 现就商业综合建筑中最关键的技术难点分别讨论解决方案。

2.1超长超大体量

（1）商业综合建筑常由大面积的商业裙房和办公、酒店等塔楼组成，一般只在商业裙房和塔楼的相连部分设置沉降或抗震缝将二者分开，商业裙房则由于功能要求和立面处理等原因，被限制设置构造缝，这便要求结构设计时采取可靠措施处理混凝土收缩和温度变化带来的应力问题。

（2）处理方式无外乎“抗”、“放”、“防”三种：

抗：进行温度应力分析，增加楼板配筋，特别是通长钢筋，必要时还可设置楼板预应力筋。

温度荷载的确定[1]：

结构温度荷载主要由季节温差荷载以及收缩当量温差两部分组成。

2.1.1季节温差：楼屋盖中面在施工和使用中所经受的温差为各地区计算季节平均温度T中与结构混凝土终凝温度T凝的差值。按下式计算：

ΔTt=T中-T凝

以成都某工程为例（表1）：

2.1.2收缩当量温差：由于有竖向构件的约束，混凝土收缩会在水平构件中产生拉应变，可以把混凝土的收缩值换算成等价的温度差值作用，方便与结构温差作用进行综合计算。

ΔT= -εy（t）/α

式中α=1x10-5/℃为混凝土线膨胀系数，通常情况下混凝土极限收缩应变约为2～4x10-4，取90d后浇带封闭时混凝土收缩量占极限收缩量的60%[1]，则混凝土的收缩当量为：

ΔT=-2x10-4x40%/α=-8℃

2.1.3微裂缝折减系数：混凝土构件的刚度折减源自于其在凝结或受力过程中产生的微裂缝，一般工程此系数取为k=0.8 。

综合上述三点，此工程最终的温度差值为：

ΔT=k*（季节温差+收缩当量）=-18.4℃ （屋盖）

-12.8℃ （楼盖）

最后作为工况输入程序进行楼板应力分析，可得到楼板的主拉应力值，配置相应的楼板钢筋抵抗此拉应力即可。

（1）放：在施工中采取措施，使应力得到有效释放，混凝土收缩得到补偿，比如跳仓法施工；合理设置后浇带、膨胀带等。后浇带设置应方便施工，不宜穿越大跨度梁（≥12m）、型钢梁、转换梁等，大悬挑的相邻内跨也不宜有后浇带穿越，间距宜控制在合理范围。

（2）防：建筑采取保温的构造措施，减少结构温差；考虑屋面设音叉柱的方案；混凝土低温入模、低温养护；减小水灰比、改善水泥和砂石骨料质量；加强后期检测等。

2.2大跨度、大悬挑的设计。

商业综合建筑中庭是结构设计的焦点，大跨大悬挑都通常在此出现，且设备管线多，对梁截面高度有较高要求。处理方式通常有预应力混凝土梁、型钢混凝土梁及钢-混凝土组合梁等结构构件形式。

2.2.1预应力混凝土梁[2]：主要采用后张有粘结预应力梁。在普通混凝土梁内施加预应力并不直接增加受压区混凝土的高度，因此预应力梁并不会增加梁的承载力，这样也就限制了预应力梁的适用范围，对于多数以承载力控制的转换梁或者受力较大的梁，预应力的结构形式并不适用，而以挠度裂缝控制的大跨大悬挑梁就非常适合采用预应力梁的形式。

（1）基于以上结论，在是否能够采用预应力梁的判断上，首先判断该梁按普通混凝土梁计算是否满足承载力要求，且对框架梁来讲，配筋率宜在1.8%以内，悬挑梁配筋率宜在1.5%以内，否则引入预应力筋后配筋率过大。

（2）在常规的商业楼面荷载下，悬挑梁的跨高比宜控制在1/7左右，大跨度连廊的跨高比宜控制在1/15～1/22左右。当构件的跨高比小于1/22时，建议适当放大梁底筋配筋率到3%～4%，增加构件安全性，减小构件长期挠度，但要注意跨中混凝土上皮受压区高度不能超过限值要求，避免形成超筋梁。

（3）结构布置时，预应力梁宜简单规则传力明确，以常见单向梁布置为佳，避免与其他预应力梁或型钢混凝土梁柱相交。在单向布置的楼盖中，尽量将次梁设置为预应力梁，既有利于控制变形，也利于抗震的要求。

（4）预应力梁的张拉端通常设置在挑梁端头和后浇带位置，这样可减少设置张拉后浇块。

（5）预应力索控制点标高要适当留有余地，过于精细的设计可能由于施工中的各种困难而无法实现，导致实际有效高度低于设计要求的有效高度，产生安全隐患。一般波纹管中心点最高点至梁上皮最小宜取150mm，当支撑梁的面筋达到3排时实际施工很难达到150mm的要求，此时宜取200mm。最低点距梁下皮不宜小于150mm，不应小于120mm。

2.2.2型钢混凝土梁[3]：由于在普通混凝土梁内置了型钢，相同截面的梁抗弯、抗剪承载力都得到了极大的提升，与预应力梁形成了良好的互补，适用于大跨度转换梁，跨高比宜控制在1/20以内。其缺点也非常明显，那就是造假高昂、施工复杂，当可以采用预应力结构或钢结构代替时，建议尽量不采用型钢混凝土结构。

（1）型钢混凝土梁宜单向布置，避免与其他梁平面外相交，不开避免时应注意型钢截面宜小于相交的钢筋混凝土梁截面高度，使相交梁的上下纵筋能绕过型钢；型钢混凝土梁宜与框架柱正交，不宜斜交；同时应避免与预应力钢绞线平面外相交。

（2）规范给出的型钢保护层厚度主要从粘结强度、型钢局部稳定性和耐火、耐久性上考虑，整体偏小，便于施工的保护层厚度宜为：梁不小于150mm，柱不小于250mm（根据钢筋直径、排数和根数、当施工困难时可再增加，如：300mm）

（3）梁纵筋与连接板或加劲板采用焊接连接时，梁纵筋净距取≥60～70mm，梁纵筋至连接板或加劲板的边距≥20～30mm。柱纵筋直径d>25mm时，宜采用机械连接接头。箍筋肢距不宜大于300，柱箍筋采用三级钢，体积配箍率至少可按《型钢混凝土组合结构技术规程》表6.2.2折减0.85。

（4）为便于梁中型钢在柱子锚固，应在柱中设置与梁型钢翼缘等宽的构造型钢段，这就造成了梁上下纵筋与柱内型钢的关系问题，部分纵筋弯折后可绕过型钢，而部分纵筋不可避免的需要与柱内型钢连接，可通过连接板焊接、套筒连接等方式连接（当然也可在柱型钢翼缘上开孔让少量钢筋穿越，但开孔削弱型钢，应控制数量）。若有多排钢筋，第二、三排建议控制纵筋数量使之能全部绕过柱内型钢（图7，与图7对应的不同截面型钢梁纵筋配筋见表2）。

（5）根据上述钢筋排布，我们可以反算出各种截面的型钢梁在不同的配筋、不同型钢截面下所能承受的弯矩，前期初选型钢梁截面时我们就能根据初算的弯矩选定合适的梁截面。

（6）如假定混凝土强度等级C30，钢材材质为Q345B，钢筋为直径32mm的四级钢（强度435MPa），A=150mm（图7），型钢翼缘保护层取150mm，对不同截面分别反算纵筋配筋为构造配筋，一排钢筋，三排钢筋，极限弯矩（理论值）时的抗弯承载力结果如下（表3中弯矩M单位为102KN*m）。

（7）若计算得到梁的弯矩为100X102 KN*m，根据表3，我们可以初步确定所需型钢梁截面为800X1200，梁内型钢尺寸为H500X900X30Xhw（hw为腹板厚度，满足构造要求即可），由此还可以相应确定型钢梁两端柱截面边长取到900mm以上比较合适。

2.2.3钢-混凝土组合梁[4]：

（1）具有自重轻、适用跨度大的特点，能充分发挥钢、混凝土各自的优点。对商业建筑中的大跨度连廊、天桥及楼屋盖均适用。钢-混凝土组合梁随着跨度不断增加，其控制因素分别为强度（稳定）、挠度、舒适度（频率和峰值加速度）；在常规的商业楼面荷载作用下，钢-混凝土组合梁的跨高比宜控制在1/25左右。

（2）钢-混凝土组合梁宜单向布置，与周边构件的连接通常采用铰接，周边构件可为型钢混凝土梁、或埋有构造型钢段的普通混凝土梁。其截面形式可采用H型和箱型。钢-混凝土组合梁也常用于连接不同塔楼之间的天桥，其支座形式常采用滑动支座或橡胶支座，在支座节点设计时需要根据地震作用预留足够的缝宽。

2.3框架柱的转换问题。

（1）上面型钢梁已经提供了一个解决方向，我们还可以采用调整结构布置，让多根梁共同承担转换柱荷载（图8）；空腹桁架转换（图9）；上柱与下柱错开不多时还可以采用斜柱或搭接柱（图10）等方式处理。

（2）空腹桁架转换往往是利用整个建筑层高来作为空腹桁架的高度，利用两层甚至三层梁来实现转换，设计时应注意将这几层梁定义为同一施工次序，施工时应等到这几层框架梁混凝土均达到强度后再一次性拆模，从而实现几层梁共同受力。

（3）斜柱和搭接柱设计时应重点关注水平分力的传递，相关梁板加大截面及配筋，并采用通长配筋的方式，建筑允许时还可设置斜撑。设计时通过楼板的应力分析及节点有限元分析，保证楼板和节点传力的可靠性。

2.4大跨度、大悬挑的舒适度问题。

商业综合建筑中通常包括大跨、轻质和低阻尼结构，如大跨度连桥、中庭位置的大跨度狭窄楼板；如果设计不当，其梁板结构会在人的行走、运动和使用过程中出现较大的振动响应，特别是当楼面自振频率接近人的步行频率时，易产生楼面共振，从而引发人体的不适反应[5]。

2.4.1计算模型的选取。

分析人行走引起的楼板振动舒适度时，可以简化采用单层计算模型，对不同的楼层分别进行计算；当位于五层以上且柱变形较大时，需要考虑柱变形的影响，应采用整体结构计算模型。当结构平面布置较复杂时，计算模型需要进行适当简化。

2.4.2不利振动点的选取。

楼板的面积较大，在均布动荷载作用下，各点的振动响应不同，通常可依据结构平面布置的情况，选取楼板结构刚度较小的部位（挠度较大处）作为不利振动点，通过对不利振动点的振动响应判断楼板舒适度是否满足要求。根据建筑结构的使用功能，楼板舒适度的评价标准可采用自振频率和加速度限值的双控指标。

2.4.3楼板结构自振频率计算。

对于楼板振动舒适度来说，楼板结构自身的动力特性非常重要，而自振频率集中反映了楼板质量和刚度的关系。自振频率与挠度的平方根成反比，挠度和变形计算采用荷载标准值，故计算楼板结构自振频率时采用的荷载均为标准值。另外，在人行激励的动力荷载作用下，混凝土的弹性模量要大于静荷载作用时，因此在计算楼板惯性矩时，对钢-混凝土组合楼板和混凝土楼板，混凝土弹性模量可分别放大1.35倍和1.2倍。

2.4.4荷载模型的选取。

将人的活动分为两类，行走和有节奏运动。人行走涉及的建筑类别包括医院、居民楼、办公楼、教堂、商场、餐厅及人行天桥；有节奏运动涉及的建筑包括健身房、体育馆、舞厅和俱乐部。对于人行走，需要考虑恒载荷有效均布活荷载；对于有节奏运动，还需要计及参与活动的人的等效均布荷载。舒适度分析中荷载取值比结构设计的荷载取值小很多。

2.4.4.1人行走荷载模型。

研究表明简谐波随着频率的增加振幅逐渐减小，前三、四个简谐波构成了动力荷载的绝大部分，且可以忽略静荷载的影响，采用简化计算得到行走激励下的动力响应，人行荷载可只考虑前三阶荷载频率。且由于人行走的随机性，人群引起的动力荷载很少产生舒适度问题，因此可仅考虑单人行走引起的楼板振动问题。

F（t）=P0∑αicos（2πfit+φi）考虑前三阶荷载

P0——人的重量，一般取0.7KN；

αi——第i阶荷载频率动力因子；

fi——第i阶荷载频率；

φi——第i阶荷载频率的相位角；

t——时间；

表7人行走简谐波的模型参数

荷载频率阶数 i人行走fi /Hzαiφi

11.6～2.20.50

23.2～4.40.2π/2