公共建筑结构设计浅析

段俊锴 郭顺军 王隽 何帆 杨小坤

摘要：介绍C立方.智造慧创空间-2号办公楼结构结构体系、结构计算分析、基础设计等方面的简要分析，有粘结预应力混凝、型钢混凝土在本工程结构设计中的应用。

关键词：结构计算； 预应力； 型钢混凝土

中图分类号：TU243.2文献标志码：A

0引言

该项目建筑设计考虑了地块的交通和布局，整体规划以汽车“V”文化为主题，“S”型蜿蜒流动、高低错落的建筑为骨架，通过不同标高的街道、广场、下沉庭院、空中平台，打造 复合共享的立体街区（图1）。

为满足建筑创意及功能需求，结构设计需要在大跨度、长悬臂、高跃层的条件下实现结构的安全、经济、美观的协调统一。

1工程概况

该工程抗震烈度7度，建筑抗震设防类别丙类，设计使用年限50年，建筑场地类别Ⅱ类。其中2号办公楼整体呈“S”型，地上最高10层（四个单元由高到低分别为10～7层，呈高低错落布局）地下1层，为办公类一类高层公共建筑，建筑面积78 445.11 m2，建筑耐火等级地上一级/地下一级。

2概念设计与结构体系

2.1概念设计

由于本工程高低错落，整体平面呈“S”造型，空中花园导致局部跃层很高（4层），结构设计从思路上需考虑几个方面：

（1）对高低错落、“S”型平面，通过在每个“S”弯处设防震缝（兼温度缝）将结构划分为四个较简单规则的单元，以减小结构的温度效应和结构在水平荷载作用下的扭转效应。

（2）每个单元选择既满足建筑功能需求，又满足结构对整体性、侧移刚度、抗扭转能力、二道防线需求的结构体系。

（3）对高跃层柱采用型钢混凝土柱，增加高跃层柱的延性，并进行性能设计。

（4）在遵循强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固的延性结构设计原则的基础上，控制竖向构件轴压比，进一步提高整体结构的延性。

2.2结构体系

2.2.1不同结构体系的分析

2.2.1.1框架结构

优点：室内空间大，可以满足复杂的建筑形式，抗震性能较好，房间空间可灵活分隔。

缺点：侧移刚度较小，在水平荷载作用下侧移较大，在强烈地震作用下易造成非结构构件损坏。

2.2.1.2剪力墙结构

优点：剪力墙结构是一种传统、成熟、抗震性能良好的結构形式，结构本身的整体性好，侧移刚度大，在水平作用下侧移小。

缺点：剪力墙结构墙体较多，混凝土用量较大，自重大。混凝土墙体为高强度承重墙体，房间不易拆改，布置不灵活。

2.2.1.3框架-剪力墙结构

优点：室内空间的使用以及房间隔墙的拆改，和框架结构一样灵活多变，抗震性能与剪力墙结构基本相当。

缺点：剪力墙结构墙体较多，混凝土用量较大，自重较大。

2.2.2结构体系的选择

综合上述分析并结合本工程具体情况：建筑对灵活大空间的需求；结构对整体性、侧移刚度、抗扭转能力、二道防线的需求；满足建筑、结构需求的协调统一，本工程采用框架-剪力墙结构体系［1］。

3结构计算分析

3.1结构模型指标

采用PKPM-SATWE系列软件进行结构三维有限元整体分析，初步确定结构各构件截面尺寸、混凝土强度等级等；进一步将各结构构件经济性与结构计算指标动态结合，对模型细化、优化，最终结构布置及模型指标均满足规范要求，仅以一单元模型指标为例（表1）。

建筑论坛与建筑设计段俊锴， 郭顺军， 王隽， 等：公共建筑结构设计浅析——C立方·智造慧创空间-2号办公楼

3.2结构不规则判定

根据2号楼各结构单元模型指标及结构平面布置，2号楼各结构单元未超出《四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准2020版》关于特别不规则的超限高层民用建筑工程的界定，属于一般不规则高层建筑［4］。

4基础型式的选择与设计

4.1本项目场地地勘情况

在2号楼区域，场地起伏很大，基础设计标高以下土层分部为：杂填土（层厚1.3～19.4 m）、粉质黏土、全风化—中风化泥质砂岩。对于较厚的杂填土，地下水容易引发预成孔孔壁塌孔及预成孔孔内沉渣清理困难。

4.2基础型式的选择

基于以上地质情况，综合考虑地基承载力、施工可实施性、经济性等，通过对比预应力高强混凝土管桩、旋挖桩及复合地基处理后的筏板基础，2号楼采用桩基础（预应力高强混凝土空心方桩PHS-500-310-95-AB），桩端以中风化泥质砂岩为持力层，单桩竖向承载力特征值Ra=2700 kN。

4.3基础设计

根据持力层情况确定单桩承载力特征值，在PKPM-JCCAD中输入桩-承台，进行上部结构与地基基础的共同作用分析（桩基承载力与变形验算，包括桩基竖向承载力（包括负摩阻力影响）、沉降及承台的抗弯，抗剪、抗冲切计算等），依据计算结果进行承台结构设计，包括承台的强度设计及结构构造等［6］。

5特殊部位的结构设计

5.1高位跃层框架柱的性能设计

结构设计性能化是根据结构高度、规则性（平面、立面）及结构（构件）的重要性，来增强结构（构件）延性。采用性能化设计的方法，需考虑结构的不规则程度、超高超限的情况、所在地区的烈度和经济因素等，对结构薄弱部位、关键部位、主要抗侧力构件，采取提高抗震承载力或提高结构变形能力，确定合理的性能目标，提高结构的延性。

本工程在2～4单元断缝处的框架柱均存在不同高度的跃层，以2单元为例，跃层最高达22.5 m，跃层部位位于空中连廊连接部位，综合考虑各种因素，将高位跃层框架柱的性能目标定为B级，高位跃层框架柱采用型钢混凝土柱，在PKPM-SATWE中进行性能设计计算，

（1）2单元SATWE结构整体分析，罕遇地震下X、Y向最大层间位移角为1/214，满足规范弹塑性层间位移角限值不大于1/100的要求。

（2）2单元SATWE结构整体分析，多遇地震及罕遇地震下的混凝土构件配筋及钢构件应力比、下翼缘稳定验算应力计算，对比多遇地震及罕遇地震计算结果，高位跃层框架柱采用型钢混凝土柱，柱纵筋计算值一样均为构造配筋，箍筋略有变化，跃层柱设计按多遇地震及罕遇地震计算结果包络配筋。

从上述性能设计计算结果看，对高位跃层框架柱采用型钢混凝土柱，由于钢骨的作用，混凝土柱的配筋均为构造筋，能有效提高跃层柱的延性，提高安全储备，更容易实现性能设计目标［2］。

5.2长悬挑梁的有粘结预应力结构设计

本工程部分区域存在长悬挑梁（悬挑长度7 m左右），为了控制长悬挑梁的上部支座裂缝及梁端部的挠度，故在长悬挑梁部分采用预应力混凝土结构，梁中施加有粘结预应力技术，钢筋采用HRB400級（三级钢）和1860级高强度低松弛预应力钢绞线，悬挑梁区域及相关影响范围梁板采用C40混凝凝土。通过在混凝土构件中预埋金属波纹管，穿预应力筋、张拉预应力筋、灌浆，预应力钢筋与混凝土之间的相互粘结，共同工作，承担结构荷载，

5.2.1预应力梁设计的基本流程

（1）首先试算初步确定预应力钢筋的直径以及根数，根据相关构造确定预应力钢绞线的线型矢高。

（2）根据预应力钢筋的数量、矢高，试算确定预应力梁高，计算预应力钢筋在梁中产生的等效荷载。

（3）在PKPM计算模型中，删掉已施加的活荷载（点荷载、线荷载和面荷载），在预应力梁上输入等效荷载，然后采用软件进行有限元计算，得出等效荷载在梁中产生的综合弯矩、主弯矩及次弯矩（其中，次弯矩=综合弯矩-主弯矩）。

（4）计算预应力损失，包括：锚具回缩损失、管道摩擦损失、钢筋的应力松弛损失、收缩徐变损失、局部挤压损失。

（5）根据混凝土规范，进行预应力梁的配筋验算，次弯矩参与荷载组合（考虑竖向地震作用），按照GB50010-2010《混凝土结构设计规范》第10.1.2节进行组合，并按照GB50010-2010《混凝土结构设计规范》第6章进行截面验算。

（6）得到合理的设计结果，并满足相关技术规范的要求，若不满足，进行相应的调整，重复步骤（1）～（5），直到得到合理的设计结果。

（7）对长悬挑梁按施加预应力和未施加预应力两种工况进行包络设计，达到既控制长悬挑梁的上部支座裂缝及梁端部的挠度又具备足够的安全储备。

5.2.2有粘结预应力的施工工艺

混凝土强度达设计值100%并满足张拉条件后方可进行预应力筋张拉，预应力张拉应采用应力和应变双重控制方法进行，以应力控制为主，用应变（伸长值）进行校核。

张拉施工应遵循对称原则：纵横向梁应对称同时张拉，同一根梁上多束预应力筋宜同步张拉。张拉工艺应能保证同一根梁内同一束或多束中各根预应力筋的应力均匀一致［5］（图2）。

6绿色建筑在结构设计中的运用

传统建筑在设计、施工和使用过程中，建筑的耗能过高，同时对环境的污染比较严重。在建筑结构设计之时，就要进行节能环保的规划，提高资源的利用率，进行结构优化设计。本工程在结构设计过程中以绿色建筑为指引，将绿色建筑融入结构设计过程中。

6.1低碳环保的结构选型

科学的结构选型是实现绿色结构体系，满足绿色建筑设计要求的关键。基于绿色建筑的理念来对建筑结构进行选型，可以降低建筑活动对环境的负荷压力，实现建筑生命周期的可持续发展。

本项目选择框架剪墙结构，综合考虑了建筑使用功能和空间需求，并考虑到结构的灵活性与适应性问题，选择大空间可灵活分隔的结构布置，为建筑功能转换留有余地，节约后期结构加固改造费用。

6.2装配式结构的运用

根据成都市住房和城乡建设局发布成住建规〔2021〕5号文的要求，房屋建筑工程项目全部执行装配式建筑要求，单体或平均装配率不低于40%，装配率计算依据：《四川省装配式建筑装配率计算细则》，具体计算结果：

装配式建筑的装配率应根据装配式建筑评分计算表中评价项得分值，并应按下式计算：

P=（Q1+ Q2+ Q3+Q4+Q5）/100×100%=（0+25.58+20.25+3+0）/100×100%=48.83%

式中：P为单体建筑装配率；Q1为标准化指标实际得分值；Q2为主体结构系统指标实际得分值；Q3为外围护系统指标实际得分值；Q4为内装系统指标实际得分值；Q5为管线系统指标实际得分值。

综上所述，根据《四川省装配式建筑装配率计算细则》，本项目2号楼子项装配率为 48.83%，满足装配式建筑建设要求。

本工程装配式结构构件（叠合楼板、预制柱、装配式隔墙板）的使用，最大程度实现了构件生产工厂化，施工安装标准化，达到节约资源、降低能耗、保护土地资源，提高结构的生态、绿色环保性能。

6.3材料选用

设计过程中，采用高强度材料（HRB400、HRB500级钢筋，高强度混凝土），注意结构材料选用的标准化，就地取材；建筑工程施工中，采用预拌混凝土、预拌砂浆，避免给施工现场造成污染［3］。

7主要结构措施

（1）加大凹凸或薄弱部位的楼板板厚（板厚为150 mm），并采取双层双向钢筋拉通布置。

（2）对高位跃层柱加钢骨（型钢混凝土柱），提高其延性。

（3）楼梯采用滑动支座，以减小地震时其对主体结构的不利影响。

（4）对超长结构采取以下措施：设置温度后浇带、提高屋面楼板配筋率。

8结束语

建筑结构设计是项复杂的工程，涉及到的内容非常广泛，本文就2号楼结构设计作了简要浅析，从中可归纳出几方面：概念设计涉及到的面很广，从方案、结构布置到计算简图的选取等，它比量化计算更能有效地从宏观上处理好结构的安全问题，抗震设计必须重视概念设计；对高位跃层柱采用型钢混凝土，既能满足性能设计的需要，又可有效提高构件延性和安全储备。

对大跨度结构或局部大跨度结构，采用预应力结构可有效控制裂缝和挠度，满足正常使用极限状态和承载能力极限状态的要求。

在公共建筑中，功能及空间造型通常较复杂，经常会涉及到转换、跃层、大悬挑及大跨度结构等，本文通过总结本项目结构设计经验，为该类型结构设计提供参考。

参考文献

［1］林同炎，S·D·斯多台斯伯利.结构概念和体系［M］. 2版， 北京： 中国建筑工业出版社，1999.

［2］CHEN Jia-wei， 陈家伟， SHI Jian-guang. 高层建筑结构基于性能的抗震设计研究现状及性能目标设定［C］// 第24届全国结构工程学术会议. 2015.

［3］任庆英，赵锂，潘云钢，等. 绿色建筑设计导则结构/机电/景观专业［M］. 北京： 中国建筑工业出版社，2021.

［4］四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准2020版 DB51/T 5058-2020［S］. 西南交通大学出版社，2021.

［5］熊学玉.预应力混凝土结构理论与设计［M］. 北京： 中国建筑工业出版社，2017.

［6］朱炳寅，娄宇，杨琦.建筑地基基础设计方法及实例分析［M］. 2版. 北京： 中国建筑工业出版社，2013.

［作者简介］段俊锴（1982—），男，硕士，高级工程师，研究方向为项目设计管理、城市设计管理；郭顺军（1971—），男，本科，一级注册结构工程师，长期从事工业与民用建筑设计工作。