某综合楼结构设计浅析

余正路

（上海市房屋建筑设计院有限公司 上海 200062）

1 工程概况

本工程的综合楼整体建筑面积为2500m2，综合楼的高度是15.1m；其为多层建筑，包括三层，地上为两层，地下为一层，地下的建筑是设备用房，地上的两层公共建筑；建筑首层层高6.0m，二层层高5.8m，设备层层高2.7m，建筑功能比较复杂，包含有游泳池、健身大厅、儿童乐园、西餐酒吧、茶室、设备层等。室内泳池平面如图1所示，建筑剖面图如图2所示。

图1 室内泳池平面

图2 剖面

该综合楼框架柱截面主要为500mm×500mm、400mm×400mm、800mm×800mm；框架梁截面主要为300mm×600mm、300mm×800mm、300mm×1000mm、600mm×1100mm；框架跨度主要为7.2m、12.0m、18.0m；活荷载主要为3.5kN/m2；水池活载为16kN/m2；屋顶的覆土恒载为22kN/m2。综合楼结构的安全等级是II级，建筑抗震设防类别是标准设防类。该地区的抗震设防烈度是Ⅵ度，第一组。地震加速度为0.05g。四级的框架的抗震，局部抗震等级为三级。基本风压为0.35kN/m2，强度为C30的混凝土，钢筋等级是HRB400，填充墙选择质量较轻的加气混凝土[1]。表1显示了建筑物的抗震设防类别等一些基本参数，图3为主要楼层结构平面布置图。

2 结构整体计算

建筑结构通过satwe软件进行分析和整体计算，其中地下室的顶板作为计算的嵌固端。因为该建筑比较高，有计算长度比较大的框架柱，在进行整体计算时，需要考虑重力的二阶效用可能产生的影响[2]。计算的结果表明，因为框架梁在跨度方面大小不一，结构受力截面和配筋相差较大，结构模型图如图4所示。

表1 建筑抗震设防类别及标准设防类

图3 结构平面布置

图4 结构模型

3 结构设计

3.1 结构布置选型

3.1.1 基础选型

基本设计选型合理与否与整个综合楼的安全性以及投资密切相关。所以，选择合适的基础设计非常关键。

（1）为了降低投资，基本类型要按照地质资料进行合理选择。由于地质数据作为基础设计的关键基础，所以基础设计需要仔细分析地质报告，特定问题和特定分析，为了减少因盲目选型出现浪费的情况，对于基础类型也要进行合理选择。本工程采用的基础形式为浅基础，并根据规范要求执行变形检查计算[3]。

（2）后浇带的设置。如果地基出现不均匀的沉降，会导致墙面出现裂缝，为了避免这种状况，可能需要设置后浇带。本工程长宽为50m×40m，由于基础与地库连接结构长度超过《混凝土结构设计规范》（2015版）设计要求，本工程在底板中间部分设置一道后浇带，地上部分建筑宽度满足规范要求不设置后浇带。

3.1.2 承重结构的选型

因为公共建筑的第一层为泳池等用于商业服务，所需空间相对较大，所以，将框架结构运用到第一层建筑的承重结构中，建筑上面的隔墙采用加气混凝土，这样进行设计更加的经济，而且要从建筑物的强度和稳定性来考虑结构的选择，更重要的是要适用且经济。

有两种类型的框架结构，一个是内部框架，另一个是完整框架。所谓的内部框架是不具有侧支柱和中支柱的框架，并且框架的梁端由外壁支撑。这种结构具有以下缺点：①因为钢筋混凝土的弹性模量不同于砖的弹性模量，所以柱形基础和墙基础的沉降可能会不均匀，并且可能会出现不均匀的沉降，并且会产生较大的附加应力应用于内部框架。墙壁很容易开裂。②梁由墙支撑，整体刚度低。③传递力不清楚，风荷载水平力仅由外壁承受，不能传递到框架。通常，对于不超过3层的不考虑风荷载的建筑物，可以考虑内部框架的结构形式。否则必须使用完整的框架结构[4]。

进行框架设计时，尽可能减少中间支柱的数量，以方便空间扩展，并且经济且易于使用。而且常规的框架结构中具有大开间，施工方便的优势，满足绝大多数的公共建筑使用功能的要求。

3.2 大跨度结构设计

（1）大跨度设计难点。

按照传统的设计经验，当跨度超过20m时，很难控制普通混凝土结构梁的挠度和裂缝宽度。为了能够满足挠度以及裂缝宽度检查计算，大跨度梁在设计梁的高度通常超过了柱的横截面高度，并且钢筋由裂缝宽度控制，从而导致线刚度可以大于框架行。这使得容易形成“强梁和弱柱”，并且违反了“强柱和弱梁”的抗震设计原理。因为本项目中大跨度地板的平整地板尺寸较大，而梁高比较低，因此地板舒适性问题也需要注意[5]。

（2）结构布置。

在一样的载荷下，不一样的结构布置也会导致不一样的内力以及变形响应。合理的荷载传递，良好的荷载性能，便捷安全的施工都是决定结构布局有效性的因素。为了了解具有不同结构布置的单个建筑物的空间性能以及经济指标，建立了具有不同结构布置的结构模型，对配筋和内里进行了分析计算，为这种类型的结构找到最佳的布局。

按照主梁的尺寸差异和预应力梁的布局设置，一共有两种方案，如下：

（1）单向双次梁方案：混凝土梁平行于长跨度方向，切垂直于短边方向。这种方案具有较少的钢筋，并且更易于施工，且本方案在设计过程中考虑梁上翻设计，充分满足泳池上空大开间的建筑使用功能。在设计时考虑大跨度和屋面温度应力对整体结构的不利影响，采用施工过程中预先起拱的施工工艺，解决梁挠度过大的问题；此外对于大跨度屋面，采取提高板钢筋的配筋率，且双层双向配置钢筋，充分考虑混凝土收缩过程中产生的裂缝问题。从经济和使用方面考虑，本方案比较适合本工程。

（2）双向井字梁方案：双向井字梁结构经过调整和变形，作用力会更加的合理。另一方面，井字梁还具有挠度小、光束横截面较小和刚性较高的优点[6]；双向井字梁方案中的钢筋数量大，不方便施工，增加了成本，从经济方面考虑不适用本工程。

大跨度屋面结构采取的加强措施：

（1）混凝土的选择。

对混凝土的原材料进行严格控制，进行材料选择时要多考虑其性能是否满足需求，尽可能的降低水化热，减少混凝土的收缩。如果条件满足，减量选择Ⅰ级粉煤灰的混合物，并且使用减水率超过18%的泵送剂，不要使用高钙粉煤灰，水泥必须使用矿渣硅酸盐低水化热水泥。为了保证混凝土的抗开裂和抗渗透效果，必须限制混凝土的膨胀率。

（2）纵向钢筋构造措施。

对于热应力有显着影响的组件，必须对该区域进行加强，来提高混凝土的抗裂性以及最大抗拉强度。例如，地下室的顶层，第一层的顶层和屋顶板受温度变化的影响很大，板钢筋采用双层双向拉通设置；且在大跨度位置梁钢筋采用通常钢筋，按照规范要求配置抗扭腰筋，在满足计算的前提条件下，适当予以加强配筋提高安全储备。

（3）增强结构抗扭刚度措施。

建筑物的复杂平面，变化的空间，立面的不规则布局以及大跨度结构，结构扭曲问题更加突出。尽管该项目是多层建筑，但考虑到其重要性，在设计过程中尽量满足周期比小于0.9的要求。设计包括拐角处的框架梁、框架柱等，增加外部框架梁的宽度以及高度，对建筑结构的扭曲以及横向的刚度进行了增强，降低了在地震发生时的扭力。

（4）框架梁柱结构模型中加强的措施。

由于梁跨度大于18m，在设计过程中充分考虑梁在计算过程中可能遇到的梁截面较大，框架柱宽度相对较小，为满足基本结构概念设计要求，对结构框架柱截面予以大；从《建筑抗震设计规范》上考虑，对于大跨度框架处梁柱采取提高抗震等级的措施。

（5）施工过程中注意事项。

建筑物大跨度屋面处，由于梁截面和板厚的加强，在施工过程中尤其注意施工完成早期养护，控制混凝土骨料的选择，湿度和温度等应该防止混凝土收缩产生裂缝。

4 结论与建议

通过工程设计实践，在结构设计方面获得了深厚的经验，并有了一些新见解。

（1）现阶段施工方案复杂多变，项目的结构影响过于集中。设计师在规划阶段要注意结构性问题，按照建筑物的用途以及设计时的建筑高度来进行结构体系的选择，适当设计建筑物的平面形状和形状，以达到建筑物美观，安全的目的。

（2）结构工程师需要充分了解各种结构形式的力特性，关键位置和关键组成部分。针对一些比较复杂的工程，要对其结构特性进行分析总结，通过一些目的性比较强的措施来对计算模型进行优化，整体而全面的了解问题进而解决问题。

（3）要经常关注该领域在国内外的技术发展，要保证自己处于技术潮流的前沿，不断学习吸收新的技术和成果，了解新的结构形式，慢慢的进行知识的积累。根据需要适当打破规格限制，或在适用的情况下提出创新的理论和技术措施，并大胆地将其用在工程实践里去。