某大跨度建筑結構設計

劉禮君

摘要：在人類社會的發展歷程中，能夠提供更大跨度和空間的結構常常是人們追求的夢想和目標，空間結構的發展很大程度上反映了人類建筑史的發展。建筑結構設計應正確合理地運用不同的計算理論和程序方法進行精確的分析，同時在建筑結構的形體設計中不能只注重美觀，還必須注重結構受力的合理性和工程成本的等因素。

關鍵詞：建筑；大跨度；結構；設計；外挑桁架；樓蓋

一、方案選型

工程在初步設計階段原擬采用如下方案：邊跨采用型鋼混凝土桁架，屋面采用網架屋面。該方案存在下列問題：①左右外墻端部型鋼混凝土構件承受了33.6m跨度的屋面荷載，即使采用型鋼混凝土構件，仍然存在荷載大、截面大、安全儲備不足等諸多問題；②由于屋面必須用混凝土重載屋面，網架桿件截面大，含鋼量也較大，且網架屋面難以實現建筑的整體效果。

為了解決上述問題，最終通過在中間另外設置4榀鋼筋混凝土斜腹桿桁架，實現結構受力與外形及功能要求的統一。由于采用了6榀桁架聯合受力，因此單榀受荷面積的明顯減少，采用普通的鋼筋混凝土構件就能滿足要求。該方案由于上部斜柱框架體系剛度較大，底部僅設置框架柱剛度較小，容易形成薄弱層，因此底層斜柱與地面相交位置布置部分鋼筋混凝土剪力墻，提高結構的抗震性能，解決結構上下層剛度突變，屋面采用正交斜放的鋼筋混凝土梁板體系能有效地解決屋面板開洞后造成的屋面剛度損失。通過綜合比較，該方案不僅可以保證建筑的外立面效果，而且用普通的鋼筋混凝土體系解決了大懸挑的難題，大幅度減少了工程造價。

二、結構總體計算分析

采用空間結構軟件SATWE及通用有限元軟件MIDAS/GEN進行結構計算分析，設計參數為：建筑安全等級二級，結構重要性系數1.0，結構使用年限50年，設計基準期50年，抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類。主樓框架抗震等級三級，剪力墻抗震等級三級。

1.結構動力特性

由于6榀鋼筋混凝土斜柱框架的存在，結構x，Y向剛度相差較大，結構在地震組合下x向的位移角為1/1802，Y向的位移角則達到了1/9999。因此雖然第二周期為扭轉周期，但考慮到工程本身為多層結構，抗扭剛度也較大，在偶然偏心地震力的作用下的扭轉位移比為1.34，可滿足抗震規范的要求。

2.樓層側向剛度及抗剪承載力驗算

樓層側向剛度比及抗剪承載力比見表1，其中。，R為x，Y方向本層的側移剛度與上一層相應側移剛度70%的比值或上三層平均側移剛度80%的比值中之較小者。R，R表示本層的抗剪承載力與上一層的比值。從表中可以看出，通過調整各層的剪力墻的布置、截面厚度，樓層側向剛度及抗剪承載力均可滿足規范要求。

三、外挑桁架分析及設計

1.外挑桁架結構布置

經過計算分析，確定了工程最終的桁架形式及截面。左右外墻桁架（以下簡稱軸②，⑩桁架）如圖1所示。軸⑤，⑦桁架形如圖2所示，軸③，⑨桁架如圖3所示。

2.外挑桁架分析與設計

工程鋼筋混凝土桁架為整體現澆，且上下弦桿均承受樓面荷載，因此均為拉彎或者壓彎構件，桁架的設計采用的是MIDAS/GEN的計算結果。工程在彈性樓板假定下對桁架進行了內力計算及配筋。以下僅以軸③，⑨桁架為例介紹桁架的計算結果。考慮到混凝土桁架的特殊性，桁架節點按剛接計算。表2中分別列出了桁架中受力較大的幾根桿件的內力設計值。由表中可見，雖然節點按剛接考慮，各桿件一般仍存在較小的彎矩，這些彎矩主要是由構件自重及作用在其上的荷載引起。桁架上弦桿的軸向拉力較大，考慮到該結構構件為非常重要的承重構件，一旦出現裂縫，內力重分配會影響桁架的整體受力特性。故決定用更嚴格的抗裂設計原則，裂縫值控制在0.2mm以內進行配筋計算。

3.桁架構造及施工

桁架是通過節點將各桿件組成整體的，正確處理節點構造是保證桁架質量的關鍵。為了錨固桿件內的縱向受力鋼筋，工程在節點處均應將混凝土截面局部加大。為保證節點混凝土澆筑質量，腹桿中間部分鋼筋伸至水平弦桿頂部在水平錨固，角筋伸至水平弦桿底部錨固。

四、鋼一混凝土組合樓蓋設計

屋面跨度25.2m，采用鋼一混凝土組合樓蓋，主鋼梁采用H1500×300×25×30焊接型鋼，樓板采用C35混凝土澆筑，厚度120mm。為避免組合結構與普通鋼筋混凝土樓面連接處因變形相差較大而出現變形裂縫，工程在鋼梁支座混凝土樓板與四周樓板交接處均設置寬1000的施工后澆帶，待周邊混凝土構件達到設計強度并拆模后方進行后澆帶混凝土施工。這樣可有效釋放端部彎矩，避免使用階段屋面出現變形裂縫。

結束語

大跨度空間是結構設計中的難點和重點，通過方案比較及優化，該工程采用了6榀鋼筋混凝土斜腹式桁架、鋼一混凝土組合樓蓋實現了建筑方案與結構受力與經濟性的統一。通過SATWE和MIDAS/GEN有限元分析計算，對抗震性能及受力配筋進行了校核，保證了結構的安全性及經濟性。同時預先考慮了施工中的難點與重點，保證設計意圖能在施工環節中得到貫徹及實現。

參考文獻

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[2]GB50010-2010混凝土結構設計規范[s].北京：中國建筑工業出版社，2011.

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