某圓環(huán)形教育建筑結構分析與設計

赫明月阮林旺 丁祝紅

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

1 工程概況

西交利物浦大學太倉校區(qū)教學區(qū)項目（圖1）位于江蘇省太倉市科教創(chuàng)新區(qū)，基地東西兩側(cè)為城市次干道，南鄰江南路，北接禪寺路。建筑平面整體以大圓環(huán)串聯(lián)7棟U形學院建筑，圓環(huán)直徑達322 m，周長約1000 m。總建筑面積約25.5萬m2，其中地下面積約4.8萬m2，地上面積約20.7萬m2。

圖1 教學區(qū)建筑效果圖Fig.1 Architectural rendering

教學區(qū)建筑地下1層，被校園內(nèi)的Y形河流分為3個獨立的地下室。由于建筑形體及其構件布置的不規(guī)則程度較高，且建筑平面尺寸較大，為此，本項目綜合考慮建筑效果與結構平面形態(tài)的合理性，設7道抗震縫（兼溫度伸縮縫），將上部建筑分為9個獨立的結構單元（圖2），包含3個雙U形建筑（分別為AB區(qū)、DE區(qū)、FG區(qū)），1個單U形建筑（C區(qū)），3個跨河道連接體（分別為AG、BC、EF連接體），及2個環(huán)內(nèi)點狀建筑（分別為H區(qū)、J區(qū)）。

圖2 結構分縫示意Fig.2 Diagram of structural joints

教學區(qū)建筑室內(nèi)外高差0.15 m，各U形建筑地上5層，1層層高5.76 m，2～3層層高4.6 m，4～5層層高4.2 m，結構高度23.51 m；AG、BC、EF跨河道連接體地上3層，1層架空，1層層高5.76 m，2層層高4.6 m，3層層高5 m，結構高度15.51 m；圓環(huán)中央的2個點狀建筑，北側(cè)較大的H區(qū)地上3層，各層層高均為4.5 m，結構高度13.65 m；南側(cè)較小的J樓地上1層，結構高度4.65 m；圓環(huán)上方設置有通長屋頂裝飾構架，構架頂標高30.66 m。

主體結構設計使用年限50年，結構安全等級為二級，建筑抗震設防分類為標準設防類（丙類）。

自然條件：①50年一遇基本雪壓0.40 kN/m2；②50年一遇基本風壓0.50 kN/m2，場地粗糙度類別B類；③抗震設防烈度7度（0.1g），設計地震分組第一組，建筑場地類別Ⅳ類，特征周期Tg=0.65 s；④基本氣溫最低-4℃，最高36℃。

2 結構體系選型

本項目地上由抗震縫劃分為3種類型的建筑，分別為U形建筑、跨河道建筑、點狀建筑。其中圓環(huán)內(nèi)2個點狀建筑層數(shù)不多、柱網(wǎng)間距不大，采用常規(guī)的鋼筋混凝土框架結構體系；7個U形建筑及3個跨河道建筑由于特殊的建筑造型及效果要求，設計前期對其結構體系進行了比選。

2.1 U形建筑結構

本項目建筑方案采用多個U形建筑，存在建筑平面凹凸不規(guī)則程度較高的問題，使得結構扭轉(zhuǎn)效應嚴重，包括結構扭轉(zhuǎn)周期靠前、扭轉(zhuǎn)位移比超出規(guī)范要求等。因此設計時針對結構扭轉(zhuǎn)不規(guī)則共提出3種解決方案：方案1，調(diào)整柱網(wǎng)尺度及梁柱截面尺寸；方案2，增設剪力墻；方案3，增設鋼支撐。

方案1通過修改柱網(wǎng)尺度及調(diào)整結構端部梁柱截面尺寸，進而調(diào)整結構整體的剛度分布，此種方法對結構的抗扭剛度影響有限，會造成加強部位梁和柱的尺度超常，對空間影響極大。在控制尺度下，結構周期比與位移比極易超限，指標難以尋找到平衡點。

方案2在U形建筑的端部增設剪力墻，形成少墻框架結構［1］。此方案可以有效增加結構抗扭轉(zhuǎn)剛度與抗側(cè)剛度，可以控制周期比與位移比指標。缺點在于剪力墻會對該位置挑出空間使用造成較大的影響；且剪力墻對剛度貢獻較大，地震力集中，超筋問題難以解決。

方案3在U形建筑的端部增加鋼支撐，形成（少）鋼支撐-混凝土框架結構［2］。此方案可以有效增強結構的抗扭轉(zhuǎn)能力，控制層間位移。支撐布置形式多樣且較為靈活，對空間的影響較小，也可以隱藏在樓梯間等現(xiàn)有隔墻內(nèi)，且鋼支撐不存在剪力墻較難解決的超筋問題。

本項目最終與建筑專業(yè)協(xié)商確定，U形建筑采用增設鋼支撐的方案，結構體系采用（少）鋼支撐-混凝土框架結構，結構設計時進行有支撐與無支撐兩種計算模型的包絡設計，確保結構抗震性能的優(yōu)越性。

2.2 跨河道建筑結構

本項目大圓環(huán)下方有Y形河流穿過，在3條河流上方形成了3個特殊的跨越河道的建筑，其中西側(cè)EF連接體跨度最大達92 m，跨躍河道處跨度約38 m（圖3），現(xiàn)以該處為例進行方案比選。

圖3 EF連接體1層示意圖Fig.3 First storey plan of EF zone

結構設計時結合建筑要求，比選了4種可能的結構方案：方案A，密柱方案；方案B，頂層大梁吊掛方案；方案C，跨層桁架方案；方案D，頂部斜拉方案。4種方案結構計算模型如圖4所示。

圖4 跨河道建筑結構方案Fig.4 Structure scheme of crossing-river building

方案A為常規(guī)結構方案，一層柱距約18 m，柱直徑900～700 mm，上部樓層柱距約8.4 m。二層轉(zhuǎn)換梁截面700 mm×1400 mm，上部樓層梁400 mm×800 mm。此方案在河道內(nèi)設置有結構柱，對建筑效果有一定影響。

方案B在河道兩邊設置直徑1500 mm的V形圓柱，上部樓層柱距約8.4 m，屋頂采用轉(zhuǎn)換大梁吊掛下部結構，轉(zhuǎn)換梁截面為900 mm×2300 mm，吊柱為直徑800 mm的圓柱。此方案結構抗橫向傾覆能力不足，吊柱在配置型鋼的情況下配筋率仍非常大，同時吊掛大梁過大，影響跨河道教學區(qū)的建筑功能。

方案C在1層設置4排共12根柱，上部樓層柱距約8.4 m，在2層利用樓層高度設置轉(zhuǎn)換桁架。柱直徑1200～800 mm，作為桁架弦桿的樓面梁800 mm×1000 mm，桁架斜腹桿截面600 m×600 m，上部樓層梁400 mm×800 mm。此方案受力清晰，傳力合理，不影響相鄰區(qū)域結構布置，結構構件尺寸較小，基本能滿足建筑底層大空間的效果要求，并取得較好的經(jīng)濟性。

方案D設置4排共12根落地柱（邊柱兩排共8根，河道邊兩排共4根），利用河道邊4根落地柱升至屋頂，通過斜拉索吊掛下部結構。

在與建筑專業(yè)及建設單位多次溝通后，本項目跨河連接體采用方案D，在保證結構受力合理的前提下，能達到最好的建筑效果。

3 結構分析與設計

3.1 地震作用下樓板應力分析

本項目建筑平面呈U形，凹凸不規(guī)則程度較高，且存在多處樓板不連續(xù)等情況，需進行地震作用下的樓板應力分析。

樓板作為主要水平抗側(cè)力構件，與豎向抗側(cè)力構件一起形成一個完整的抗側(cè)力體系，在地震過程中將水平力傳遞和分配給豎向抗側(cè)力構件，協(xié)調(diào)同一樓層中豎向構件的變形。在水平地震工況作用下，樓板設計性能目標如下：

（1）小震下樓板混凝土不開裂，即：小震作用下，按使用極限狀態(tài)進行抗裂設計，設計目標為樓板混凝土主拉應力標準值不大于樓板混凝土軸心抗拉強度標準值。

（2）中震下樓板鋼筋不屈服，即：中震和豎向荷載作用下，按承載力極限狀態(tài)進行強度設計，設計目標為受拉區(qū)鋼筋主拉應力設計值不大于鋼筋抗拉強度標準值。

分析表明，加厚大開洞周邊樓板、加大薄弱部位及其上下層樓板厚度，對于較大的洞口均采用梁封邊，控制框架柱截面從上到下截面不變且適當加大框架梁截面等加強措施，能有效增強結構整體性，控制地震作用下樓板應力處于較低水平。

本項目對薄弱部位樓板厚度加厚至150～200 mm，同時對應力集中區(qū)域附加配筋雙層雙向C8@150～C10@100，可滿足樓板“小震混凝土不裂、中震鋼筋不屈服”的性能目標。圖5為地震作用下典型樓板應力計算結果。

圖5 地震作用下典型樓板應力計算結果Fig.5 Results of typical floor stress under earthquake load

3.2 溫度荷載下樓板應力分析

本項目圓環(huán)建筑總周長約1000 m，分縫后結構單元長度最大約200 m，仍遠超《混凝土結構設計規(guī)范》［3］中55 m的限值，屬超長結構，溫度荷載下的樓板應力問題不可忽視。

假定結構后澆帶封閉時的溫度取+10℃～+20℃，本項目所在地環(huán)境溫度最高36℃，最低-4℃，可知使用環(huán)境最大升溫為26℃，最大降溫為-24℃。計算混凝土收縮量時，根據(jù)王鐵夢所著《工程結構裂縫控制》［4］，溫度變化值需考慮混凝土等效收縮降溫的影響，本項目等效收縮降溫為-9.6℃，故計算升溫為16.4℃，計算降溫為-33.6℃。由于降溫溫差大，且降溫時樓板產(chǎn)生拉應力，故以下對降溫工況進行分析。

根據(jù)各樓溫度應力計算結果可知，在降溫工況作用下，地上大部分樓板應力處于2 MPa以內(nèi)，僅有局部區(qū)域應力較大。因此本項目按雙層雙向配置樓板鋼筋，對應力較大的局部區(qū)域附加雙層雙向C8@150鋼筋可抵消溫度應力的不利作用。圖6為降溫荷載工況下典型樓板應力云圖。

圖6 降溫工況典型樓板應力計算結果Fig.6 Results of typical floor stress under temperature load

3.3 跨河道頂部斜拉結構設計

Y形河流上方三處跨河道建筑采用頂部斜拉的結構方案，這是一種較新穎的建筑結構形式，借鑒了斜拉橋結構體系的概念，利用本項目建筑造型中4根屋頂構架立柱作為塔柱，由塔柱向下布置高強度熱鍍鋅鋼絲束，拉索下節(jié)點布置在對應下部樓層的鋼立柱處，以吊掛住下部三層結構。采用此體系結構傳力途徑明晰、受力高效合理，滿足建筑美觀要求、并契合該項目設置屋頂構架的造型特點。

4根河道邊的落地中柱采用截面為1400 mm×40 mm的CFT圓柱，8根落地邊柱采用截面為800 mm×30 mm的CFT方柱，2層及以上非落地柱采用800 mm×30 mm的鋼管柱，各層樓面主梁采用截面為1000 mm×300 mm×20 mm×36 mm的箱型鋼梁，鋼次梁截面為600 mm×200 mm×12 mm×18 mm～400 mm×200 mm×8 mm×14 mm，鋼材強度等級Q390B，拉索采用?7 mm×（109～223）（雙索）高強度熱鍍鋅鋼絲束，公稱抗拉強度不小于1570 MPa。

結構設計時，借鑒了斜拉橋及相關大跨結構的設計與施工經(jīng)驗［5-7］，同時采用SAP2000軟件對本項目獨有的特點進行分析［8］，包括施工階段的詳細分析、拉索初始張拉力的優(yōu)化，針對弧形平面設置面內(nèi)支撐、考慮樓板剛度退化、考慮斜拉索應力松弛，并進行防連續(xù)倒塌分析、考慮活荷載不均勻分布、進行樓蓋振動舒適度分析，確保了整體結構的安全、合理、高效。

3.4 圓環(huán)屋頂構架結構設計

本項目圓環(huán)上方設置有通長屋頂裝飾構架，構架根據(jù)下方結構標高不同，從3層屋面或5層屋面起始，構架頂標高30.66 m。建筑效果要求3層屋面上方近15 m高構架立柱截面需盡可能小，設計時根據(jù)結構布置特點，加強5層屋面上方短小立柱，將3層屋面上方立柱設計為兩端鉸接的搖擺柱（圖7），大大減小了此立柱的內(nèi)力，柱截面可由長細比控制減小為350 mm直徑圓柱，成就建筑纖細之美。

圖7 屋頂構架搖擺柱示意Fig.7 Swing column of roof frame

4 結 語

（1）U形建筑扭轉(zhuǎn)效應嚴重時，可采用增設少量鋼支撐的方式調(diào)整結構剛度，結構設計時對有支撐和無支撐兩種模型進行包絡設計。

（2）大跨建筑可合理利用建筑造型立柱，借鑒斜拉橋的設計思路，采用頂部斜拉結構，設計時應進行針對性分析，確保結構受力安全、合理、高效。

（3）建筑平面不規(guī)則（如凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)等）時，需進行樓板應力分析，對薄弱部位樓板進行針對性加強，確保樓板抗震性能目標滿足規(guī)范要求。

（4）超長結構需進行溫度應力分析，考慮混凝土等效收縮降溫的影響，降溫工況為控制工況，結構設計時需根據(jù)計算結果對溫度應力較大處配置附加鋼筋以抵抗溫度應力的不利作用。

（5）合理設置搖擺柱能有效減小鋼結構立柱的截面尺寸，取得更好的建筑效果。