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某三層綜合樓的結構計算與設計探究

時間:2020-03-24 13:17作者:余正路
本文導讀:這是一篇關于某三層綜合樓的結構計算與設計探究的文章,結構工程師需要充分了解各種結構形式的力特性,關鍵位置和關鍵組成部分。針對一些比較復雜的工程,要對其結構特性進行分析總結,通過一些目的性比較強的措施來對計算模型進行優化,整體而全面的了解問題進而解決問題

  摘    要: 某三層綜合樓采用現澆框架混凝土結構,本項目建筑功能比較綜合,包含有游泳池、健身大廳、兒童樂園、西餐酒吧、茶室、設備層等;根據建筑功能,難點主要包含有建筑功能不規整、結構布局比較復雜、層高約6m、跨度比較大、屋面覆土1.1m,荷載比較大;以及設計過程中結構計算和構造措施。

  關鍵詞: 綜合樓; 結構設計; 大跨度;
 

某三層綜合樓的結構計算與設計探究
 

  1、 工程概況

  本工程的綜合樓整體建筑面積為2500m2,綜合樓的高度是15.1m;其為多層建筑,包括三層,地上為兩層,地下為一層,地下的建筑是設備用房,地上的兩層公共建筑;建筑首層層高6.0m,二層層高5.8m,設備層層高2.7m,建筑功能比較復雜,包含有游泳池、健身大廳、兒童樂園、西餐酒吧、茶室、設備層等。室內泳池平面如圖1所示,建筑剖面圖如圖2所示。

  圖1 室內泳池平面
圖1 室內泳池平面

  圖2 剖面
圖2 剖面

  該綜合樓框架柱截面主要為500mm×500mm、400mm×400mm、800mm×800mm;框架梁截面主要為300mm×600mm、300mm×800mm、300mm×1000mm、600mm×1100mm;框架跨度主要為7.2m、12.0m、18.0m;活荷載主要為3.5kN/m2;水池活載為16kN/m2;屋頂的覆土恒載為22kN/m2。綜合樓結構的安全等級是II級,建筑抗震設防類別是標準設防類。該地區的抗震設防烈度是Ⅵ度,第一組。地震加速度為0.05g。四級的框架的抗震,局部抗震等級為三級。基本風壓為0.35kN/m2,強度為C30的混凝土,鋼筋等級是HRB400,填充墻選擇質量較輕的加氣混凝土[1]。表1顯示了建筑物的抗震設防類別等一些基本參數,圖3為主要樓層結構平面布置圖。

  2、 結構整體計算

  建筑結構通過satwe軟件進行分析和整體計算,其中地下室的頂板作為計算的嵌固端。因為該建筑比較高,有計算長度比較大的框架柱,在進行整體計算時,需要考慮重力的二階效用可能產生的影響[2]。計算的結果表明,因為框架梁在跨度方面大小不一,結構受力截面和配筋相差較大,結構模型圖如圖4所示。

  表1 建筑抗震設防類別及標準設防類
表1 建筑抗震設防類別及標準設防類

  圖3 結構平面布置
圖3 結構平面布置

  圖4 結構模型
圖4 結構模型

  3、結構設計

  3.1、 結構布置選型

  3.1.1、 基礎選型

  基本設計選型合理與否與整個綜合樓的安全性以及投資密切相關。所以,選擇合適的基礎設計非常關鍵。

  (1)為了降低投資,基本類型要按照地質資料進行合理選擇。由于地質數據作為基礎設計的關鍵基礎,所以基礎設計需要仔細分析地質報告,特定問題和特定分析,為了減少因盲目選型出現浪費的情況,對于基礎類型也要進行合理選擇。本工程采用的基礎形式為淺基礎,并根據規范要求執行變形檢查計算[3]。

  (2)后澆帶的設置。如果地基出現不均勻的沉降,會導致墻面出現裂縫,為了避免這種狀況,可能需要設置后澆帶。本工程長寬為50m×40m,由于基礎與地庫連接結構長度超過《混凝土結構設計規范》(2015版)設計要求,本工程在底板中間部分設置一道后澆帶,地上部分建筑寬度滿足規范要求不設置后澆帶。

  3.1.2、 承重結構的選型

  因為公共建筑的第一層為泳池等用于商業服務,所需空間相對較大,所以,將框架結構運用到第一層建筑的承重結構中,建筑上面的隔墻采用加氣混凝土,這樣進行設計更加的經濟,而且要從建筑物的強度和穩定性來考慮結構的選擇,更重要的是要適用且經濟。

  有兩種類型的框架結構,一個是內部框架,另一個是完整框架。所謂的內部框架是不具有側支柱和中支柱的框架,并且框架的梁端由外壁支撐。這種結構具有以下缺點:(1)因為鋼筋混凝土的彈性模量不同于磚的彈性模量,所以柱形基礎和墻基礎的沉降可能會不均勻,并且可能會出現不均勻的沉降,并且會產生較大的附加應力應用于內部框架。墻壁很容易開裂。(2)梁由墻支撐,整體剛度低。(3)傳遞力不清楚,風荷載水平力僅由外壁承受,不能傳遞到框架。通常,對于不超過3層的不考慮風荷載的建筑物,可以考慮內部框架的結構形式。否則必須使用完整的框架結構[4]。

  進行框架設計時,盡可能減少中間支柱的數量,以方便空間擴展,并且經濟且易于使用。而且常規的框架結構中具有大開間,施工方便的優勢,滿足絕大多數的公共建筑使用功能的要求。

  3.2 、大跨度結構設計

  (1)大跨度設計難點。

  按照傳統的設計經驗,當跨度超過20m時,很難控制普通混凝土結構梁的撓度和裂縫寬度。為了能夠滿足撓度以及裂縫寬度檢查計算,大跨度梁在設計梁的高度通常超過了柱的橫截面高度,并且鋼筋由裂縫寬度控制,從而導致線剛度可以大于框架行。這使得容易形成“強梁和弱柱”,并且違反了“強柱和弱梁”的抗震設計原理。因為本項目中大跨度地板的平整地板尺寸較大,而梁高比較低,因此地板舒適性問題也需要注意[5]。

  (2)結構布置。

  在一樣的載荷下,不一樣的結構布置也會導致不一樣的內力以及變形響應。合理的荷載傳遞,良好的荷載性能,便捷安全的施工都是決定結構布局有效性的因素。為了了解具有不同結構布置的單個建筑物的空間性能以及經濟指標,建立了具有不同結構布置的結構模型,對配筋和內里進行了分析計算,為這種類型的結構找到最佳的布局。

  按照主梁的尺寸差異和預應力梁的布局設置,一共有兩種方案,如下:

  (1)單向雙次梁方案:混凝土梁平行于長跨度方向,切垂直于短邊方向。這種方案具有較少的鋼筋,并且更易于施工,且本方案在設計過程中考慮梁上翻設計,充分滿足泳池上空大開間的建筑使用功能。在設計時考慮大跨度和屋面溫度應力對整體結構的不利影響,采用施工過程中預先起拱的施工工藝,解決梁撓度過大的問題;此外對于大跨度屋面,采取提高板鋼筋的配筋率,且雙層雙向配置鋼筋,充分考慮混凝土收縮過程中產生的裂縫問題。從經濟和使用方面考慮,本方案比較適合本工程。

  (2)雙向井字梁方案:雙向井字梁結構經過調整和變形,作用力會更加的合理。另一方面,井字梁還具有撓度小、光束橫截面較小和剛性較高的優點[6];雙向井字梁方案中的鋼筋數量大,不方便施工,增加了成本,從經濟方面考慮不適用本工程。

  大跨度屋面結構采取的加強措施:

  (1)混凝土的選擇。

  對混凝土的原材料進行嚴格控制,進行材料選擇時要多考慮其性能是否滿足需求,盡可能的降低水化熱,減少混凝土的收縮。如果條件滿足,減量選擇Ⅰ級粉煤灰的混合物,并且使用減水率超過18%的泵送劑,不要使用高鈣粉煤灰,水泥必須使用礦渣硅酸鹽低水化熱水泥。為了保證混凝土的抗開裂和抗滲透效果,必須限制混凝土的膨脹率。

  (2)縱向鋼筋構造措施。

  對于熱應力有顯著影響的組件,必須對該區域進行加強,來提高混凝土的抗裂性以及最大抗拉強度。例如,地下室的頂層,第一層的頂層和屋頂板受溫度變化的影響很大,板鋼筋采用雙層雙向拉通設置;且在大跨度位置梁鋼筋采用通常鋼筋,按照規范要求配置抗扭腰筋,在滿足計算的前提條件下,適當予以加強配筋提高安全儲備。

  (3)增強結構抗扭剛度措施。

  建筑物的復雜平面,變化的空間,立面的不規則布局以及大跨度結構,結構扭曲問題更加突出。盡管該項目是多層建筑,但考慮到其重要性,在設計過程中盡量滿足周期比小于0.9的要求。設計包括拐角處的框架梁、框架柱等,增加外部框架梁的寬度以及高度,對建筑結構的扭曲以及橫向的剛度進行了增強,降低了在地震發生時的扭力。

  (4)框架梁柱結構模型中加強的措施。

  由于梁跨度大于18m,在設計過程中充分考慮梁在計算過程中可能遇到的梁截面較大,框架柱寬度相對較小,為滿足基本結構概念設計要求,對結構框架柱截面予以大;從《建筑抗震設計規范》上考慮,對于大跨度框架處梁柱采取提高抗震等級的措施。

  (5)施工過程中注意事項。

  建筑物大跨度屋面處,由于梁截面和板厚的加強,在施工過程中尤其注意施工完成早期養護,控制混凝土骨料的選擇,濕度和溫度等應該防止混凝土收縮產生裂縫。

  4 、結論與建議

  通過工程設計實踐,在結構設計方面獲得了深厚的經驗,并有了一些新見解。

  (1)現階段施工方案復雜多變,項目的結構影響過于集中。設計師在規劃階段要注意結構性問題,按照建筑物的用途以及設計時的建筑高度來進行結構體系的選擇,適當設計建筑物的平面形狀和形狀,以達到建筑物美觀,安全的目的。

  (2)結構工程師需要充分了解各種結構形式的力特性,關鍵位置和關鍵組成部分。針對一些比較復雜的工程,要對其結構特性進行分析總結,通過一些目的性比較強的措施來對計算模型進行優化,整體而全面的了解問題進而解決問題。

  (3)要經常關注該領域在國內外的技術發展,要保證自己處于技術潮流的前沿,不斷學習吸收新的技術和成果,了解新的結構形式,慢慢的進行知識的積累。根據需要適當打破規格限制,或在適用的情況下提出創新的理論和技術措施,并大膽地將其用在工程實踐里去。

  參考文獻

  [1] 郭珉,劉彥泉,管海梅,等.某綜合樓結構設計淺析[J].建筑技術,2011,42(2):163-166.
  [2] 高勇.西南林業大學教學綜合樓隔震分析與設計[J].工程建設與設計,2018(9):46-48,51.
  [3] 侯曉萌,王英,鄭文忠.桃山綜合樓結構設計[J].低溫建筑技術,2005(5):39-41.
  [4] 王春光,尤天直,羅宏淵,等.鼎固科貿綜合樓結構設計[J].建筑結構,2006(s1):165-168.
  [5] 王芳,尹華鋼,屠曉泉,等.某超限商住兩用綜合樓結構設計[J].建筑結構,2007(4):89-91.
  [6] 肖德周,李盛勇.渤海銀行業務綜合樓結構設計[J].廣東土木與建筑,2012(5):3-8.

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