台州某商业广场超长结构及大悬挑设计_苗伟.pdf

台州某商业广场地上 4 层,地下 2 层,结构高度 23.7m。地下室全长 310m 不设伸缩缝,地上东西向长286.2m,南北向长 90.9m,仅根据建筑功能在中间设置一道防震缝兼伸缩缝,其中西侧长度 184.5m,东侧长度101.7m。项目东北角主入口处因造型及功能需要设置双向 25.5m 钢桁架大悬挑,同时内中庭及南侧二层外廊存在多处托柱转换及大跨度。简要介绍了项目的结构体系、基础形式,重点介绍了超长结构温度作用计算过程,并指出了型钢混凝土与普通混凝土超长结构在温度荷载作用下计算方法的不同之处以及相应的处理办法。此外,对主入口大悬挑钢桁架进行了详细的计算对比分析,并进行了防倒塌设计,确保了大悬挑结构的经济性和安全性。关键词:超长结构;温度作用;大悬挑桁架;型钢混凝土 中图分类号:TU318 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)13-0057-05引用本文 苗伟.台州某商业广场超长结构及大悬挑设计J.建筑结构,2023,53(13):57-61,78.MIAO Wei.Design of super-long structure and large cantilever of a commercial plaza in TaizhouJ.Building Structure,2023,53(13):57-61,78.Design of super-long structure and large cantilever of a commercial plaza in Taizhou MIAO Wei(Zhejiang Green City Architectural Design Co.,Ltd.,Xiamen Branch,Xiamen 361008,China)Abstract:The commercial plaza in Taizhou has four floors above ground and two floors underground,whose height is 23.7 meters.The basement length of this plaza is 310 meters without expansion joints.For the above ground of this plaza,whose east-to-west length is 286.2 meters and north-to-south length is 90.9 meters,there is only one seismic joint which is doubled expansion joint in the middel according to the building function.There are 184.5 meters for the west side of the seismic joint and 101.7 meters for the east side.The main entrance of the northeast corner of the plaza set a two-side 25.5 meters steel truss cantilever because of the architectural figure and functional requires.At the same time,there are many columns conversion and large-span in the inner atrium and the second floor corridor on the south side.The structure system and foundation type of the plaza was briefly introduced,the calculation process of super-long structure thermal action was highlighted and the differences of the analytical method between super-long steel reinforced concrete structure and ordinary concrete structure under temperature load were narrated,also the corresponding treatment method was given.Meanwhile,the large cantilever steel truss at main entrance was calculated and analyzed in detail,and the anti-collapse design was adopt to ensure the economy and safety of the large cantilever structure.Keywords:super-long structure;temperature load;large cantilever truss;steel reinforced concrete 1工程概况 台州某商业广场项目(图 1)位于浙江省台州市黄岩新前城市新区,是一座集商业零售、餐饮、超市、电影院等多功能为一体的大型城市商业综合体。项目总建筑面积约 53 000m2,一层主要商业业态为时尚、服装、运动精品主力店和零售,二层为儿童游乐、家具主力店和零售,三层为餐饮和影院,影院设置 9 个厅,其中一个为 IMAX 厅。东侧局部四层,为餐饮和影院的技术层。地下一层设置一个3 300m2左右的精品超市,其余为机动车停车库和设备用房,局部设置夹层作为非机动车库使用。其中地下一层层高 5.7m,局部 6.6m,地下二层层高3.9m;一层层高 5.7m,二四层层高均为 5.4m,局部 IMAX 厅层高 7.7m。图 1 项目效果图建 筑 结 构2023 年工程拟建场地抗震设防烈度为 6 度,设计基本地震加速度 0.05g,设计地震分组第一组,场地类别类。本工程设计使用年限 50 年,抗震设防类别为重点设防类,建筑结构安全等级为一级。50 年一遇基本风压 0.55kN/m2,地面粗糙度类别 B 类,50 年一遇基本雪压 0.3kN/m2。2结构设计概述 上部结构采用现浇钢筋混凝土框架结构,内中庭大跨度和大悬挑相关框架梁柱采用型钢混凝土,框架抗震等级三级,局部跨度大于 18m 框架抗震等级取为二级。主入口处 25.5m 大悬挑采用钢桁架,钢桁架抗震等级取三级。地基基础设计等级甲级,桩基设计等级甲级。场地典型地质剖面如图 2 所示。依据地勘报告,采用钻孔灌注桩,以圆砾层或2圆砾层作桩基础持力层,桩端进入持力层深度3d(d 为桩径)。根据主体模型计算结果,大多数柱下轴力的荷载标准组合值约 10 000kN,桩基初步设计时桩端持力层取为2圆砾层,直径 800mm 钻孔灌注桩单桩抗压承载 力 特 征 值 3 800kN,抗 拔 承 载 力 特 征 值1 000kN,大多数柱下采用三桩,布桩富余系数可以控制在 1.14 左右,相对经济合理。施工图阶段经比较分析,持力层改为圆砾层,采用桩端后注浆工艺1后,根据试桩结果单桩承载力不变的前提下,平均桩长减少了 13m,项目的桩基土建成本因此降低了 220 多万元。图 2 工程地质剖面图典型结构平面布置图(图 3)中,内中庭每侧悬挑 58m,二层南侧露台悬挑 57.2m,二四层内中庭连接廊桥处跨度大部分为 18m 左右,最大处跨度 19.3m。建筑专业净高要求首层不小于 3.9m,其余层不小于 3.6m,因此结构专业梁高必须控制在900mm 以内。本项目结构经过比较预应力方案、组图 3 典型结构平面布置图合结构方案以及密肋梁方案,最终相关部位框架梁柱采用了型钢混凝土构件以解决配筋和挠度较大问题,大部分梁高控制在 900mm 以内。个别挠度超规范部位与建筑及设备专业协商后改变暖通风管走向,主梁根部截面高度加高至 1 200mm,并内设H9003002030 型钢,避开暖通主风管,保证净高满足建筑专业的净高要求。3超长结构设计分析 本项目地下室全长 310m 不设伸缩缝,地上东西向长 286.2m,南北向长 90.9m,地上部分根据建筑功能及立面效果要求仅设一道防震缝兼伸缩缝。两侧结构形式均为现浇框架结构,主要框架柱截面尺寸 800800(部分内含型钢),主要框架梁截面尺寸 300800、400900 和 5001 200(部分内含型钢),内中庭廊桥及电梯井周边楼板厚度 150mm,其余楼板厚120mm。伸缩缝西侧结构长度184.5m,伸缩缝东侧结构长度 101.7m,远超规范对于框架结构55m 的长度限制,温度应力的影响必须考虑。本工程分两个部分考虑温度应力的计算。首先,依据建筑结构荷载规范(GB 500092012)2计算温度变化对结构的影响。依据建筑结构荷载规范(GB 500092012)附录 E,台州市最高基本气温36,最低基本气温-2;夏季室内温度考虑空调影响偏保守取 20,冬季室内温度取 25,则计算可知夏季结构平均温度为 28,冬季结构平均温度为13.5。地下室结构温度变化相对较小,夏季和冬季平均温度均取为 20。由于结构后浇带合拢时间受较多因素影响,无法确定,因此结构合拢温度分别取冬季合拢温度 15和夏季合拢温度 25。其次,本工程结构不设缝长度超出规范较多,混凝土自身收缩引起的应力也必须进行考虑,参考85第 53 卷 第 13 期苗 伟.台州某商业广场超长结构及大悬挑设计王铁梦教授工程结构裂缝控制及相关论文3-6,将混凝土收缩模拟为温降工况进行计算。根据工程结构裂缝控制,标准状态下结构最终收缩量 0y以结构相对收缩变形表达为:0y()=3.24 10-4(1)考虑后浇带封闭时间不早于 90d,依据低配筋混凝土任意时间的收缩公式:y(t)=0yM1M2 Mn(1-e-bt)(2)式中相关参数定义及取值见工程结构裂缝控制。根据公式(2),浇筑 90d 后结构相对收缩变形y(90)=2.23 10-4,90d 后剩余混凝土收缩量为1.0110-4,混凝土线膨胀系数 c取 110-5,因此可得出混凝土收缩等效为降温约-10。按地下室、中间结构层、屋顶层三段输入不同的温度作用。1)地下室结构层输入:温升 20-15=5,温降20-25-10=-15;2)中间结构层输入:温升 28-15=13,温降 13-25-10=-22;3)屋顶层输入:温升 36-15=21,温降-2-25-10=-37。主要计算软件采用 YJK 结构设计软件。计算温度作用时,楼板单元分别采用弹性板 6 和弹性膜(改进膜元)进行比较,同时采用 MIDAS Gen 进行对比复核,相应楼板应力云图见图 4。结果显示三个模型计算得到楼板应力基本一致。此外,对比三个模型的楼板配筋结果也基本一致。因此,采用 YJK软件的弹性板 6 或者弹性膜可以较为准确地模拟温度作用。由于考虑弹性板 6 时梁配筋一般偏小,故最终本项目采用 YJK 软件的弹性板 6 模型和刚性板模型包络结果进行楼板配筋设计。分析结果还表明,温度作用除了对楼板应力和配筋有较大影响外,对竖向构件的水平变形和内力也有决定性的影响。在温降工况下,结构 X 向端部典型柱 X 向收缩位移约 22mm,远远大于 X 向地震作用下的 3.4mm 和 X 向风荷载作用下的 0.33mm。表 1 列出各工况下 X 向端部型钢混凝土柱顶内力标准值。可以看出,温升和温降工况下框架柱的剪力和弯矩明显大于其他工况,对框架柱配筋起控制作用,与各工况下的结构变形情况相符。另外在配筋设计中笔者发现,对于类似位置的型钢混凝土柱和普通混凝土柱,在柱底、柱顶内力组合值均基本相等的情况下,型钢混凝土柱 X 向(结构长度方向)配筋反而远远大于普通混凝土柱,如图 5、6所示,图中数据含义见 YJK 软件技术手册7。通过查看构件详细计算书并与 MIDAS 软件计算结果对比发现,YJK 软件默认在计算混凝土构件配筋时考虑混凝土收缩徐变效应把温度应力乘以图 4 二层楼板应力云图/(N/mm2)图 5 柱内力组合值结果图 6 柱配筋计算结果0.3 的折减系数,而对钢构件则没有此项折减。由于程序默认型钢混凝土组合构件按钢构件考虑未进行折减,导致同样的内力和变形作用下,型钢混凝土构件在变形较大的 X 向配筋远大于普通混凝土构件。笔者认为,型钢混凝土结构不同于纯钢结构,其型钢构件包裹在混凝土中,钢材与混凝土的线膨胀系数比较接近,且结构水平楼板构件均为普通混凝土结构,型钢混凝土结构显然也应该考虑混凝土徐变效应对温度应力的折减作用。通过修改YJK 软件前处理参数中荷载组合中温度应力的组合95建 筑 结 构2023 年 表 1 X 向端部型钢混凝土柱顶内力标准值柱号工况Vx/kNVy/kNN/kNMx/(kNm)My/(kNm)柱 1恒载54.11.9-2 081.4155.7-209.7活载15.40.4-458.517.0-57.0X 向地震作用92.8-37.0-334.7-33.5-107.1Y 向地震作用5.4181.6364.7152.0-11.6温升738.530.1-97.7-75.7-1 527.5温降-1 301.2-53.1172.1133.42 691.2柱 2恒载53.3244.2-3 572.21 122.4-208.7活载3.716.8-956.083.1-12.5X 向地震作用113.9-42.5375.8-63.5185.5Y 向地震作用-7.4202.6439.1249.917.9温升727.391.0282.362.8-1 620.2温降-1 281.5-160.4-497.4-110.72 854.7 注:Vx为 X 向剪力,沿 X 轴正向为正;Vy为 Y 向剪力,沿 Y 轴正向为正;N 为轴力,向上为正;Mx为 X 向弯矩,矢量方向沿 X 轴正向为正;My为 Y 向弯矩,矢量方向沿 Y 轴正向为正。值系数使得型钢混凝土柱与普通混凝土柱均能考虑上述折减。考虑折减后的计算结果更加合理并与实际相符。除了计算中对温度应力的考虑,本工程在构造措施上采取了以下措施:(1)严格控制各层楼板后浇带间距在 35m 以内,后浇带做法采用受力钢筋断开与附加筋绑扎搭接的做法以释放两侧混凝土收缩变形。同时明确后浇带合拢时间不得少于 90d,合拢温度不得超过25,每道后浇带合拢前均必须由五方责任主体签字确认后方可施工。(2)严格控制原材料质量:设计说明中明确要求采用低水化热水泥,如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等,并应当添加膨胀剂,对膨胀剂掺量和性能均给出量化要求。同时,对粗、细骨料含泥量、混凝土水胶比、混凝土坍落度等均提出更严格的要求。(3)楼板配筋除按照温度应力计算结果包络配筋外,还满足 0.25%的最小配筋率并双层双向布置。对洞口周边部位和长边端部等重要部位最小配筋率提高到 0.3%。(4)要求施工单位制定针对性的施工方案并邀请相关方面专家进行论证后方可施工,特别是混凝土的配合比方案、混凝土浇筑温控方案和养护方案等。4大悬挑桁架设计分析 本项目在东北角主入口处二层挑空,三层建筑功能为影院大厅,四层挑空,五层为屋面。建筑方案初期为东向悬挑 36m、北向悬挑 25.5m,经配合协商后调整柱位,将东向悬挑长度缩减为 25.5m,最终结构形成双向悬挑 25.5m。方案设计阶段采用 3D3S 软件计算时,悬挑部分单独拿出作为子模型进行单独计算分析,并带入主模型进行整体计算复核。通过计算发现,整体模型中悬挑桁架部分的竖向变形明显大于子模型的最大竖向变形。分析主要原因是因为子模型桁架支座采用固定支座,而实际悬挑桁架与框架结构相连,框架结构的变形会对桁架变形有影响。为保证结构安全度,后期采用 3D3S 和 YJK 整体模型和3D3S 的子模型进行包络设计。初步设计阶段分别采用两层各自独立的单层桁架、两层通高双层桁架、两层通高单层桁架、底部结合建筑造型加 V 形柱、底部无柱五种结构体系(分别为方案 1方案 5,见图 7)进行试算比较,主要计算结果见表 2。图 7 桁架结构方案示意06第 53 卷 第 13 期苗 伟.台州某商业广场超长结构及大悬挑设计表 2 桁架结构方案对比结果方案概况主要杆件尺寸/mm最大应力比最大竖向位移/mm平面内角部用钢量/t方案 1方案 2方案 3贯通柱两层各自独立的单层桁架桁架高度1 500应力比严重不满足两层通高的双层桁架弦杆高度1 200、腹杆截面5003000.9534.812.86153.51两层通高的单层桁架弦杆高度1 200、腹杆截面6004000.9834.810.41156.43方案 4V 形柱两层通高的单层桁架弦杆高度1 200、腹杆截面6004000.9936.718.41160.29方案 5无柱两层通高的单层桁架弦杆高度1 600、腹杆截面600400、支座截面8004000.8336.227.14168.53 其中,方案 1 采用一根贯通柱加两层各自独立的单层桁架,因桁架高度不足,计算应力严重超限,故此方案行不通。方案 2 采用一根贯通柱加两层通高的双层桁架,此方案双层桁架的构件截面较小,桁架平面外的稳定性较强,整体结构的冗余度高,总用钢量最小,但是对建筑专业的视野影响较大,建筑难以接受。方案 3 在方案 2 的基础上采用两层通高的单层桁架,取消中部弦杆及竖腹杆,加强斜腹杆,有效地解决了建筑专业的视野问题。用钢量较方案 2 略有增加。方案 4 在方案 3 的基础上,将单根贯通柱改为稍具建筑造型的 V 形柱。与方案 3相比,方案 4 整体指标上并无明显优势。方案 5 在方案 3 的基础上直接将底层贯通柱取消,采用悬挑桁架的形式,其中对建筑视野影响较大的东侧采用单斜杆,南侧则加强为交叉斜杆,并将上下弦杆、斜腹杆均向内延伸一跨对桁架支座进行加强。方案 5的用钢量较方案 3 仅增加 8%左右,但构件最大应力比控制在 0.85 以下,具有一定的安全储备8-9。此外,底层贯通柱的取消极大程度地满足了建筑底部架空的需求。最终与建筑及甲方达成一致,采用方案 5。由于本工程悬挑长度较大,参考高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32010)第 4.3.14 条,采用振型分解反应谱法进行了竖向地震作用计算,杆件应力和变形均满足规范要求。根据高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 992015)10第 3.9.1 条要求,安全等级为一级的高层民用建筑钢结构应满足抗连续倒塌概念设计的要求,有特殊要求时,可采用拆除构件方法进行抗连续倒塌设计。本项目虽然不属于高层结构,但是抗震设防类别为重点设防类,相应的安全等级为一级,且东南角主入口采用双向钢结构桁架大悬挑结构,结构冗余度较低,因此采用建筑结构抗倒塌设计规范(CECS 392 2014)11中的拆除构件法对大悬挑桁架进行抗连续倒塌设计。设计中分别拆除东侧三根斜腹杆,采用弹性静力方法进行建筑结构抗连续倒塌计算12。分析结果表明,剩余结构构件组合的内力设计值均小于剩余结构构件的承载力设计值,其中拆除支座斜腹杆时剩余构件应力比最大,接近 1,但仍满足抗连续倒塌设计要求。5结论 (1)灌注桩后注浆工艺经过很多年的发展,施工工艺成熟可靠,在上覆土层有较好的硬持力层,尤其是中粗砂、卵石、碎石层时,摩阻力提高系数较高,采用后注浆工艺具有较好的经济效益。(2)超长结构由于温度变化产生的温度应力和温度变形不可忽略。对于楼板而言,当计算温度应力时,可采用弹性板 6,同时考虑温度作用和其他荷载作用同时组合进行结构计算,并最终采用弹性板6 和刚性板的模型包络进行设计。(3)现行规范并未对组合结构的温度作用计算有明确规定。本文参考相关文献研究,并进行计算对比分析发现,对型钢混凝土柱中型钢的温度应力可以近似参照普通混凝土结构的有关规定进行相应的折减计算,折减后的结果更加合理并与实际情况相符。(4)主入口钢结构在设计阶段进行了多种方案比选,采用无柱的两层通高单层桁架的结构形式,在用钢量增加不多的前提下,简化了结构体系,既控制了构件的最大应力水平,保证大悬挑结构的安全性,又满足了建筑功能及立面造型的需求,而且减少了对架空空间的影响,总体结构更具美学效果。参考文献 1 苗伟.冲钻孔灌注桩后注浆在工程中的实际应用及技术探讨J.福建建筑,2013,(1):80-82,95.2 建筑结构荷载规范:GB 500092012S.北京:中国建筑工业出版社,2012.(下转第 78 页)16建 筑 结 构2023 年持力层;桩径 400mm,桩长约 20m,竖向承载力特征值 1 200kN,桩间距 3.0m3.0m。弱桩网复合地基(图 20(b)适用于0.00 标高以上 5m 以下区域,刚性桩以层中粗砂作为桩端持力层;桩径 400mm,桩长约 14m,竖向承载力特征值 600kN,桩间距 3.0m3.0m。有限元模拟计算结果表明,无地基处理的环梁下桩顶水平侧移 70cm,场心最大沉降 40cm;地基处理后环梁下桩顶水平侧移 5cm,场心最大沉降 4cm;该地基处理方案可减小 80%90%的沉降。6结语 拱形桁架以及单层网壳结构在重力荷载及其他荷载下均会产生一定的竖向以及水平推力。通过支座型钢混凝土梁有效平衡该水平力,同时采用多模型多工况包络设计准确分析上、下部结构及桩基础的受力,保证整体结构安全可靠。单层网壳的汇交杆件截面尺寸一样,所有汇交杆件不在一个平面内,并且必须刚接才能保证结构安全稳定,同时建筑对此节点的外观要求高,采用特殊的节点设计及精细的有限元分析可满足以上需求。通过分级控制钢结构的应力比,以达到性能化设计的目标,满足经济性和合理性的要求。温室馆内景观堆土高度较高,填土下覆淤泥质土,景观堆土沉降变形产生的附加应力不仅对附近的被动桩产生不利的水平推力,同时会导致室内场心产生较大沉降。为避免土体推力产生的水平剪力直接传递到支承大跨度钢结构屋盖的桩基上,在两侧环梁往内两跨范围内设置结构刚性混凝土板+管桩。其他区域采用桩网复合地基方式来减小地基变形沉降的不利影响。参考文献 1 薛慧立,甘明,柯长华,等.单层网壳结构弹塑性稳定性和优化设计研究 J.建筑结构,2008,38(1):105-110.2 建筑桩基技术规范:JGJ 942008S.北京:中国建筑工业出版社,2008.3 中国建筑科学研究院.青岛伊甸园项目风洞测压实验报告R.北京,2020.4 中国建筑科学研究院.青岛东方伊甸园项目等效静力风荷载研究报告R.北京,2020.5 空间网格结构技术规程:JGJ 72010 S.北京:中国建筑工业出版社,2010.6 钢结构设计规范:GB 500172017S.北京:中国建筑工业出版社,2018.7 龚恺.某异型单层网壳结构分析J.建筑结构,2022,52(S2):556-560.8 青岛市勘察测绘研究院.东方伊甸园 A 地块(热带雨林馆)岩土工程勘察报告R.青岛,2021.(上接第 61 页)3 王铁梦.工程结构裂缝控制M.北京:中国建筑工业出版社,2017.4 吴雨璇,范重,牟在根.超长框架结构地下部分温度作用分析C/第二十届全国现代结构工程学术研讨会论文集.石家庄,2020:43-48.5 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