某大跨度建筑结构设计

　　摘要：在人类社会的发展历程中，能够提供更大跨度和空间的结构常常是人们追求的梦想和目标，空间结构的发展很大程度上反映了人类建筑史的发展。建筑结构设计应正确合理地运用不同的计算理论和程序方法进行精确的分析，同时在建筑结构的形体设计中不能只注重美观，还必须注重结构受力的合理性和工程成本的等因素。
　　关键词：建筑；大跨度；结构；设计；外挑桁架；楼盖
　　一、方案选型
　　工程在初步设计阶段原拟采用如下方案：边跨采用型钢混凝土桁架，屋面采用网架屋面。该方案存在下列问题：①左右外墙端部型钢混凝土构件承受了33.6m跨度的屋面荷载，即使采用型钢混凝土构件，仍然存在荷载大、截面大、安全储备不足等诸多问题；②由于屋面必须用混凝土重载屋面，网架杆件截面大，含钢量也较大，且网架屋面难以实现建筑的整体效果。
　　为了解决上述问题，最终通过在中间另外设置4榀钢筋混凝土斜腹杆桁架，实现结构受力与外形及功能要求的统一。由于采用了6榀桁架联合受力，因此单榀受荷面积的明显减少，采用普通的钢筋混凝土构件就能满足要求。该方案由于上部斜柱框架体系刚度较大，底部仅设置框架柱刚度较小，容易形成薄弱层，因此底层斜柱与地面相交位置布置部分钢筋混凝土剪力墙，提高结构的抗震性能，解决结构上下层刚度突变，屋面采用正交斜放的钢筋混凝土梁板体系能有效地解决屋面板开洞后造成的屋面刚度损失。通过综合比较，该方案不仅可以保证建筑的外立面效果，而且用普通的钢筋混凝土体系解决了大悬挑的难题，大幅度减少了工程造价。
　　二、结构总体计算分析
　　采用空间结构软件SATWE及通用有限元软件MIDAS/GEN进行结构计算分析，设计参数为：建筑安全等级二级，结构重要性系数1.0，结构使用年限50年，设计基准期50年，抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类。主楼框架抗震等级三级，剪力墙抗震等级三级。
　　1.结构动力特性
　　由于6榀钢筋混凝土斜柱框架的存在，结构x，Y向刚度相差较大，结构在地震组合下x向的位移角为1/1802，Y向的位移角则达到了1/9999。因此虽然第二周期为扭转周期，但考虑到工程本身为多层结构，抗扭刚度也较大，在偶然偏心地震力的作用下的扭转位移比为1.34，可满足抗震规范的要求。
　　2.楼层侧向刚度及抗剪承载力验算
　　楼层侧向刚度比及抗剪承载力比见表1，其中。，R为x，Y方向本层的侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者。R，R表示本层的抗剪承载力与上一层的比值。从表中可以看出，通过调整各层的剪力墙的布置、截面厚度，楼层侧向刚度及抗剪承载力均可满足规范要求。
　　三、外挑桁架分析及设计
　　1.外挑桁架结构布置
　　经过计算分析，确定了工程最终的桁架形式及截面。左右外墙桁架（以下简称轴②，⑩桁架）如图1所示。轴⑤，⑦桁架形如图2所示，轴③，⑨桁架如图3所示。
　　2.外挑桁架分析与设计
　　工程钢筋混凝土桁架为整体现浇，且上下弦杆均承受楼面荷载，因此均为拉弯或者压弯构件，桁架的设计采用的是MIDAS/GEN的计算结果。工程在弹性楼板假定下对桁架进行了内力计算及配筋。以下仅以轴③，⑨桁架为例介绍桁架的计算结果。考虑到混凝土桁架的特殊性，桁架节点按刚接计算。表2中分别列出了桁架中受力较大的几根杆件的内力设计值。由表中可见，虽然节点按刚接考虑，各杆件一般仍存在较小的弯矩，这些弯矩主要是由构件自重及作用在其上的荷载引起。桁架上弦杆的轴向拉力较大，考虑到该结构构件为非常重要的承重构件，一旦出现裂缝，内力重分配会影响桁架的整体受力特性。故决定用更严格的抗裂设计原则，裂缝值控制在0.2mm以内进行配筋计算。
　　3.桁架构造及施工
　　桁架是通过节点将各杆件组成整体的，正确处理节点构造是保证桁架质量的关键。为了锚固杆件内的纵向受力钢筋，工程在节点处均应将混凝土截面局部加大。为保证节点混凝土浇筑质量，腹杆中间部分钢筋伸至水平弦杆顶部在水平锚固，角筋伸至水平弦杆底部锚固。
　　四、钢一混凝土组合楼盖设计
　　屋面跨度25.2m，采用钢一混凝土组合楼盖，主钢梁采用H1500×300×25×30焊接型钢，楼板采用C35混凝土浇筑，厚度120mm。为避免组合结构与普通钢筋混凝土楼面连接处因变形相差较大而出现变形裂缝，工程在钢梁支座混凝土楼板与四周楼板交接处均设置宽1000的施工后浇带，待周边混凝土构件达到设计强度并拆模后方进行后浇带混凝土施工。这样可有效释放端部弯矩，避免使用阶段屋面出现变形裂缝。
　　结束语
　　大跨度空间是结构设计中的难点和重点，通过方案比较及优化，该工程采用了6榀钢筋混凝土斜腹式桁架、钢一混凝土组合楼盖实现了建筑方案与结构受力与经济性的统一。通过SATWE和MIDAS/GEN有限元分析计算，对抗震性能及受力配筋进行了校核，保证了结构的安全性及经济性。同时预先考虑了施工中的难点与重点，保证设计意图能在施工环节中得到贯彻及实现。
　　参考文献
　　[1]GB50011—2O10建筑抗震设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社.2010.
　　[2]GB50010-2010混凝土结构设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社，2011.
　　[3]北京迈达斯技术有限公司.MIDAS/GEN分析与设计原理[M]，2010.