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某三层综合楼的结构计算与设计探究

时间:2020-03-24 13:17作者:余正路
本文导读:这是一篇关于某三层综合楼的结构计算与设计探究的文章,结构工程师需要充分了解各种结构形式的力特性,关键位置和关键组成部分。针对一些比较复杂的工程,要对其结构特性进行分析总结,通过一些目的性比较强的措施来对计算模型进行优化,整体而全面的了解问题进而解决问题

  摘    要: 某三层综合楼采用现浇框架混凝土结构,本项目建筑功能比较综合,包含有游泳池、健身大厅、儿童乐园、西餐酒吧、茶室、设备层等;根据建筑功能,难点主要包含有建筑功能不规整、结构布局比较复杂、层高约6m、跨度比较大、屋面覆土1.1m,荷载比较大;以及设计过程中结构计算和构造措施。

  关键词: 综合楼; 结构设计; 大跨度;
 

某三层综合楼的结构计算与设计探究
 

  1、 工程概况

  本工程的综合楼整体建筑面积为2500m2,综合楼的高度是15.1m;其为多层建筑,包括三层,地上为两层,地下为一层,地下的建筑是设备用房,地上的两层公共建筑;建筑首层层高6.0m,二层层高5.8m,设备层层高2.7m,建筑功能比较复杂,包含有游泳池、健身大厅、儿童乐园、西餐酒吧、茶室、设备层等。室内泳池平面如图1所示,建筑剖面图如图2所示。

  图1 室内泳池平面
图1 室内泳池平面

  图2 剖面
图2 剖面

  该综合楼框架柱截面主要为500mm×500mm、400mm×400mm、800mm×800mm;框架梁截面主要为300mm×600mm、300mm×800mm、300mm×1000mm、600mm×1100mm;框架跨度主要为7.2m、12.0m、18.0m;活荷载主要为3.5kN/m2;水池活载为16kN/m2;屋顶的覆土恒载为22kN/m2。综合楼结构的安全等级是II级,建筑抗震设防类别是标准设防类。该地区的抗震设防烈度是Ⅵ度,第一组。地震加速度为0.05g。四级的框架的抗震,局部抗震等级为三级。基本风压为0.35kN/m2,强度为C30的混凝土,钢筋等级是HRB400,填充墙选择质量较轻的加气混凝土[1]。表1显示了建筑物的抗震设防类别等一些基本参数,图3为主要楼层结构平面布置图。

  2、 结构整体计算

  建筑结构通过satwe软件进行分析和整体计算,其中地下室的顶板作为计算的嵌固端。因为该建筑比较高,有计算长度比较大的框架柱,在进行整体计算时,需要考虑重力的二阶效用可能产生的影响[2]。计算的结果表明,因为框架梁在跨度方面大小不一,结构受力截面和配筋相差较大,结构模型图如图4所示。

  表1 建筑抗震设防类别及标准设防类
表1 建筑抗震设防类别及标准设防类

  图3 结构平面布置
图3 结构平面布置

  图4 结构模型
图4 结构模型

  3、结构设计

  3.1、 结构布置选型

  3.1.1、 基础选型

  基本设计选型合理与否与整个综合楼的安全性以及投资密切相关。所以,选择合适的基础设计非常关键。

  (1)为了降低投资,基本类型要按照地质资料进行合理选择。由于地质数据作为基础设计的关键基础,所以基础设计需要仔细分析地质报告,特定问题和特定分析,为了减少因盲目选型出现浪费的情况,对于基础类型也要进行合理选择。本工程采用的基础形式为浅基础,并根据规范要求执行变形检查计算[3]。

  (2)后浇带的设置。如果地基出现不均匀的沉降,会导致墙面出现裂缝,为了避免这种状况,可能需要设置后浇带。本工程长宽为50m×40m,由于基础与地库连接结构长度超过《混凝土结构设计规范》(2015版)设计要求,本工程在底板中间部分设置一道后浇带,地上部分建筑宽度满足规范要求不设置后浇带。

  3.1.2、 承重结构的选型

  因为公共建筑的第一层为泳池等用于商业服务,所需空间相对较大,所以,将框架结构运用到第一层建筑的承重结构中,建筑上面的隔墙采用加气混凝土,这样进行设计更加的经济,而且要从建筑物的强度和稳定性来考虑结构的选择,更重要的是要适用且经济。

  有两种类型的框架结构,一个是内部框架,另一个是完整框架。所谓的内部框架是不具有侧支柱和中支柱的框架,并且框架的梁端由外壁支撑。这种结构具有以下缺点:(1)因为钢筋混凝土的弹性模量不同于砖的弹性模量,所以柱形基础和墙基础的沉降可能会不均匀,并且可能会出现不均匀的沉降,并且会产生较大的附加应力应用于内部框架。墙壁很容易开裂。(2)梁由墙支撑,整体刚度低。(3)传递力不清楚,风荷载水平力仅由外壁承受,不能传递到框架。通常,对于不超过3层的不考虑风荷载的建筑物,可以考虑内部框架的结构形式。否则必须使用完整的框架结构[4]。

  进行框架设计时,尽可能减少中间支柱的数量,以方便空间扩展,并且经济且易于使用。而且常规的框架结构中具有大开间,施工方便的优势,满足绝大多数的公共建筑使用功能的要求。

  3.2 、大跨度结构设计

  (1)大跨度设计难点。

  按照传统的设计经验,当跨度超过20m时,很难控制普通混凝土结构梁的挠度和裂缝宽度。为了能够满足挠度以及裂缝宽度检查计算,大跨度梁在设计梁的高度通常超过了柱的横截面高度,并且钢筋由裂缝宽度控制,从而导致线刚度可以大于框架行。这使得容易形成“强梁和弱柱”,并且违反了“强柱和弱梁”的抗震设计原理。因为本项目中大跨度地板的平整地板尺寸较大,而梁高比较低,因此地板舒适性问题也需要注意[5]。

  (2)结构布置。

  在一样的载荷下,不一样的结构布置也会导致不一样的内力以及变形响应。合理的荷载传递,良好的荷载性能,便捷安全的施工都是决定结构布局有效性的因素。为了了解具有不同结构布置的单个建筑物的空间性能以及经济指标,建立了具有不同结构布置的结构模型,对配筋和内里进行了分析计算,为这种类型的结构找到最佳的布局。

  按照主梁的尺寸差异和预应力梁的布局设置,一共有两种方案,如下:

  (1)单向双次梁方案:混凝土梁平行于长跨度方向,切垂直于短边方向。这种方案具有较少的钢筋,并且更易于施工,且本方案在设计过程中考虑梁上翻设计,充分满足泳池上空大开间的建筑使用功能。在设计时考虑大跨度和屋面温度应力对整体结构的不利影响,采用施工过程中预先起拱的施工工艺,解决梁挠度过大的问题;此外对于大跨度屋面,采取提高板钢筋的配筋率,且双层双向配置钢筋,充分考虑混凝土收缩过程中产生的裂缝问题。从经济和使用方面考虑,本方案比较适合本工程。

  (2)双向井字梁方案:双向井字梁结构经过调整和变形,作用力会更加的合理。另一方面,井字梁还具有挠度小、光束横截面较小和刚性较高的优点[6];双向井字梁方案中的钢筋数量大,不方便施工,增加了成本,从经济方面考虑不适用本工程。

  大跨度屋面结构采取的加强措施:

  (1)混凝土的选择。

  对混凝土的原材料进行严格控制,进行材料选择时要多考虑其性能是否满足需求,尽可能的降低水化热,减少混凝土的收缩。如果条件满足,减量选择Ⅰ级粉煤灰的混合物,并且使用减水率超过18%的泵送剂,不要使用高钙粉煤灰,水泥必须使用矿渣硅酸盐低水化热水泥。为了保证混凝土的抗开裂和抗渗透效果,必须限制混凝土的膨胀率。

  (2)纵向钢筋构造措施。

  对于热应力有显着影响的组件,必须对该区域进行加强,来提高混凝土的抗裂性以及最大抗拉强度。例如,地下室的顶层,第一层的顶层和屋顶板受温度变化的影响很大,板钢筋采用双层双向拉通设置;且在大跨度位置梁钢筋采用通常钢筋,按照规范要求配置抗扭腰筋,在满足计算的前提条件下,适当予以加强配筋提高安全储备。

  (3)增强结构抗扭刚度措施。

  建筑物的复杂平面,变化的空间,立面的不规则布局以及大跨度结构,结构扭曲问题更加突出。尽管该项目是多层建筑,但考虑到其重要性,在设计过程中尽量满足周期比小于0.9的要求。设计包括拐角处的框架梁、框架柱等,增加外部框架梁的宽度以及高度,对建筑结构的扭曲以及横向的刚度进行了增强,降低了在地震发生时的扭力。

  (4)框架梁柱结构模型中加强的措施。

  由于梁跨度大于18m,在设计过程中充分考虑梁在计算过程中可能遇到的梁截面较大,框架柱宽度相对较小,为满足基本结构概念设计要求,对结构框架柱截面予以大;从《建筑抗震设计规范》上考虑,对于大跨度框架处梁柱采取提高抗震等级的措施。

  (5)施工过程中注意事项。

  建筑物大跨度屋面处,由于梁截面和板厚的加强,在施工过程中尤其注意施工完成早期养护,控制混凝土骨料的选择,湿度和温度等应该防止混凝土收缩产生裂缝。

  4 、结论与建议

  通过工程设计实践,在结构设计方面获得了深厚的经验,并有了一些新见解。

  (1)现阶段施工方案复杂多变,项目的结构影响过于集中。设计师在规划阶段要注意结构性问题,按照建筑物的用途以及设计时的建筑高度来进行结构体系的选择,适当设计建筑物的平面形状和形状,以达到建筑物美观,安全的目的。

  (2)结构工程师需要充分了解各种结构形式的力特性,关键位置和关键组成部分。针对一些比较复杂的工程,要对其结构特性进行分析总结,通过一些目的性比较强的措施来对计算模型进行优化,整体而全面的了解问题进而解决问题。

  (3)要经常关注该领域在国内外的技术发展,要保证自己处于技术潮流的前沿,不断学习吸收新的技术和成果,了解新的结构形式,慢慢的进行知识的积累。根据需要适当打破规格限制,或在适用的情况下提出创新的理论和技术措施,并大胆地将其用在工程实践里去。

  参考文献

  [1] 郭珉,刘彦泉,管海梅,等.某综合楼结构设计浅析[J].建筑技术,2011,42(2):163-166.
  [2] 高勇.西南林业大学教学综合楼隔震分析与设计[J].工程建设与设计,2018(9):46-48,51.
  [3] 侯晓萌,王英,郑文忠.桃山综合楼结构设计[J].低温建筑技术,2005(5):39-41.
  [4] 王春光,尤天直,罗宏渊,等.鼎固科贸综合楼结构设计[J].建筑结构,2006(s1):165-168.
  [5] 王芳,尹华钢,屠晓泉,等.某超限商住两用综合楼结构设计[J].建筑结构,2007(4):89-91.
  [6] 肖德周,李盛勇.渤海银行业务综合楼结构设计[J].广东土木与建筑,2012(5):3-8.

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