结合实例分析建筑混凝土结构设计

结合实例分析建筑混凝土结构设计

作者：叶天泽

来源：《建筑建材装饰》2014年第11期

摘要：目前，随着我国科学技术的进步，在当前的建筑工程中，混凝土已经成为了现代建筑的标志，而随着混凝土在现代建筑工程中的发展应用，使得现代建筑的质量和性能都得到了大幅度提升，从而为我国的城市建设奠定了坚实的基础。本文主要通过对某建筑工程混凝土结构设计的介绍，探讨了这类建筑采用何种计算模型和分析软件准确模拟、超长钢筋混凝土框架结构的收缩应力和温度应力如何解决等问题。 关键词：建筑工程；混凝土；结构设计；预应力 前言

在现代的建筑混凝土结构设计中，怎样才能够提高混凝土结构设计的水平和提高建筑的质量和性能，成为了当前建设单位所亟待解决的问题。建筑混凝土结构设计是一项涉及面极广且非常复杂的工作，如何才能够完善建筑混凝土结构设计，提高建筑的质量和性能，是当前所必须解决的问题。

1建筑混凝土结构设计中的注意要点分析 1.1概念设计

结构概念设计是保证结构具有优良抗震性能的一种方法。结构概念设计是要求建筑师和结构师在建筑设计中应特别重视规范、规程中有关结构概念设计的各条规定，设计中不能陷入只凭计算的误区。以下一些要点值得注意：

（1）在结构体系上，应重视结构的选型和平、立面布置的规则性，择优选用抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系。结构应具有明确的计算简图和合理的传递地震力途径，结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。

（2）一般工程都仅进行小震下的弹性设计，而用概念设计和构造措施保证“中震可修，大震不倒”，但没有验算和证实，那么建筑物是否真能做到“中震可修，大震不倒”，无人知晓。对抗震设防烈度较高地区的特别重要建筑和超限建筑，审查专家往往会提出更具体的设计指标：a.中震或大震不屈服设计；b.中震或大震弹性设计；要求设计单位确保实现“三水准”的设计目标。

（3）水平地震作用是双向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用，应使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力；结构刚度选择时，虽可考虑场地特征，选

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择结构刚度以减少地震作用效应，但是也要注意控制结构变形的增大，过大的变形将会因p-δ效应过大而导致结构破坏。 1.2结构选型

（1）结构的规则性问题。新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案”。因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作被动。

（2）结构的超高问题。在抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为a级高度的建筑外，增加了b级高度的建筑，因此，必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为b级高度建筑甚或超过了b级高度，其设计方法和处理措施将有较大的变化。

（3）嵌固端的设置问题。由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面。 2工程实例概况

该建筑是一个集比赛、演出、展销等功能于一体的大型综合性公共建筑，建筑占地面积1.54万m2，总建筑面积2.7万m2，四层，建筑总高度（含钢结构屋面）30.6m。平面尺寸25m×151m，形状近似椭圆。内设6040个座席，其中固定看到座席3948个，活动看台座席1950个，其他142个。馆内可以进行手球、网球、篮球、排球、羽毛球、乒乓球、藤球、体操等各项正式比赛，还可以兼作大型文艺演出及大型展销用地。看台部分局部4层，2层馆外为观众疏散大平台。屋面为双曲球面钢管桁架钢结构承重体系，钢结构柱角支撑在2层室外大平台混凝土框架梁上，上部支撑在4层混凝土框架柱上，外包玻璃幕墙及镁铝锰复合板。整个工程体形独特，宏伟壮观，外形曲线流畅柔和，具体的平立、立面见图 1。混凝土主体结构采用现浇混凝土框架，楼盖为现浇混凝土梁板体系，屋盖为钢结构管桁架上覆镁铝锰复合板。 3地基基础设计

本工程位于构造活动带中的相对稳定地块。拟建场地未见有明显的断裂构造带及断层通过，不必考虑活动性断裂的影响。场地抗震设防烈度60区，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组属第一组。根据上部荷载情况及地质条件，确定采用柱下独立基础，以1层碎块状强风化凝灰质粉砂岩为持力层，承载力特征值500kPa。设计时为减少沉降量和沉降差对屋面钢结构产生次应力，故有意加大基础面积。 4上部混凝土结构设计

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4.1计算模型的确定

本工程虽地处60设防区，但由于其为空旷的大型建筑，按抗震设防分类标准，工程属于乙类建筑，应按70抗震构造，框架结构的抗震等级应为二级。看台局部虽仅四层，设计时需考虑大空间结构的不利影响。加之屋顶为双曲球面钢管桁架空间结构，管桁架屋面在支撑柱顶产生较大的水平应力，而框架柱的侧移又直接影响到钢桁架结构中杆件的内力分配，两者互相影响。如何将钢结构屋面与混凝土框架作为一个整体进行分析，是本工程的一大难点。目前SATWE程序无法做到这点，一般的钢结构设计程序，也不能对此混凝土结构作出准确的分析。考虑到钢屋架对混凝土结构的影响仅局限于支撑柱和梁，对楼层梁应无太大影响，故设计时首先采用SATWE程序对混凝土主体结构进行分析计算，由于看台部分多为斜梁，SATWE 程序虽可以准确分析较复杂空间结构，但仍需抽取单榀框架，用PK程序对斜梁和柱进行复核。再用MIDAS GEN程序对屋面管桁架进行设计，计算时将支撑柱按实际长度输入，以考虑支座刚度的影响。 4.2整体分析

根据 MIDAS GEN 对屋面钢结构的分析，屋面结构在恒、活、风载、温度（±30℃）作用的组合下，支座处最大水平力为1031kN，最大弯矩为 1150kN·m，可见钢结构对混凝土支撑柱及支撑梁有不小的影响。但楼层处影响有限，应重点对支撑柱、支撑梁作应力分析。屋面钢结构的恒、活、风载、温度产生的内力，通过节点力分别输入轴力、弯矩、剪力。但SATWE程序无法自动对附加温度应力进行组合计算。设计时，通过SATWE程序中的“计算水平和特殊风载”功能，将屋面钢结构产生的温度应力输入到“特殊荷载定义”中，再通过“采用自定义组合及工况”进行整体计算，以最大程度模拟混凝土结构实际受力情况。由于本工程X轴、Y轴基本对称，分析结果显示扭转效应不明显，结构层间位移最大值为1/611，均在规范的允许范围内。对于支撑钢结构的框架梁、框架柱，除用MIDAS GEN进行有限元节点分析外，进一步加强结构构造措施，以免重要构件先于主体结构破坏。 4.3混凝土楼板设计

根据建筑专业的要求，体育馆不留伸缩缝，2层混凝土室外楼板最大弧长约300m，收缩应力、温度应力不容忽视，若不处理好，会造成楼板和墙体开裂。设计时采取以下措施：（1）楼板厚度取120mm，沿平面切向方向均匀布置8条后浇带，将楼层平面分隔成8个区域，同时增大楼板配筋率。（2）混凝土掺入适量抗裂微膨胀外加剂，并掺入适当的Ⅰ级粉煤灰做掺和料减少水泥用量，改善混凝土的性能，减少水化热。施工时加强养护。（3）平面内径向框架梁、次梁均增加无粘结预应力钢筋。通过上述各项措施后，最大程度控制裂缝的发展。目前该工程已经竣工，也度过一个冬季，基本未发现楼板开裂现象，说明这些措施达到了预期效果。

5设计难点及不足

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目前的建筑结构设计，通常将空间钢结构部分与混凝土主体部分分开计算，很难模拟两部分共同工作的受力情况。对于钢结构屋面的刚度，设计院通常采用以下几点做法：按刚性楼板假定钢屋架的刚性、忽略钢屋架的刚度按屋顶开洞计算、输入一定厚度的楼板模拟钢屋架荷载及刚度等，无论哪种方案，都无法准确分析两个部分的实际协调受力情况。此外，体育馆属于空旷结构，楼板相对较少，存在大量的弹性节点和狭长板带，不宜采用刚性楼板假定计算位移或层间位移角，设计人员需进行必要的补充计算分析。对于重要的节点、构件，也有必要适当加强构造措施。 6结语

通过该建筑工程设计可以看到，一个合理的计算模型和分析方法，对建筑体型较复杂的大空间混凝土框架主体的结构设计是非常重要的，否则，上下两种结构之间的相互作用无法准确模拟。大面积钢筋混凝土结构采用优化混凝土配合比、掺入适当的外加剂、加强养护、加大配筋率、增加预应力等适当的构造措施，是可以不留伸缩缝的。随着设计理念的不断发展， 空旷空间结构，必将朝着更加合理的方向发展。 参考文献：

[1]GB50011―2010建筑抗震设计规范[S]

[2]刘开国.高层与大跨度结构简化分析技术及算例[M].北京：中国建筑工业出版社，2006 [3]杨星.PKPM 结构软件从入门到精通[M].北京：中国建筑工业出版社，2006 [4]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2000