不规则混凝土结构设计

奚嘉锴

摘要：结合工程实例，介绍了马家浜文化博物馆项目，结构设计方案，从工程概况、主要设计标准、主体结构体系、地基基础设计等方面进行了论述。本设计贯彻“实用、安全、经济、美观”的设计原则。按照建筑设计规范，认真考虑影响设计的各项因素,整个结构在设计过程中，严格遵循相关的专业规范的要求，参考相关资料和有关最新的国家标准规范，对设计的各个环节进行综合全面的科学性考虑。设计合理可行的建筑结构方案是现场施工的重要依据。

关键词：结构设计；混凝土结构；不规则

一、项目概况

马家浜文化博物馆项目位浙江省嘉兴市南湖区城南街道马家浜村马家浜文化遗址东南。博物馆地下局部一层。地上1层，局部2层；地下局部一层。建筑采用斜坡屋顶的组合，坡屋顶来源于原始干栏式建筑形态，整个建筑平面呈现不规则六边形。针对复杂屋面造型，结构根据建筑su模型采用空间建模计算。本人参并完成了全部结构设计工作。

二、设计基本参数

结构设计使用年限为50年；结构安全等级为二级；地基基础设计等级为乙级；地下室防水等级为一级。本工程抗震设防类别为标准设防类（丙类）。场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。设计地震分组为第一组，场地类别为III类，特征周期为0.45s。框架结构的抗震等级为三级（局部大跨二级）。

三、荷载与作用

1.风荷载和雪荷载：基本风压：0.45kN/m2（50年一遇），基本雪压0.45KN/m2。地面粗糙度类别B类。

2.地震作用：本工程抗震设防类别为标准设防类（丙类）。场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。设计地震分组为第一组，场地类别为III类，特征周期为0.45s。

四、结构材料

1.混凝土

梁、板、柱、采用C30，基础采用C35；

垫层混凝土采用C20；

底板、地下室外墙、地下室顶板（与水土接触部分）混凝土抗渗等级为P6。

2.钢筋采用HRB400级钢筋。

3.填充墙

填充墙尽量采用混凝土空心砌块、加气砼块（砂质）或其它轻质隔墙材料，以减轻结构自重，减少梁、柱、墙、基础构件截面及配筋量。

五、结构体系及设计

1.基础及地下室

本工程采用预应力混凝土管桩。桩基持力层均位于第6-3层砂质粉土层。根据地勘中间报告，参考桩长约37m，桩径500mm。

局部一层地下室高度5.2m，外墙厚度400mm，底板厚400，采用承台+地梁+板结构。

2.上部结构

地上2层，高度18m，主要轴网尺寸10.5m*10.5m，采用框架结构。主要构件尺寸：框架柱：600*600/1000*1000，框架梁：350*900，局部大跨500x2000，非框架梁：250*700~300*900，楼板厚度：120mm。

3.结构超长楼板问题的处理

为解决地下室和上部结构超长带来的温度应力及混凝土收缩问题，拟采取以下措施：

（1）对超长的单元，适当设置伸缩后浇带；

（2）加强超长部分楼板（特别是露天区域的地下室顶板）的配筋，以抵抗温度作用产生的拉力；（3）减少水泥用量和降低水灰比，掺入合适的外加剂，以减少混凝土收缩徐变，并加强对混凝土的养护措施。

六、结构计算分析

计算模型

本工程采用YJK软件进行计算分析。采用振型分解反应谱法计算地震作用，并考虑了偶然偏心和双向地震作用，振型采用CQC法进行组合。结构分析主要结果如下表。分析可见，各项控制指标均在现行规范容许范围之内。

单体屋面各种坡度，在计算建模时按照一个夹层+两层平屋面近似建模

七、基础设计

1、桩型

根据地勘报告基础持力层为6-3砂质粉土，距离首层约35m,采用预应力混凝土管桩，根据多方比选后采用500直径37m长PHC管桩(P1型),其规格为PHC-AB500(125)-37(即:直径为500,壁厚为125,AB型,37m长)。

2、单桩承载力计算

单桩竖向承载力

(1)竖向极限承载力

侧阻计算

序号地层名称地层厚度极限侧阻力本层侧阻

(m)qsik(kPa)(kN)

1填土1.300

2粉质粘土1.502454

3淤泥质粉质粘土3.701688.8

4粉质粘土2.8050210

5粘质粉土夹粉质粘土12.4036668

6粉质粘土与砂质粉土12.532600

7砂质粉土9.364892

Σ2512.8

侧阻:Qsk=2512.8(kN)

端阻计算qpk×Ap=2200.0000×0.1963=432(kN)

(2)竖向承载力特征值

根据《桩基规范》5.2.2及5.2.3

式中：

Ra——单桩竖向承载力特征值；

Quk——单桩竖向极限承载力标准值；

K——安全系数,取K=2。

单桩竖向极限承载力标准值Quk=2944.8(kN)

单桩竖向承载力特征值Ra=1472.4(kN)

3、局部地下室抗浮稳定性验算

1）、条件：地面标高H1=0.00m，顶板标高H1=-0.05m，底板标高H3=-5.600m，设防水位标高Hw=-2.500m；地下室面积S约为300m2，周长C约为73m，底板悬挑宽度L=0mm，覆土厚度do=0.3m,容重γ=18kN/m；顶板厚度d1=150mm，底板厚度d2=400mm，挡土墙墙厚度d3=400，地下室层高h=5600mm。梁、柱扣板厚后体积V=0m；

2）、计算：

1、水浮力Fw=|h3-hw|×10=|-5.600--2.500|×10=31.00kN/m

2、抗浮力：

(1)、顶板自重：G1=d1×25=150×0.001×25=3.75kN/m(2)、底板自重：G2=d2×25=400×0.001×25=10.00kN/m(3)、覆土重量：Go=do×γ=0.3×18=5.4kN/m(4)、挡土墙重量折算为面积重量：G5=L×h×2×(A+B)×γ/(A×B)=0.400×73x5.6x25/300=13.62kN/m(5)、梁、柱重量折算为面积重量300：G6=V×25/S=20×25/300=1.66kN/m抗浮力=∑(Go+G1+G2+G3+G5+G6)=∑(10.80+3.50+10.00+0.00+17.78+0.00)=34.43kN/m

根据《广东省标准建筑地基基础设计规范》5.2.1条：

W/F=34.43/31.00=1.11>1.05，满足要求。

八、上部结构设计

本工程上部结构采用框架结构，外围一圈根据建筑要求增加剪力墙，现着重对26m大跨度梁进行验算。

大跨度梁验算

1计算条件：

荷载条件:

均布恒载标准值:48.00kN/m_活载准永久值系数:0.50

均布活载标准值:21.00kN/m_支座弯矩调幅幅度:0.0%

梁容重:25.00kN/m3_计算时考虑梁自重:考虑

恒载分项系数:1.20__活载分项系数:1.40

活载调整系数：1.00

配筋条件:

抗震等级:7度设防__纵筋级别:HRB400

混凝土等级:C40__箍筋级别:HPB300

配筋调整系数:1.0__上部纵筋保护层厚:25mm

面积归并率:30.0%__下部纵筋保护层厚:25mm

最大裂缝限值:0.200mm_挠度控制系数C:200

2计算结果：

总之，马家浜博物馆外形是比较特色的，整个设计过程中，在满足建筑外立面效果的前提下,合理地确定柱网尺寸、选择计算的框架，对以后建筑各种非常规外立面做法有很好的借鉴意义。本设计结构从建筑方案就开始介入。对建筑平面、立面、剖面，有过充分的考虑；结构模型确立之后，主要采用YJK结构电算软件进行梁板配筋计算。

参考文献资料：

（1）《建筑结构可靠度设计统一标准》【GB50068-2001】

（2）《建筑工程抗震设防分类标准》【GB50223-2008】

（3）《建筑结构荷载规范》【GB50009-2012】

（4）《建筑抗震设计规范》【GB50011-2010】（局部修订版）

（5）《混凝土结构设计规范》【GB50010-2010】

（6）《钢结构设计规范》【GB50017-2003】

（7）《建筑地基基础设计规范》【GB50007-2011】

（8）《混凝土结构耐久性设计规范》【GB/T50476-2008】

（9）《地下工程防水技术规范》【GB50108-2008】

（10）《建筑桩基技术规范》【JGJ94-2008】

（11）《工程建设标准强制性条文房屋建设部分》2013年版

（12）《建筑工程设计文件编制深度规定》2008年版

（13）地勘中间报告