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黄麓某学校体育馆结构设计

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：唐嘉敏

[导读] 摘要：本工程建筑主要功能为体育用房（含篮球场、羽毛球场）、医务用房等，建筑高度23.725米，结构高度23.725米（计至坡屋面中点）。结构体系采用钢筋混凝土框架结构，存在扭转不规则以及屋面错层，属于一般不规则的建筑，不属于特别不规则建筑。

        华南理工大学建筑设计研究院有限公司广东广州 510641
        摘要：本工程建筑主要功能为体育用房（含篮球场、羽毛球场）、医务用房等，建筑高度23.725米，结构高度23.725米（计至坡屋面中点）。结构体系采用钢筋混凝土框架结构，存在扭转不规则以及屋面错层，属于一般不规则的建筑，不属于特别不规则建筑。本工程带有多层相错的坡屋顶，本文对其进行了专项结构传力体系分析。
        关键词：体育馆；框架结构；坡屋顶
        1 工程概况
        本工程位于安徽省巢湖市黄麓镇，承载着学校体育教学、训练、比赛等所需的各项功能。总建筑面积为3662.2平方米，其中地上建筑面积2479.4平方米，地下建筑面积1187.8平方米。建筑主要功能为体育用房（含篮球场、羽毛球场）、医务用房等。建筑高度23.725米，结构高度23.725米（计至坡屋面中点）。
        2 设计条件和参数
        2.1 工程地质概况
        本工程场地位于合肥市滨湖新区黄麓科技园，高程系统为1985国家高程基准，坐标系统为西安80坐标系。场地现状地形起伏较大，整体呈西北高东南低，局部存在沟塘，钻孔孔口高程在47.67m～59.15m之间，最大孔口高差11.52m。场地属于江淮丘陵地貌单元。
        该场地内各地层自上而下分布为：①层杂填土（Qml）、②层粉质黏土（Q4al）、③层黏土（Q3al）、④强风化泥质砂岩（K）、⑤中风化泥质砂岩（K）。拟建场地地下水类型为上层滞水和基岩裂隙水。本场地周边无污染源，地下水、地表水及土均未受污染，地下水及土壤对混凝土、混凝土结构中的钢筋以及钢结构具有微腐蚀性。
        根据勘察报告，该场地内特殊性岩土主要为杂填土和膨胀土。杂填土：灰褐、杂色，稍湿～湿，松散，均匀性差，主要以黏性土为主，局部含有建筑垃圾、石块、砖头等。据调查，堆填时间约1～2年，属欠固结土，层厚0.30～4.20m，土的均匀性和密实度差，力学性质差，未经处理不可直接作为基础持力层。膨胀土：根据土工试验资料得出，该场地②层粉质黏土、③层黏土自由膨胀率平均值均大于40%。均具有弱膨胀潜势，地基胀缩等级属Ⅰ级（地区经验）。
        根据钻探揭露及区域地质资料，结合本项目工程特点综合分析，该场地无构造断裂带通过，属稳定的建筑场地，适宜该项目的兴建。
        场地地貌单元为丘陵，场地内填土分布不均匀，下部土层的层面起伏较大，故判定为不均匀地基。
        根据现场勘察及室内试验结果判断该建筑场地的场地土类型为中软场地土（A区）、中硬场地土（B区）及坚硬场地土（C区）。根据A区场地土类型及场地覆盖层厚度大于3m，判定建筑场地为Ⅱ类建筑场地，根据场地类型判定为抗震一般地段；根据B区、C区场地土类型及场地覆盖层厚度小于5m，判定建筑场地为Ⅰ1类建筑场地，根据场地类型判定为抗震有利地段。本工程采用Ⅱ类建筑场地设计。
        2.2 结构使用年限与结构安全等级
        本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为γ=1.0。
        2.3 风、雪荷载
        由于本工程所在地靠近合肥市，偏于安全取合肥市50年一遇的基本风压Wo=0.35kN/m2，地面粗糙度B类，风荷载体形系数μs=1.3。风载风振系数和风压高度变化系数按规范取值。
        根据规范偏于安全取合肥市50年一遇的基本雪压为So=0.60kN/m2，雪荷载准永久值系数分区为Ⅱ区。
        2.4 地震作用
        （1）抗震设防标准：抗震设防烈度为7度（0.10g）。场地类别Ⅱ类，地震分组第一组，特征周期Tg=0.35s。
        （2）根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008[1]及《建筑抗震设计规范》GB50011-2010[2]，本工程属乙类建筑。
        （3）地震作用按本地区7度（0.10g）计算，抗震措施按提高为8度（0.20g）确定。
        （4）结构体系采用钢筋混凝土框架结构，建筑结构单体高度为23.725m，属多层建筑。框架抗震等级为二级，局部大跨度框架（梁跨度≥18m时）抗震等级为一级。
        2.5 结构构件的耐火等级
        本工程地下室的建筑构件的耐火等级为一级，承重柱、墙的耐火极限不小于3.0小时，梁、桁架的耐火极限不小于2.0小时，楼板的耐火极限不小于1.5小时。

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其余建筑构件的耐火等级为二级，承重柱、墙的耐火极限不小于2.5小时，梁、桁架的耐火极限不小于1.5小时，楼板的耐火极限不小于1.0小时。
        2.6 混凝土结构的耐久性要求
        根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[3]的规定，与水和土壤直接接触的混凝土构件、非严寒和非寒冷地区的露天混凝土构件（首层顶板露天部分、屋面露天部分）的环境类别为二（a）类，干湿交替环境的构件（承台、桩基础、独立基础、地梁、底板）的环境类别为二（b）类，其余混凝土构件的环境类别为一类。
        2.7 钢筋砼结构受弯构件的挠度及裂缝宽度控制要求
        （1）允许挠度：当lo＜7m时，允许挠度lo/200；7m≤lo≤9m时，允许挠度lo/250；lo＞9m时，允许挠度lo/300，lo为计算跨度。
        （2）允许裂缝宽度：本工程裂缝控制等级为三级，要求室内正常环境下的构件最大裂缝宽度不超过0.3mm，露天或高湿度环境下的构件最大裂缝宽度不超过0.2mm。
        3 结构选型
        本工程根据建筑平面及建筑使用要求布置柱网，柱截面尺寸为：矩形柱一般为600×600mm。楼盖为普通钢筋混凝土梁板楼盖，楼板厚度一般为120mm，主梁一般为300×700mm，次梁一般为200×600 mm。
        本工程采用天然地基上的墙柱下扩展基础和人工挖孔桩（墩）基础，墙柱下扩展基础持力层为强风化或中风化泥质砂岩层，即地质报告第④或第⑤层，要求地基承载力特征值≥300KPa，人工挖孔桩（墩）桩端持力层为中风化泥质砂岩，即地质报告第⑤层，桩端阻力承载力特征值要求不小于2.8Mpa。基础顶面作为上部结构的嵌固端。
        4 结构规则性和超限判定及相应的技术措施
        4.1 结构规则性和超限判定
        本工程考虑偶然偏心的扭转位移比为：X向：1.47（第3层）、Y向：1.46（第3层）。屋面为高低相错坡屋顶。因此，本工程存在扭转不规则以及屋面错层，属于一般不规则的建筑，不属于特别不规则建筑。
        4.2 坡屋顶传力体系分析
        （1）利用四面倾斜的屋盖（倾角27°、高差约5.5米，平面投影单坡宽度10.8米）和柱顶四周的圈梁（拉梁），形成面内的深梁作用，该深梁作用的跨度横向为33.6米，纵向为21.6米，最大跨高比33.6/10.8=3.1，面内抗弯刚度较大，从而约束了柱顶的侧移。计算结果表明，在竖向荷载作用下，柱顶最大侧移仅为6mm，中间柱大，角部柱小，符合上述传力模式的结果。
        （2）由于利用了楼板的面内抗弯刚度，楼板在竖向荷载作用下存在较大的楼板应力，考虑楼板按弹性刚度不折减计算时，楼板应力最大。最大拉应力约2MPa，按这个应力进行楼板钢筋的配置；最大压应力为3.1MPa，远小于混凝土受压强度。考虑到楼板受拉时可能存在一定的微裂缝，受拉区楼板刚度按仅配置的楼板钢筋面积等效的刚度进行折减（约为原楼板刚度的10%）进行计算，计算出柱顶圈梁的拉力最大，最大值约1000KN，该梁按拉弯受力进行配筋。结构整体受力时，楼板和拉梁均按最不利结果进行配筋加强，确保安全。
        （3）竖向承载方面，利用短跨21.6米方向布置300x1100的密肋梁，由于整体存在一定拱效应，梁的配筋率并不大，实际施工图按放大系数不小于1.2进行加强。
        （4）根据分析结果可知，柱顶在竖向荷载作用下的剪力并不大，最大为91.9KN，弯矩为649.1kN.m，实际配筋时对柱配筋按放大系数不小于1.2进行加强。
        5 结论
        分析结果显示，本工程结构布置简洁、传力路线明确、直接，理论计算的各项指标均能满足规范的要求，采用针对结构不规则的加强措施有效，结构设计既能够满足建筑功能及造型的要求、安全使用的要求，又能满足经济合理、施工可行的要求，且结构抗震性能优良。
        参考文献：
        [1]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑工程抗震设防分类标准：GB 50223-2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
        [2]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB 50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
        [3]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范：GB 50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
        作者简介：
        唐嘉敏，硕士，工程师，一级注册结构工程师，研究方向：高层建筑设计、深基坑设计。