复杂建筑结构设计中存在的问题与处置措施

【摘 要】湖南某综合楼工程空间变化多样，结构超长，属于平面、立面均不规则的较复杂的多层建筑。本文分析了该综合楼结构设计中存在一些关键问题，提出利用超长无缝技术、缓粘结预应力技术、现浇混凝土空心楼盖技术解决超长和大跨度问题，增强结构整体性和抗扭刚度，实现了较好的抗震性能，获得了较好的经济效益。

【关键词】结构设计；主要问题；超长；大跨度；施工技术

1、工程概况

湖南某综合性办公楼，钢筋混凝土框架－剪力墙结构。总建筑面积约为38500m2，其中地下面积约为11000m2，地上面积约为27500m2。建筑物长100m，宽55m，地下2层，地上5层，建筑总高度为22.2m。建筑空间多变：内部设有4个从地下1层至顶部的中庭，各功能用房围绕中庭布置，最大限度地实现了建筑的直接通风采光，建筑中央区域1～4层为两个2层高的特种大厅，跨度为23.4m×23.4m，1～2层门厅局部柱抽空，形成23.4m×15.6m的大空间。整个建筑物沉稳大气、厚重质朴，与所在区域的空间特点及传统风貌达到了很好的融合。

2、结构设计主要问题及处置技术措施

建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，场地类别为II类，抗震设防类别为丙类。地下1层顶板为上部结构的嵌固部位，地下2层抗震等级三级，其余层抗震等级二级。

2.1 超长无缝施工技术的设计应用

由于建筑平面布置和立面造型的要求，未设伸缩缝，而工程总长100m，远超过《混凝土结构设计规范》GB50010-2010规定的框架－剪力墙结构伸缩缝最大间距45～55m的限制。采用传统的后浇带虽较为经济，但施工周期长，还易留下渗水隐患等不利因素。鉴于本工程施工工期短等原因，采用超长无缝技术解决结构不设缝问题。

影响混凝土裂缝的原因是多方面的，主要涉及材料、施工和设计三大方面。对超长结构，通过对混凝土每种组成材料及其性能的控制，配套相应的施工措施，并采取必要的构造措施，可对结构的裂缝进行有效的控制。

2.1.1 混凝土原材料

选择严格控制水泥、砂、石、泵送剂和掺合料的性能，以降低混凝土的水化热，减少混凝土的收缩性。

（1）水泥 由于大体积混凝土厚度较大，水泥在水化过程中产生大量热量，聚集在结构内部不容易散发，使混凝土内部温度升高，因此在施工中选择水化热较低的水泥以及尽量减小单位水泥用量，有资料表明每减少单位用量10KG可降低温度1℃。

（2）粗、细集料 尽可能采用粒径较大的粗骨料，可相应减少水泥用量，降低混凝土水化热，并防止混凝土干缩。

（3）混合料及外加剂 掺入的粉煤灰要符合细度、烧失量、需水量及三氧化硫含量等技术指标要求。粉煤灰不仅改善混凝土和易性，减小混凝土用水量，减小泌水和离析，提高混凝土强度，改变混凝土分子结构组织，增加混凝土密实度，同时代替部分水泥，降低了水泥用量，从而降低混凝土水化热引起的温度梯度，防止和减少温度裂缝的产生。尽可能采用高效缓凝减水剂，一方面可延缓混凝土的凝结时间，它一方面可明显延缓水泥水化热释放速度，凝结时间可延长8小时以上，推迟水化热峰值出现，同时减少用水量，减小水泥用量，从而降低水化热。为确保混凝土的抗裂、防渗效果，混凝土的限制膨胀率必须合理。 结合本工程主体结构混凝土强度等级、流水段的划分和膨胀剂的性能等条件，经试验验证本工程膨胀剂的掺量宜为10.5％。

2.1.2 施工过程严格控制

施工是否规范对裂缝控制有着显著的影响。要规范混凝土的配合比、浇筑、振捣、养护的施工技术要求，并对施工的全过程进行严格监控。

（1）避开热天选择较低温季节浇筑混凝土，对现浇量小大的块体，安排在下午3点以后或夜间浇筑；夏季采用低温水或冰水拌制混凝土，对骨料喷冷水雾或冷气进行预冷，或对骨料进行护盖或设置遮阳装置，降低混凝土拌和物温度；掺加缓凝型减水剂，采取薄层浇灌，利用浇筑面散热；在基础内设通风和加强通风加速热量散发；对混凝土用量大的原材料一一粗骨料采取两次预冷，即在进拌和楼前，在料仓内吹冷风进行一次风冷，进拌和楼后，又在贮罐内进行一次风冷，使各级骨料温度得到有效降低，拌和时，加冷制水掺片冰拌和，用以控制混凝土的浇筑温度；在大体积混凝土内散布安装冷却水管，混凝土浇筑后即开始通冷却水，用以控制大体积混凝土最高温度，并使大体积混凝土提前达到稳定温度。

（2）混凝土浇筑采用分层的浇注方案，分层厚度要适中，分步浇注到顶，簿层浇筑，先深后浅，连续浇筑，这种方法能较好适应泵送施工工艺要求，同时控制好上下层混凝土覆盖时间，在下层混凝土未初凝时进行上层混凝土浇筑，以避免混凝土冷缝出现。混凝土振捣必须密实，在不同部位用5台振动棒振捣，振捣棒快插慢拔，掌握正确振捣时间，做到不漏振不过振，提倡二次振捣。及时按标高刮平表面，用木抹子反复搓压，使其表面密实，初凝前用木抹压光，可以控制混凝土表面的龟裂，减少混凝土表面水分散失，促进混凝土养护。为防止混凝土在硬化过程中表面出现龟裂现象，要及时进行二次抹面，在初凝以后，终凝之前， 再用泥刀压光平整，使少量终凝前出现的失水沉降等塑性收缩裂纹得到消除。

（3）主体结构均匀划分为4个施工区段，混凝土按施工段依次浇筑。每段的混凝土均采用同一个混凝土配合比（即全部混凝土均为同一膨胀剂掺量的方案），段与段之间留施工缝。相邻两段的浇筑间隔3d，以释放部分混凝土产生的温度应力。施工缝是混凝土结构自防水的薄弱环节，需选择性能好的钢板止水带。

（4）在表面施工完毕后，应加强对混凝土的保养，及时用塑料薄膜覆盖混凝土表面，来封闭混凝土中多余拌和水，防止水分蒸发，以实现混凝土自身养护。终凝后覆盖蓬布和草袋，蓬布和草袋的覆盖层数应根据实测温差情况及时进行增减，使混凝土内外温差小于25℃。做好混凝土的保温和保湿，目的是减少混凝土表面热扩散，延长散热时间，减少混凝土表面温度梯度，防止表面裂缝，保证温度缓慢升降，充分发挥混凝土徐变特性，降低温度收缩应力，混凝土洒水养护不小于14天。

2.1.3 纵向钢筋构造措施

对温度应力影响较大的部位，应加强此部位的配筋，以提高混凝土的极限拉伸，增强结构的抗裂性能。如地下1层顶板、地上1层顶板及屋面板受温度变化影响较大，楼板钢筋沿平面长度方向尽量采用细而密、拉通的方式配筋，考虑到本工程平面不规则、楼板间存在弱连接、在地震作用下结构扭转效应等不利因素，钢筋层层拉通；由于长向结构构件都受到温度应力的作用并受到混凝土硬化过程中收缩的影响，每个楼层不仅要提高框架主梁（包括基础主梁）的腹板钢筋配筋率，次梁也要提高，腰筋按直径16mm、间距150mm配置；根据《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119-2003）第8.4.2条对采用膨胀剂墙体的设计要求，地下室外墙在±0.000至室外地坪下500mm范围和地下2层顶板上下各500mm范围内，墙体水平筋间距加密至100mm，并置于竖向筋的外侧。

2.1.4 加强保温隔热措施

为减小建筑物受外界温度变化的影响，在外墙干挂石材的内侧喷硬泡聚氨酯保温材料。外围护墙选用具有较好保温性能的陶粒空心砌块。

2.2 增强结构抗扭刚度措施设计

工程建筑平面复杂，空间变化多样，平、立面布置不规则，加之结构超长，结构的扭转问题较突出。本工程虽属多层建筑，鉴于其重要性，扭转振型希望在第三振型出现，并满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）关于位移比和扭转周期比的规定。设计采取以下结构措施：在角部、楼、电梯间、空调竖井等位置设置剪力墙并加大外边缘框架梁的宽度和高度，以增大结构抗侧刚度和抗扭刚度，减小地震作用下的扭转效应；对弱连接楼板，钢筋双层双向拉通，钢筋在支座按抗拉锚固；弱连接楼板边梁上下筋拉通，箍筋通长加密，以提高楼板平面内刚度和整体性。

2.3 缓粘结预应力技术的设计应用

特种大厅23.4m×23.4m跨的井字梁采用缓粘结预应力技术。缓粘结预应力技术是在有粘结预应力技术和无粘结预应力技术之后发展起来的一种新的预应力技术。采用此项技术，可在梁宽范围内很方便地布置预应力筋，无须预留孔道，无须孔道灌浆，具有无粘结预应力技术施工方便的优点，与有粘结预应力技术相比，大大缩短了工期；利用填充在外包高强PE护套和预应力筋之间的缓凝胶粘剂，保证在钢筋张拉后产生较强的粘结咬合力，并与预应力筋成为一体，通过波纹状外表面的嵌固作用使预应力筋与混凝土间不能滑移，从而达到有粘结预应力的力学特性，有效控制裂缝宽度和跨中挠度，保证结构具有良好的延性和抗震性能。

预应力梁混凝土强度等级为C40，缓粘结预应力筋采用ΦS15.2，fptk=1860MPa的低松弛钢绞线，与普通松弛钢绞线相比，低松弛钢绞线可减小预应力损失，提高有效应力，使预应力配筋数减少。大厅X向预应力框架梁截面尺寸为600mm×1200mm，端跨预应力筋为14根钢绞线，中间跨为18根钢绞线。Y向梁因与门厅框支梁组成连续梁，梁宽由600mm增至800mm，支座竖向加腋尺寸为1200mm×200mm，配22根钢绞线。

预应力筋施工工艺：（1）缓粘结预应力筋采用两端张拉；（2）预应力筋张拉控制应力为0.75fptk=0.75×1860=1395（MPa）；（3）张拉工艺：0→1.03σcon；（4）预应力筋张拉后，端部锚具应做防腐处理，并用加入微膨胀剂的水泥砂浆进行封堵。

缓粘结预应力施工中最关键的是预应力筋张拉时间和缓凝胶粘剂固化时间的确定。混凝土强度达到强度设计值时方可进行张拉，缓粘结胶粘剂要保证在张拉阶段可自由滑动，两年内完全固化。

2.4 设置吊杆减小大跨度梁高

大厅2层走廊边梁最大跨度为11.4m，采取设置吊杆的处理方法可将梁高减至400mm。吊杆上下节点详图如图1所示。该节点构造简单，传力明确，施工方便，较好地解决了大跨度梁的高度问题，争取了更大的使用空间。

2.5 现浇混凝土空心楼盖设计应用

部分大跨度板块（如7.8（8.4）m×8.4m，6（7.2，8.4）m×11.6m等）采用现浇钢筋混凝土空心楼盖。它是按一定规则放置埋入式内模后，经现场浇筑混凝土而在楼板中形成空腔的楼盖。本工程采用的内模为BDF空心薄壁箱体，主要起到规范成孔形状的作用，不参与结构受力。现浇混凝土空心楼盖根据混凝土结构受力原理，力求节约楼板截面中间受力较小区域内的混凝土，把现浇实心楼板整体性好与预制空心楼板自重轻、跨度大等优点结合到一起，克服传统楼盖体系的不足。主要具有以下特点：（1）楼面平整，有利于房间灵活隔断，适合于大开间布置，空间开阔美观；（2）楼盖的封闭空腔，抑制了上下楼层的噪声干扰，隔声效果明显，这种结构也减少了能量的传递，显著提高了隔热保温性能，适应目前提倡的建设节约型社会、节约能源的要求；（3）楼面刚度大，变形小，抗震性能好；（4）节省了混凝土用量，也减轻了自重，有较好的经济效益。

现浇混凝土空心楼盖内力可依据《现浇混凝土空心楼盖结构技术规程》（CECS175∶2004）计算：即对边支承楼盖结构的区格板可按不考虑空腔影响的弹性板进行内力计算，正、负弯矩之间的调幅不应超过20%。构造应满足第6.1.2条、第6.1.4～6.1.8条及第6.2.1条、6.2.2条的规定。空心板构造如图2所示。

混凝土浇筑应注意两点：（1）抗浮问题，可利用铁丝把板筋与模板体系紧密拉结在一起，以解决箱模抗浮问题，若解决不好，会造成局部楼板标高超高，影响后期装修，还会造成空心箱模的大面积大量上浮，出现质量事故；（2）混凝土浇筑按照顺序依次进行，并加强振捣，保证箱模底部混凝土的密实。

2.6 门厅入口长悬挑钢结构雨篷设计

门厅入口主雨篷外挑6.2m，内挑1.8m，宽8.5m，篷面为钢化夹胶玻璃，自室外地坪上高7.8m，其三维透视图如图3所示。采用STS计算，荷载标准值取值：永久荷载为0.7kN/m2，活荷载为0.5kN/m2，基本雪压S0为0.40kN/m2，基本风压W0为0.45kN/m2，因悬挑长度较大，8度设防地区悬挑长度超过2m应计算竖向地震作用和水平地震作用。由于建筑立面不允许雨篷设置斜拉杆，设计中利用“杠杆”平衡原理，在6.600m标高钢梁GL和4.100m标高钢筋混凝土框架梁KL间设置钢立柱，较好地解决了长悬挑雨篷结构的抗倾覆问题。节点构造如图4所示。

3、结语

本工程空间复杂多变，平面、立面布置均不规则而且结构超长，属于较复杂的多层建筑。加之工程重要，设计周期短，如何在保证结构安全、满足建筑使用功能和美学的前提下，做到技术先进、经济合理，是结构工程师的工作之重。利用概念设计思想，通过合理布置剪力墙及其开洞位置和大小、加大边框架梁宽度和高度、加强楼板弱连接部位的构造等措施，有效增强了结构的整体性和抗扭刚度，减小了地震作用下的扭转效应。采用超长无缝、缓粘结预应力、现浇混凝土空心楼盖技术，解决了建筑物超长和大跨度问题，缩短了建设周期，获得了较好的经济效益。

参考文献：

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