特殊体型结构的概念设计

摘要：本文根据实际工作中一特殊体型的结构设计过程，通过第一步结构概念设计，分析建筑结构主要受力特点，然后利用Etabs和Midas两款软件对其进行分建模分析，并对概念设计中的认为重要的构件进行了详细分析，在构造措施上进行加强，从而顺利完成该复杂体型结构设计。

关键词：复杂体型结构， 结构概念设计 ，抗震性能设计

Abstract: according to the practical work of a special shape structure design process, through the first step structure design concept, this paper analyzes the main stress building structure characteristics, then use Etabs Midas and two software on the points modeling analysis, and to the conceptual design of the think important component on detailed analysis, the construction measures for strengthening the, and successfully completed the complex shape structure design.

Keywords: complex shape structure, structure design concept, the seismic performance design

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1．引言：

中国移动南方基地位于中国广东省广州高新技术产业开发区天河科技园高唐新区西侧（IT产业用地M4地块），总建筑面积约241000㎡，现阶段一期拟建建筑面积约165000㎡，其中地上建筑面积135000㎡，地下建筑面积30000㎡，主要分为“研发、IT支撑、交流”三大中心组团及一定的生活配套用房。其中2.1栋网管监控和展示中心位于基地北区和南区之间的山坡中央，构成了南方基地的设备和空间的中心。作为该基地的点睛之笔，建筑以其特有的双曲线凸显了其意义，从而也使结构本身成为一特殊体型结构。从外观上，整个建筑呈一花篮状，底部半径为23.15m，屋面半径为41.3m，结构高度22.32m。外置的钢结构根据双曲线平面生成，构成了一个菱形构架，内置玻璃。幕墙结构和主体结构之间为盘旋而上的坡道，通向上部楼层，参观人员走在坡道上可享有观看南方基地景象的宽阔视野。

2.1栋网管监控和展示中心（建筑效果图）

2．结构概念设计:

（1）主体结构和玻璃幕墙之间的关系：设计中将幕墙和主体结构分开分析的做法，对主体考虑幕墙传递的水平力和部分竖向力，幕墙分析时考虑坡道对的侧向支撑作用。相对将两者结合起来建模，节省工作量和设计时间，同时又能反应两者的相互影响。

（2）主体结构方案：主体结构最初方案采用两片弧形外倾空间剪力墙，通过左右两侧门口位置的连梁相连，从而构成结构的主要受力体系。通过计算分析，结构的基本周期T1＝0.38s，工程场地地震安全性评估报告中场地特征周期Tg＝0.4s，为了避免地震时效应放大，最终决定将剪力墙由数根柱子代替，增大结构的基本周期。最后方案改为沿分布的48向外倾斜的柱子通过楼层梁连成一个整体受力。修改方案后的结构基本周期T1＝1.3648s，避开场地的特征周期。直观上类似古代使用的木桶，楼层梁起到钢箍的作用。

（3）环梁和楼板加预应力：由于3、4和屋面层中部开大洞，并且随着高度增加，柱外倾增加，楼板环向应力和环梁上的拉力也增大，为了防止混凝土裂缝过大，在4层和屋面层的楼板沿环向加预应力，同时3层～屋面层环梁上加预应力。

（4）环梁作为主要的承受环向拉力构件，在计算分析时虽然楼板按弹性楼板考虑，但是模型中将板厚输入为0，不考虑楼板承受环向拉力，只作为一种安全储备配置环向钢筋。

（5）悬挑坡道采用钢梁，为了便于钢梁连接，外倾斜柱内置型钢。同时考虑3～屋面层环梁为拉弯构件，也内置型钢。

3．结构计算分析：

根据初步设计审查和专项审查专家组的意见，采用两个计算程序（Etabs和Midas）对其进行了建模分析计算。

Etabs计算模型

Midas计算模型

表一：

表一中显示：两个不同核心的计算程序分析的结构基本周期基本一致，很好的相互验证了计算结果。在两个计算分析程序总体质量基本上一致的前提下，Midas计算出来的刚度比Etabs要大，下面关于楼层位移角和结构稳定计算也基本上反应出这个规律。

表二：

表二中反应出Midas计算结果相对较小，和前3周期比Etabs计算结果较小的结果相吻合，同时两者反应的位移角随楼层变化的趋势基本吻合。

该建筑虽为多层建筑，但由于该结构体型呈花篮状，为了保证结构的整体稳定性，按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ2-2002）关于框架结构的稳定计算公式对其进行了验算，验算结果如下：

表三：

计算结果显示，结构稳定满足规范要求，Midas计算结果比Etabs计算结果大，两个程序计算结果随楼层的变化规律基本一致。

由于该建筑安全等级为一级，对其进行了抗震性能设计，性能设计目标：（1）在中震作用下结构处于弹性状态，斜柱和环梁不出现屈服；（2）中震作用下，内部柱不出现拉力；（3）在大震作用下，结构局部可出现塑性铰，但结构还处于可直接使用状态。利用Etabs软件对该结构进行了静力弹塑性分析，完全达到预设的抗震性能设计目标。

根据分析结果，对几个重点部位进行了加强。

（1）斜柱：性能分析中，首先出现塑性铰区域为斜柱脚，结合概念设计中第5点，柱中构造上设置型钢，同时加强柱脚箍筋配置；

（2）环梁：分析中环梁最大拉力位于顶层，和概念设计中第3点相吻合，同时根据抗连续倒塌分析，顶层环梁严禁出现破坏，因此除对屋面环梁进行设置型钢和加预应力外，加强屋面层楼板环向配筋，从而起到第二道防线作用。4层环梁和楼板也按同样道理进行加强。

4．总结：

通过结构概念设计过程，分析建筑结构设计的主要特点，并根据结构受力特点对关键构件和部位在分析计算中重点分析，根据计算结果对其构造加强，后续的计算分析也基本上验证了概念设计，因此在设计过程中，概念设计是非常重要的一环，对整个设计过程具有重要的指导意义。

参考文献：

1．徐培福主编. 复杂高层建筑结构设计. 北京：中国建筑工业出版社，2005

2．中华人民共和国行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）. 北京：中国建筑工业出版社，2002

3．汪梦甫，周锡元. 关于结构静力弹塑性分析（Push-over）方法中的几个问题. 结构工程师，2002（4）：17-22

4．叶燎原，潘文. 结构静力弹塑性分析（Push-over）的原理和计算实例. 建筑结构学报，2000（1）：37-51

5．杨溥，李英民，王亚勇，赖明. 结构静力弹塑性分析（Push-over）方法的改进. 建筑结构学报，2000（1）：44-50

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