某智能交通综合测试基地大跨度架空广场屋盖结构设计

周海荣

0 引言

随着社会的飞速发展，现代建筑的功能需求也越来越多样化。部分公共建筑如展览馆、会议厅、行车道等为满足使用功能的要求，在柱网的布置上两个方向的柱距经常会相差较大，即一个方向为常规柱间距，另一方向的柱间距经常大于18m，形成单向大跨度框架结构。而单向密肋梁沿长向布置，作为次梁与作为支承的短向框架主梁整体现浇，形成大跨度单向密勒楼盖。本工程单向密勒梁向两侧各延伸一跨，形成连续梁，通过施工起拱等措施，有效解决了大跨度单向密勒梁的受力、变形等问题。

1 工程概况

本工程位于无锡市山水东路与清源路交叉口东北侧。本次设计内容包括五层控制中心大楼及地下室、二层架空广场及两栋三层配套办公楼。总建筑面积控制中心大楼、二层架空广场及两栋三层配套办公楼（二期建设）地下室连为一体作为车库使用，上部结构均嵌固于地下室顶板，嵌固层以上各栋楼之间设100mm 宽抗震缝分开。结构平面布置如图1。

图1 架空广场单向密肋梁实景图

2 设计输入条件

设计使用年限50 年，结构安全等级二级，抗震设防类别丙类，抗震设防烈度7 度，设计基本地震加速度值0.10g，设计地震分组第一组，建筑场地类别Ⅱ类，反应谱特征周期0.35s，基本风压W=0.45 kN/m(重现期50 年)，地面粗糙度B 类。

五层控制中心大楼及2 栋三层办公楼（预留为二期建设）均为多层框架结构，抗震等级为框架三级。

地下车库：框架三级。

二层架空广场，高度4.850m，其下为车辆测试区域。短向共3 跨，分别为8.4m，25.2m，6.3m，长向共7 跨，跨度均为8.4m。短向中间跨跨度25.2m>18m，属于单向大跨度框架结构，大跨度框架部分框架二级，其余部分框架三级。因测试车辆的高度要求，其上架空广场梁高限高，沿长向跨度25.2m，各专业沟通下来，梁高只能做到1000mm 高，结构平面布置图如图2 所示。

图2 结构平面布置

本工程混凝土强度等级为C35。

3 地基及基础设计、抗浮设计、后浇带、加强带

本工程依据地勘单位提供的勘察报告资料，基础采用天然地基筏板基础（下柱墩），以第 2 层粘土层为持力层,天然地基承载力特征值为230KPa。

因无锡市地下水位较高，纯地下室部分需要考虑抗浮，根据地勘建议及当地经验，本工程采用抗拔桩抗浮，抗拔桩采用预制钢筋混凝土方桩。

因两栋三层配套办公楼地上部分预留为二期建设，结构设计时，承压工况按上部三层办公荷载计算；抗浮按地下室及顶板上覆土厚度1m 的重量（建筑定案提资）+抗拔桩设计（因地上建筑分期建设，故抗浮设计未考虑上部三层办公楼的荷载）。

因地下结构超长，约150m×160m，采用每隔30～40m 设置一道后浇带及后浇加强带相结合的方式来抵抗温度应力带来的不利作用，确保结构内部混凝土能在合理范围内收缩变形，不破坏结构安全。带内采用高一等级微膨胀混凝土浇筑，并要求施工采用低收缩混凝土材料，采取跳仓浇筑，加强施工养护。后浇带、加强带自基础到地库顶板均设

4 架空广场大跨度屋盖结构设计分析

4.1 大跨度结构方案选型

对于大跨度屋盖结构设计（跨度超过18m），一般采用网架结构、预应力混凝土梁板结构和现浇钢筋混凝土井字梁或密肋梁结构等几种形式。

对于本工程而言，长短跨跨度比为25.2/8.4=3，跨度较大，呈单向受力状态；且本工程属于架空广场，需考虑行人、小型车辆行驶荷载及绿化荷载，荷载较大，网架结构并不适合，因而本工程不宜采用。

因梁高受限跨高比较大，变形挠度较大，若采用预应力混凝土梁能有效减小梁挠度、控制梁裂缝。但预应力梁混凝土强度等级不应低于C40，本工程其他部位的混凝土强度等级均为C35，锚具外侧要设混凝土保护层，对所设的后浇混凝土护梁、护墩或槽口也要加强构造处理，施工过于复杂，且对业主方来说，对施工招标时需顾及预应力施工资质及经验，施工周期可能会延长，成本较大，一般不会把预应力梁作为首选。和业主沟通后，考虑到预应力混凝土构件的施工、计算及构造等复杂性，综合考虑之后，决定放弃这一方案。

对于一个方向大跨度，另外一个方向标准跨度，采用单向密肋次梁的结构布置方案已非常成熟。单向密肋梁：通常沿平面短跨方向进行梁等间距布置，可根据跨度及荷载大小调整梁截面尺寸或梁间距。每根大跨梁分担荷载小，梁弯矩可控，通过大跨梁将荷载传递至标准跨，受力合理。对于本工程而言，跨度比较大（25.2m），长短跨跨度比为25.2/8.4=3，呈单向受力状态，因而采用了现浇混凝土单向密肋梁结构形式进行设计。

4.2 单向密肋梁结构的设计要点

单向密肋梁结构设计主要有以下设计要点：（1）大跨度轻荷载；（2）形成连续梁；（3）控制合理的梁截面；（4）跨中配置一定数量的贯通钢筋；（5）施工预起拱等。

由于大跨度梁弯矩与跨度的平方成正比，在跨度不变的情况下减轻荷载已成为结构设计师的共识。本工程属于架空广场，需考虑行人、车辆行驶荷载及建筑绿化等荷载，与业主及建筑专业沟通后，形成以下共识：限制车辆行驶荷载，仅允许小型车辆驶入；建筑找坡、保护层等均采用了轻质混凝土及绿化荷载采用轻质土。以上措施减轻了荷载，也能有效控制梁端弯矩。连续梁方案可有效降低大跨度结构跨中弯矩，强度设计更易实现，挠度、裂缝更容易控制，为优选方案。本工程大跨方向共三跨，中间大跨密肋梁延伸至两边边跨，形成连续梁，梁截面不变。本工程梁高受限，大跨梁只能做到1 000mm 高，通过调整梁宽，梁间距来控制梁弯矩及配筋在一个合理范围内。在跨中配置相当数量的贯通筋，也可降低梁跨中混凝土受压区高度，增加构件延性，梁高也容易控制。采用施工预起拱。以上方法有效解决了中间大跨变形挠度较大的问题。通过计算分析，最终结构布置见表1。

表1 结构布置

柱截面长边沿梁主跨方向，密肋梁间隔1.4m 布置一道。见图3。

图3 单向密肋梁结构平面布置

4.3 单向密肋梁受力及变形分析

整体结构计算及构件配筋采用北京盈建科软件有限责任公司编制的YJK（3.1.0）计算软件分析。

单向密肋梁结构：密肋梁负荷面积、线刚度(EI/L)相同，楼板呈单曲面变形；支承大跨密肋梁的框架梁，受扭明显，尤其梁端跨跨中弯矩、扭转应力较大，应加强抗扭措施，通过加宽加高梁截面（700mm×1 500mm），满足设计要求且不影响使用。与密肋大梁相连的边跨密肋梁，因连续梁支座处弯矩值较大，梁截面与大跨密肋梁相同（400mm×1 000mm），也能适当降低大跨梁的挠度值，边跨密肋梁根据计算结果出现反拱，梁顶钢筋应按抗拉要求拉通布置。边跨密肋梁支座按照固结输入，由软件根据主次梁支座实际刚度和变形来进行应力分配计算。边框梁作为边跨密肋梁的支座，截面也不宜过小（400mm×1 200mm），且应满足《建筑抗震设计规范（2016 年版）》受力及抗扭要求。

图4 单向密肋梁挠度计算结果（挠度最大值约140mm）

按以上截面及布置，密肋梁及主框梁强度及配筋均在合理范围内，满足设计要求；支座处裂缝最大0.29mm，不超过规范《混凝土结构设计规范（2015 年版）》（GB50010-2010）规定值0.3mm，满足规范要求；大跨密肋梁变形较大，跨中最大挠度约140mm（如图3 所示），远远超过规定值l0/300=25 200/300=84mm,因此，设计要求按照施工规范《混凝土结构工程施工质量验收规范（附条文说明）》（GB50204-2015）的要求预起拱且预起拱高度不得小于跨度的3/1 000。明确要求大跨度梁，预起拱高度不得小于80mm，满足施工规范的要求，且最终挠度值为140-80=60mm，小于混凝土规范规定的l0/300=84mm，满足要求。

4.4 施工过程中应注意的事项

目前大跨度楼盖应用范围越来越广泛，但也不乏有关大跨度结构出现问题的情况发生，因而可以说大跨度结构仍然存在一定的风险，在施工时应提高警惕，做好安全质量管控，将设计图纸保质保量施工完毕。

除了常规施工问题以外，对大跨度结构要特别和钢筋班组强调钢筋连续的重要性，另外，为了减少大跨度楼盖区域梁的挠度，可适当增大该区域梁的起拱值，按照施工规范《混凝土结构工程施工质量验收规范（附条文说明）》的要求,梁起拱值取为3/1 000。在施工时因为起拱值与其他区域不同，需与木工班组特别说明，并在支模时做好监督检查。

5 结论

本工程二层架空广场为单向大跨度楼盖，另一方向为正常跨度，根据跨度比呈单向受力状态，通过结构方案比较，综合考虑结构传力合理、受力及变形的控制、施工的便利性等情况，最终选择了单向密肋梁屋盖结构形式，但同时应采取相应的施工构造措施，以保证工程的顺利实施。

对大跨度楼盖的下部钢筋必须连续，不得打断搭接。支座起拱处的上部钢筋应按抗拉锚固，且跨中梁顶应设置一定数量的贯通钢筋，以增加构件的延性。施工前应做好钢筋班组的技术交底，钢筋绑扎过程中加强现场管理，如发现问题及时整改。

对大跨度楼盖结构要充分利用预起拱等构造措施来减少其起拱值。当起拱值与常规区域不同时，需与木工班组特别说明，并在支模时监督检查。

目前，该项目已施工完毕并竣工验收，一切良好。