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某设计使用年限100年建筑结构设计
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内容提示：某大型博物馆工程,设计使用年限100年,安全等级为一级,抗震设防类别为重点设防类。主体平面尺寸109m×58m,结构总高度23.4m,钢筋混凝土框架结构,大跨度楼、屋盖采用钢筋混凝土单向梁、井字梁体系。针对设计使用年限100年的关键问题,本文从地震动参数、荷载取值、耐久性要求、抗震措施、施工要求等方面进行了设计探讨,供大家参考。
某大型博物馆工程,建筑面积约15400m2,平面尺寸为109m×58m,结构总高度23.4m。主体为三层框架结构,局部两层通高。大跨楼、屋盖采用钢筋混凝土单向梁、井字梁体系。单向梁的跨度分为16.8m和20.4m两种,主梁截面分别为400mm×1200mm和400mm×1400mm,梁中距2.8m。井字梁跨度为24.3m×24.3m和16.8m×25.2m,井字梁截面为450mm×1350mm和300mm×1000mm,梁中距为2.7m和3m。基础为柱下独立基础,地基基础设计等级甲级。建筑结构设计使用年限为100年,安全等级一级,结构重要性系数γ0取1.1。本地区设计地震基本烈度为6度,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类。本工程抗震设防类别为重点设防类(乙类),地震作用按6度计算,抗震措施按7度设防[1、2]。（参考《建筑中文网》）
1 设计使用年限100年设计
1.1 地震动参数
按照三水准设防思想,即多遇地震、基本烈度地震和罕遇地震,在设计使用年限为50年时,对应的重现期分别为50年,475年和1975年。以设计地震基本烈度I为基础,取平均意义上的烈度相关关系,即多遇地震为I-1.55度,罕遇地震为I+1.0度。对于不同的基本地震烈度区,重现期为X的设防烈度可表示为[4]:
I=a(logX)2+blogX+c。设计使用年限T与重现期X的关系为:PT(I i)=1-e-λ(I i)T。其中,λ为地震的年平均发生率,与地震重现期互为倒数,即:X(I i)=1/λ(I i)。规范[3]定义的基本抗震设防烈度对应的超越概率为10%,由此可得设计使用年限为100年时,基本烈度地震对应的重现期为958年。由二次项差值法,6度区重现期958年的计算设防烈度为6.49度。基本地震加速度A=0.1×2(I-7)=0.07g,多遇地震下的水平地震影响系数最大值αmax=0.056。
1.2 荷载取值
本地区100年一遇的基本风压为0.50kN/m2,地面粗糙度类别为B类。本地区100年一遇的基本雪压为0.50kN/m2,雪压与屋面均布活荷载不同时考虑。建筑结构荷载规范采用的设计基准期为50年,其荷载统计参数都是按设计基准期为50年确定的。严格来讲,设计使用年限100年的建筑应另行确定在设计基准期100年内最大荷载的概率分布及相应的统计参数。现阶段,设计基准期100年的可变荷载概率模型尚未建立,主要通过重要性系数来提高结构的安全性,重要性系数增加0.1,可靠指标约增加0.5。本工程安全等级为一级,结构重要性系数取1.1。
1.3 耐久性要求
设计使用年限为100年的建筑必须保证在正常维护下具有足够的耐久性。在一类环境中,设计使用年限为100年的钢筋混凝土结构最低混凝土强度等级为C30,混凝土中的最大氯离子含量不得超过0.06%,混凝土中的最大含碱量不得超过3.0kg/m3,混凝土保护层厚度应按规定增加40%。相比设计使用年限为50年的一般结构,在一类环境中,板的保护层厚度由15mm增加到21mm,梁的保护层厚度由25mm增加到35mm,柱的保护层厚度由30mm增加到42mm。随着保护层厚度的增加,梁、柱截面有效高度随之减小;同时,梁、柱截面纵向钢筋单排最大根数随之减少;在计算和配筋时需考虑这两方面的影响。
在二类和三类环境中,设计使用年限为100年的钢筋混凝土结构,应采取专门有效措施。在设计中可采取如下措施:限制混凝土的水灰比;适当提高混凝土的强度等级;保证混凝土抗冻性能;提高混凝土抗渗透能力;使用环氧涂层钢筋;构造上注意避免积水;构件表面增加防护层使构件不直接承受环境作用等。本工程柱下独立基础和基础联系梁表面均涂抹一层防水水泥砂浆,并要求施工时限制混凝土的水灰比。从材料性能和构造措施上保证基础结构的耐久性。
1.4 抗震措施
本地区设计地震基本烈度为6度,抗震措施提高一度,按7度设防,框架抗震等级为三级。局部大跨度单向梁、井字梁再提高一级,其框架抗震等级为二级。即大跨度框架梁和与之相连的框架柱,其抗震等级提高到二级。体现了局部加强,适当提高的设计思路[5、6]。梁柱节点处柱端弯矩增大系数取1·2,柱剪力增大系数取1.2,梁端剪力增大系数取1.2,并对框架节点核心区进行抗震受剪承载力验算。在构造上,要求梁、柱的钢筋接头均采用机械连接,梁下部钢筋接头在两端1/3跨度范围内,上部钢筋接头在跨中1/3跨度范围内,同一截面的接头数量不超过25%。
1.5 大跨度楼、屋面梁布置
本工程陈列厅、展厅、序厅、艺术厅均有大空间使用要求。大跨楼、屋盖采用钢筋混凝土单向梁、井字梁体系。单向梁的跨度分为16.8m和20.4m两种,主梁截面分别为400mm×1200mm和400mm×1400mm,梁中距2.8m。井字梁跨度为24.3m×24·3m和16.8m×25.2m,井字梁截面为450mm×1350mm和300mm×1000mm,梁中距为2.7m和3m。大跨度单向梁、井字梁布置,如图1~3所示。
1.6 施工要求
结构板厚、梁柱截面尺寸、结构找坡应尽可能精确,减小施工误差。井字梁节点处钢筋密集,应采用粒径较小的级配碎石做骨料,浇注混凝土振捣密实。施工时的起拱,大跨度单向梁、井字梁应按跨度的2.5‰起拱。表1列出的长期荷载作用下的挠度为3~4‰,验算挠度时减去起拱值,均满足规范要求。屋面后浇带封闭后,夏季施工应防止暴晒,可采取蓄水养护,屋面应严格做好保温隔热层。施工时的总荷载远大于下层顶板的承力极限,一般将以下几层模板均作为临时支撑。本工程大跨度井字屋盖下仅有一层顶板(二层楼面),首层为回填土地面,需对回填土进行处理,立于回填土地坪上的支撑,其下应做临时基础,不得下沉。合理组织施工顺序,精心设计模板支撑体系,研究制定支模和拆模方案。施工过程中应对大跨度钢筋混凝土梁进行实时的变形观测,采取分阶段拆模(由跨中至两端),在拆模过程中观测挠度变化、裂缝大小,并做好安全记录。
表1 大跨度楼屋面梁挠度统计
2 结论
大型博物馆作为纪念性的、特别重要的建筑,其设计使用年限为100年。设计使用年限是设计规定的一个时期,在这一规定时期内,只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用,完成预定的功能。目前主要设计规范、规程的设计基准期均为50年,要使不同设计使用年限的建筑工程达到预定的功能具有足够的可靠度,所对应的各种可变荷载的标准值和变异系数、可靠指标的确定等需要相互协调一致,是一个系统工程,有待逐步研究解决。对于设计使用年限为100年建筑的抗震设计,本文采用既提高地震作用又提高抗震措施的方法,使结构的抗震安全性有较大程度的提高。同时,对结构耐久性和施工措施提出明确要求,以达到结构在设计使用年限内的可靠度。
参考文献:
[1] GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2] GB500223-2008,建筑工程抗震设防分类标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[3] GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[4] 估计不同服役期结构的抗震设防水准的简单方法[J].建筑结构,2002,32(1).
[5] 讨论规范中的几个概念设计问题[J].结构工程师,2009,25(3):24-28.
[6] 山西博物馆结构设计[J].结构工程师(增刊),2003(z1):388-391. 来源: 《建筑中文网》.
1 设计使用年限100年设计
1.1 地震动参数
按照三水准设防思想,即多遇地震、基本烈度地震和罕遇地震,在设计使用年限为50年时,对应的重现期分别为50年,475年和1975年。以设计地震基本烈度I为基础,取平均意义上的烈度相关关系,即多遇地震为I-1.55度,罕遇地震为I+1.0度。对于不同的基本地震烈度区,重现期为X的设防烈度可表示为[4]:
I=a(logX)2+blogX+c。设计使用年限T与重现期X的关系为:PT(I i)=1-e-λ(I i)T。其中,λ为地震的年平均发生率,与地震重现期互为倒数,即:X(I i)=1/λ(I i)。规范[3]定义的基本抗震设防烈度对应的超越概率为10%,由此可得设计使用年限为100年时,基本烈度地震对应的重现期为958年。由二次项差值法,6度区重现期958年的计算设防烈度为6.49度。基本地震加速度A=0.1×2(I-7)=0.07g,多遇地震下的水平地震影响系数最大值αmax=0.056。
1.2 荷载取值
本地区100年一遇的基本风压为0.50kN/m2,地面粗糙度类别为B类。本地区100年一遇的基本雪压为0.50kN/m2,雪压与屋面均布活荷载不同时考虑。建筑结构荷载规范采用的设计基准期为50年,其荷载统计参数都是按设计基准期为50年确定的。严格来讲,设计使用年限100年的建筑应另行确定在设计基准期100年内最大荷载的概率分布及相应的统计参数。现阶段,设计基准期100年的可变荷载概率模型尚未建立,主要通过重要性系数来提高结构的安全性,重要性系数增加0.1,可靠指标约增加0.5。本工程安全等级为一级,结构重要性系数取1.1。
1.3 耐久性要求
设计使用年限为100年的建筑必须保证在正常维护下具有足够的耐久性。在一类环境中,设计使用年限为100年的钢筋混凝土结构最低混凝土强度等级为C30,混凝土中的最大氯离子含量不得超过0.06%,混凝土中的最大含碱量不得超过3.0kg/m3,混凝土保护层厚度应按规定增加40%。相比设计使用年限为50年的一般结构,在一类环境中,板的保护层厚度由15mm增加到21mm,梁的保护层厚度由25mm增加到35mm,柱的保护层厚度由30mm增加到42mm。随着保护层厚度的增加,梁、柱截面有效高度随之减小;同时,梁、柱截面纵向钢筋单排最大根数随之减少;在计算和配筋时需考虑这两方面的影响。
在二类和三类环境中,设计使用年限为100年的钢筋混凝土结构,应采取专门有效措施。在设计中可采取如下措施:限制混凝土的水灰比;适当提高混凝土的强度等级;保证混凝土抗冻性能;提高混凝土抗渗透能力;使用环氧涂层钢筋;构造上注意避免积水;构件表面增加防护层使构件不直接承受环境作用等。本工程柱下独立基础和基础联系梁表面均涂抹一层防水水泥砂浆,并要求施工时限制混凝土的水灰比。从材料性能和构造措施上保证基础结构的耐久性。
1.4 抗震措施
本地区设计地震基本烈度为6度,抗震措施提高一度,按7度设防,框架抗震等级为三级。局部大跨度单向梁、井字梁再提高一级,其框架抗震等级为二级。即大跨度框架梁和与之相连的框架柱,其抗震等级提高到二级。体现了局部加强,适当提高的设计思路[5、6]。梁柱节点处柱端弯矩增大系数取1·2,柱剪力增大系数取1.2,梁端剪力增大系数取1.2,并对框架节点核心区进行抗震受剪承载力验算。在构造上,要求梁、柱的钢筋接头均采用机械连接,梁下部钢筋接头在两端1/3跨度范围内,上部钢筋接头在跨中1/3跨度范围内,同一截面的接头数量不超过25%。
1.5 大跨度楼、屋面梁布置
本工程陈列厅、展厅、序厅、艺术厅均有大空间使用要求。大跨楼、屋盖采用钢筋混凝土单向梁、井字梁体系。单向梁的跨度分为16.8m和20.4m两种,主梁截面分别为400mm×1200mm和400mm×1400mm,梁中距2.8m。井字梁跨度为24.3m×24·3m和16.8m×25.2m,井字梁截面为450mm×1350mm和300mm×1000mm,梁中距为2.7m和3m。大跨度单向梁、井字梁布置,如图1~3所示。
1.6 施工要求
结构板厚、梁柱截面尺寸、结构找坡应尽可能精确,减小施工误差。井字梁节点处钢筋密集,应采用粒径较小的级配碎石做骨料,浇注混凝土振捣密实。施工时的起拱,大跨度单向梁、井字梁应按跨度的2.5‰起拱。表1列出的长期荷载作用下的挠度为3~4‰,验算挠度时减去起拱值,均满足规范要求。屋面后浇带封闭后,夏季施工应防止暴晒,可采取蓄水养护,屋面应严格做好保温隔热层。施工时的总荷载远大于下层顶板的承力极限,一般将以下几层模板均作为临时支撑。本工程大跨度井字屋盖下仅有一层顶板(二层楼面),首层为回填土地面,需对回填土进行处理,立于回填土地坪上的支撑,其下应做临时基础,不得下沉。合理组织施工顺序,精心设计模板支撑体系,研究制定支模和拆模方案。施工过程中应对大跨度钢筋混凝土梁进行实时的变形观测,采取分阶段拆模(由跨中至两端),在拆模过程中观测挠度变化、裂缝大小,并做好安全记录。
表1 大跨度楼屋面梁挠度统计
2 结论
大型博物馆作为纪念性的、特别重要的建筑,其设计使用年限为100年。设计使用年限是设计规定的一个时期,在这一规定时期内,只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用,完成预定的功能。目前主要设计规范、规程的设计基准期均为50年,要使不同设计使用年限的建筑工程达到预定的功能具有足够的可靠度,所对应的各种可变荷载的标准值和变异系数、可靠指标的确定等需要相互协调一致,是一个系统工程,有待逐步研究解决。对于设计使用年限为100年建筑的抗震设计,本文采用既提高地震作用又提高抗震措施的方法,使结构的抗震安全性有较大程度的提高。同时,对结构耐久性和施工措施提出明确要求,以达到结构在设计使用年限内的可靠度。
参考文献:
[1] GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2] GB500223-2008,建筑工程抗震设防分类标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[3] GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[4] 估计不同服役期结构的抗震设防水准的简单方法[J].建筑结构,2002,32(1).
[5] 讨论规范中的几个概念设计问题[J].结构工程师,2009,25(3):24-28.
[6] 山西博物馆结构设计[J].结构工程师(增刊),2003(z1):388-391. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201104/14844.htm
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