上海市建工设计研究总院有限公司 200235
摘要：上海市某工业园区大型生产辅助用房能源站结构设计，通过设置合理设置伸缩缝将结构分为较为规格的两个结构单元。基础设计采用桩基承台，蓄冷热灌基底采用桩筏基础。上部结构设计采用装配式结构，以本工程为实例介绍了框架结构装配式拆分注意事项及计算要点。最后文章介绍了混凝土柱轻钢屋面结构设计要点。
关键词：工业园区 辅助用房 伸缩缝 基础设计 装配式框架结构设计 混凝土柱轻钢结构屋面
1工程概况
上海国际化工新材料科技创新中心F6中试基地一期建设项目位于上海化学工业区内目华路以东、舜工路以北的 F6-4地块，本项目单体冷热能源站作为中试基地的重要公用配套工程，集整个基地的热媒冷媒及电力配套服务功能于一体，包含电池间、设备间、蓄冷罐等功能，总建筑面积2434.37㎡，为地上2层框架建筑及单层钢结构。建筑平面图及立面图如图1、图2所示。
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图1 一层建筑平面图
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图2 建筑立面图
建筑物设计使用年限为50年，结构安全等级二级；建筑主体结构抗震设防类别为乙类。地震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，建筑场地类别Ⅵ类，设计地震分组为第一组。
2建筑特点及结构选型分析
本项目单体左侧为单层厂房结构，结构顶面标高22.4m，右侧为2层建筑物，屋面标高为12.00m。根据建筑物特点，在高差分界位置设置一道抗震缝，将建筑物分为左右两部分。左侧为单层厂房结构，结构屋面标高22.4m，H~G轴局部屋面标高6m；右侧为两层框架结构，屋面结构标高为12m。
右侧单元建筑功能为设备间或配电室，荷载较大，主要楼面设备荷载为15KN/m2，采用混凝土框架结构，根据计算柱截面采用600x600或700x700；框架梁截面采用400x800、400x900，次梁采用十字梁，截面为300x700或300x650。
左侧单元为单层厂房，内部主要存放成品蓄冷热灌（罐体直径20m，高度20m）及其它设备。从节约造价角度考虑，采用了底部混凝土框架轻钢屋面（罐体顶面）结构形式。相对于传统的钢结构或混凝土厂房，该结构具有材料价格低、墙面围护结构施工维护方便、屋面自重轻、找坡容易等特点。
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3基础设计
本工程位于上海市奉贤区上海化学工业区内，典型地质情况见图3。本工程虽然层数不高，但柱距较大，柱底荷载较大，采用天然基础无法满足承载力及沉降要求，因而选择PHC预制管桩+承台基础。根据地勘报告，⑤1黏土层及以上各层土，土质软弱，埋藏浅，不适宜作为本单体的桩基持力层；⑤2层力学性能较好，但土层厚度薄，作为桩基持力层时难以满足桩端进入该土层深度2D（桩径）且下部不少于3D的规范要求；⑤3黏土层压缩模量为6.7，软塑，全场分布，厚度适中，可作为建筑物的桩基持力层；⑦1砂质粉土层比贯入阻力Ps值为16.14MPa，中密，厚度适中，可作为拟建建筑物的桩基持力层。本工程柱底反力在800~4200KN之间，选用500管径PHC管桩，桩端持力层选定为⑤3层，桩长24m，经计算桩抗压承载力设计值为600KN，桩承台底最大桩数为9根；存放成品蓄冷热灌区域底部荷载大，根据厂家提资，达25T/m2，因此在罐底设置了桩筏，筏板厚度为1500m，桩径500，桩长30m，单桩抗压承载力设计值为1050KN，YJK软件桩竖向承载力验算结果最大反力为945KN，筏板中心最大计算沉降量为46mm。
本工程一层存放的设备较重且有振动，采用地面压实处理难以满足地基承载力及沉降要求，故采取了在设备放置位置打桩并浇筑桩帽承台的措施。设备桩采取了500直径的PHC预制管桩，桩长24m，根据设备大小设置4根或6根。
4上部结构设计
本单体上部结构虽然体量不大，但较为复杂。左侧单元为底部混凝土框架结构轻钢屋面结构，且存在5~6轴低屋面局部错层问题；右侧单元为两层混凝土框架结构，荷载大，层高较高；项目位于上海市，又涉及到装配式问题。下面根据建筑物的结构特点，介绍一下采取的一些结构措施和计算分析内容。
4.1装配式设计
根据上海市相关政府文件规定，工业建筑类项目中配套用房建筑面积与地上总建筑面积之比超过7%时，需实施装配式建筑；本单体建筑面积2434.37㎡，地上总建筑面积11495㎡，因此需要实施装配式设计。
按规定，建筑单体的预制率不低于40%，由于单体的楼层数少，屋面楼板、卫生间楼板、楼梯间梁柱采用预制构件面临防水、施工方面的问题，因此在装配式构件拆分时，除选择了比较常见的梁、楼板、楼梯、女儿墙、雨棚板外，还选择了部分柱进行预制，单体预制率达到了43%。对于6m标高屋面大洞口周边的梁柱构件，按规程要求不宜作为预制构件，故大洞口周边柱采用现浇柱，顶层及6m标高梁采用现浇梁，6~屋顶的层间梁从预制率角度考虑，采用预制梁。右侧单体楼面次梁为十字梁，考虑构件预制的需要，结构设计时两个方向的次梁应有一定的高差，高差的大小应根据预制梁抗剪计算确定，按构造一般不小于60mm。
预制构件拆分完成后，应对构件进行吊装、施工阶段验算，并对预制梁端、柱底进行抗剪验算。在进行叠合梁斜截面受剪承载力验算时，出现了较多梁构件，被连接构件端部按实配钢筋面积计算的斜截面受剪承载力设计值大于地震设计工况下梁端接缝受剪承载力设计值，即不满足JGJ1-2014的公式6.5.1-3的要求，这里采取的措施是附加梁端抗剪钢筋，放置在叠合面上，梁端伸出长度不小15d。
4.2混凝土框架设计要点
右侧单元为常规的两层混凝土框架结构，计算结果须满足规范关于框架结构的一些规定。需要注意的是，二层楼面设备荷载较大，且有振动，须考虑振动系数，经与厂家沟通并综合考虑设备特点，振动系数取为1.2；一层地面位置设置框架梁，可以降低首层混凝土柱计算高度，同时也有利于周期、位移等整体参数满足规范要求。
左侧单元混凝土框架相对来说比较复杂，除了有局部屋面收进外，屋面采取了轻钢屋面。结构计算模型建立时，可分为3个层，即0m梁层、6m屋面结构层和屋顶钢结构层。计算整体参数结果应满足混凝土框架结构的要求，如位移角小于1/550，位移比小于1.2，周期比小于0.9等。对于改该类空敞结构，整体指标控制有一定的难度，但通过采取一定的结构措施仍可实现，本单体通过在6~屋顶每隔4.5m设置层间梁，加强加宽顶层混凝土框架梁截面等措施，保证了结构的整体计算参数满足混凝土框架结构的要求，位移比为1.18<1.2，避免结构超限。
左侧单元在6m标高屋面处，根据抗震规范，有两条超过了规范关于建筑形体平面或竖向规则性的要求，具体为（1）开洞面积大于本层面积的 30%；（2）大屋面与6m处屋面比较，局部收进尺寸大于相邻下层的 25%。采取的结构措施为：（1）补充结构弹性时程分析，根据弹性时程分析结果对地震力进行放大，本工程地震力放大系数为1.018；（2）加强洞口周边梁的纵向配筋，并配置抗扭腰筋；（3）加厚6m标高屋面楼板至150mm厚，楼板配筋按配筋率0.25%双层双向拉通配置；（4）进行楼板地震应力分析，保证楼板在小震作用下保持弹性，在中震作用下楼板钢筋不屈服；并按有限元应力计算结果复核楼板配筋。
4.3屋面钢结构设计
屋面采用轻钢屋面，根据建筑做法，屋面恒载为0.6KN/mm2，屋面活载为0.5KN/mm2。为减轻重量，钢梁采用变截面，钢梁跨度25m，钢梁间距6.5m，经计算，钢梁端部及中间位置截面高度为1000mm，中间1/3位置处截面高度渐变为700mm。钢梁端部通过锚栓，与混凝土柱顶铰接连接。为保证主钢梁的稳定性，在中间位置间隔6.5m设置了钢次梁，并在端部两跨钢梁之间加设了交叉水平撑，交叉水平撑按压杆设计。屋面钢结构平面布置图如图4所示。为了满足屋面花纹钢板的按照要求，屋面按间隔1.5m布置了C型檩条，檩条截面为C250x75x20x2.5，檩条的计算除了要满足在竖向恒活荷载作用下的承载力、变形要求外，还需要进行风吸荷载作用下的验算。
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图4 屋面钢结构平面图
本工程采用的混凝土柱轻钢屋面，虽然广泛应用于工业厂房、仓储场馆等建筑中，但区别于传统的混凝土或钢结构，规范并未对该类结构进行专门的规定。本工程混凝土柱单层高度22.4m，如何确定混凝土柱的计算长度系数尤为重要。按照YJK软件默认设置，混凝土柱的计算长度为1.25，这是取自混凝土结构设计规范关于框架结构底层柱计算长度系数的规定，但本结构屋面钢梁与混凝土柱铰接，按混凝土框架确定柱计算长度显然不妥。本工程屋面为轻钢柔性屋面，可参照《混凝土结构设计规范》6.2.20条关于排架柱计算长度系数的规定，偏安全的取2。经计算混凝土支承柱截面为700x1000mm，跨度方向纵筋的配筋值为50cm2，采用双排配置可满足计算结果。
5结语
混凝土柱轻钢屋面由于其经济型，在工业厂房及民用建筑有广泛的应用。而装配式建筑也是今年来政府大力倡导的建筑方式。本文通过上海市化工区F6-4地块辅助用房冷热能源站项目，从结构选型、基础设计、装配式设计、混凝土主体框架结构设计、屋面钢结构设计等方面介绍了该类建筑结构设计的分析要点和设计思路，为今后类似的建筑结构设计提供参考。
参考文献：
[1]GB 50010-2010 《混凝土结构设计规范》
[2]GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》
[3]GB 50017-2017 《钢结构设计标准》
[4]JGJ 1-2014 《装配式混凝土结构技术规程》
[5]贾远林 朱萱.混凝土柱轻钢屋面厂房分析及设计《工业建筑》