【正文】 ，要修建一座覆蓋空間很大的大跨度結(jié)構(gòu)，可以采用多種結(jié)構(gòu)類型的方案，如拱型結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)等，甚至充氣結(jié)構(gòu)。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，得到位移和應(yīng)力，期間不需要對網(wǎng)格進(jìn)行重復(fù)劃分，可以利用數(shù)學(xué)方法來完成優(yōu)化。（4）用CAD進(jìn)行設(shè)計時，運(yùn)用優(yōu)化理論，形成在設(shè)計中應(yīng)用理論的優(yōu)化方法，推動了設(shè)計的改革。同時，在建筑師和工程師的精心設(shè)計下，網(wǎng)絡(luò)密集的交通系統(tǒng)、鱗次櫛比的高樓大廈、協(xié)調(diào)統(tǒng)一的景觀環(huán)境、先進(jìn)智能的配套設(shè)施使大型城市商業(yè)綜合體成為了代表城市品牌與生活方式的標(biāo)志區(qū)。2 大跨度混合結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 概述大型城市商業(yè)綜合體，集商業(yè)、辦公、居住、餐飲、會議、文娛等于一體，功能齊全、規(guī)模龐大。當(dāng)鋼筋外的混凝土保護(hù)層厚度足夠大時，能保護(hù)鋼筋免于銹蝕，不需要經(jīng)常保養(yǎng)和維修。6）節(jié)約鋼材與鋼結(jié)構(gòu)相比，混凝土結(jié)構(gòu)中用混凝土代替鋼筋受壓，合理發(fā)揮了材料的性能，節(jié)約了鋼材。與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)具有如下的一些特點：1）改善結(jié)構(gòu)使用性能通過對截面受拉區(qū)施加預(yù)壓應(yīng)力，可以均勻結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，降低截面應(yīng)力峰值，使結(jié)構(gòu)在使用荷載下不開裂或減小裂縫寬度，并由于預(yù)應(yīng)力反拱而降低結(jié)構(gòu)的變形，從而改善結(jié)構(gòu)的使用性能，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。7）具有良好的經(jīng)濟(jì)性對適合采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的混凝土結(jié)構(gòu)來說，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)比普通混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)省20%~40%的混凝土和30%~60%的縱筋鋼材，而與鋼結(jié)構(gòu)相比，則可以節(jié)省一半以上的造價。5）抗震性能良好鋼結(jié)構(gòu)由于自重輕和結(jié)構(gòu)體系相對較柔，受到的地震作用較小，鋼材又具有較高的抗拉和抗壓強(qiáng)度以及較好地塑性和韌性，因此在國內(nèi)外的歷次地震中，鋼結(jié)構(gòu)是損壞最輕的結(jié)構(gòu)，已公認(rèn)是抗震設(shè)防地區(qū)特別是強(qiáng)震區(qū)的最合適結(jié)構(gòu)。2）耐銹蝕性差新建造的鋼結(jié)構(gòu)一般隔一定時間都要重新刷涂料，維護(hù)費較高。常見的混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)形式包括混凝土柱上鋼屋蓋房屋結(jié)構(gòu)、混凝土柱—鋼梁框架結(jié)構(gòu)、混凝土框架中采用鋼結(jié)構(gòu)連廊等。因為這種建模分析方法忽略了混凝土結(jié)構(gòu)部分與鋼結(jié)構(gòu)部分的共同作用，將連接節(jié)點視為鉸接，而實際中不存在絕對的鉸接，甚至有時是剛接，因此在風(fēng)荷載、地震作用等水平荷載作用下誤差較大，值得設(shè)計人員警惕。另外，由于鋼梁與混凝土柱常采用剛接，則節(jié)點區(qū)域剛度會明顯增大，在風(fēng)荷載、地震作用等水平荷載作用下節(jié)點區(qū)域剪力增大，建模分析時可考慮適當(dāng)減小節(jié)點剛度，以減小構(gòu)件截面尺寸，在構(gòu)件設(shè)計時則需加強(qiáng)構(gòu)造措施。圖21 鉸接節(jié)點示意圖混凝土柱外包形式為防止預(yù)埋鋼筋對混凝土柱造成破壞，可采取用鋼板將混凝土柱外包的方法。無論是傳統(tǒng)單一的混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)，還是混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件混合的混合結(jié)構(gòu)均難以滿足要求?；炷劣不?，壓型鋼板可作為混凝土的受拉部分，除了在適當(dāng)部位要設(shè)置鋼筋減輕混凝土收縮以及溫度變化的影響外，不必再另設(shè)鋼筋。壓型鋼板板底需做防火、防銹蝕處理。2）減小截面高度由于相當(dāng)寬的混凝土板參與抗壓，組合梁的慣性矩比鋼梁大得多，可以達(dá)到降低梁高、增加層高的效果。第二類最為常見的組合構(gòu)件是型鋼混凝土構(gòu)件。因此，型鋼混凝土構(gòu)件對于抗震十分有利，尤其適用于地震區(qū)。另外，不必等待下層結(jié)構(gòu)的混凝土達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度就可以繼續(xù)上層施工，不需要臨時支撐，可實行土建和設(shè)備安裝工序的平行流水作業(yè)。鋼管混凝土構(gòu)件充分發(fā)揮混凝土和鋼材各自的優(yōu)點，避免了鋼材特別是薄壁鋼材容易失穩(wěn)的特點，所以受力非常合理，大大節(jié)省了材料。2）抗震性能優(yōu)越鋼管混凝土柱中，鋼管相當(dāng)于縱向鋼筋，同時相當(dāng)于橫向箍筋，核心混凝土對鋼管有橫向擠壓力。一旦鋼管部分屈服，溫度不高的混凝土依然可以承受大部分承載力，可防止結(jié)構(gòu)的倒塌，使鋼管混凝土的耐火時間增長，其防火性能比鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更為優(yōu)越。 由上述可知，組合構(gòu)件以其承載力高、變形性能好、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點獨樹一幟，以其為基礎(chǔ)的組合結(jié)構(gòu)已發(fā)展成為繼木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)之后的第五大結(jié)構(gòu)形式。另外，在型鋼混凝土組合構(gòu)件中，為充分利用鋼材，構(gòu)件含鋼率宜控制在4%~10%之間。常見的鋼構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)形式包括組合柱上鋼屋蓋結(jié)構(gòu)、組合柱—鋼梁框架結(jié)構(gòu)等。圖219 型鋼混凝土柱+鋼梁結(jié)構(gòu)圖220 鋼管混凝土柱+鋼梁結(jié)構(gòu)圖221 混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件及組合構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu) 混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件及組合構(gòu)件的混合 概念 如果將混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件及組合構(gòu)件三者混合在一起，則稱之為混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件及組合構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)。對于城市商業(yè)綜合體這類大跨度混合結(jié)構(gòu)，鋼—混凝土組合樓蓋、型鋼混凝土梁、型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱等組合構(gòu)件運(yùn)用最多，其相互之間的混合及其與混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件等的混合也是最為常見的混合結(jié)構(gòu)形式。對于其建筑結(jié)構(gòu)而言，既有高層、超高層辦公塔樓，又有大面積、大跨度、大懸挑的商業(yè)裙房，傳統(tǒng)單一的結(jié)構(gòu)形式顯然難以滿足要求，因此屬典型的大跨度混合結(jié)構(gòu)。 《建筑樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》JGJ942008252。 《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》GB501082008252。在應(yīng)用中，可根據(jù)工程實際情況和分析精度要求，選用其中的一種或幾種簡化假定。因此本文中的結(jié)構(gòu)分析工作主要利用SATWE進(jìn)行。一、線荷載標(biāo)準(zhǔn)值：　　　?。骸　　　?）.外墻一（200厚空心磚,瓷磚墻面）　　　?。?)= kN/m2）.外墻二（200厚KP1多孔磚，瓷磚墻面）　　　?。?)= kN/m3）.外墻三（200厚KP1多孔磚,干掛石材）　　　?。?)= kN/m4）.外墻四（200厚空心磚,干掛石材）　　　?。?)= kN/m：　　　　1）.內(nèi)墻一（200厚空心磚,抹灰墻面）　　　　：()= kN/m2）.內(nèi)墻二（100厚空心磚,抹灰墻面）　　　?。?)= kN/m3）.內(nèi)墻三（200厚KP1多孔磚，瓷磚墻面）　　　?。?)= kN/m4）.內(nèi)墻四（200厚KP1多孔磚，抹灰墻面）　　　　：()= kN/m5）.內(nèi)墻五（100厚KP1多孔磚，瓷磚墻面）　　　　：()= kN/m6）.內(nèi)墻六（100厚KP1多孔磚，抹灰墻面）　　　?。?)= kN/m:　 ?。? kN/m：= kN/m　　　　?。骸? kN/m：　 ?。?)　= kN/m備注：。（6）地震作用本工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震分組為第一組，擬建場地為Ⅱ類建筑場地，與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB500112010的相關(guān)要求一致。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》：鋼筋混凝土房屋應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防類別、烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級，并應(yīng)符合相應(yīng)的計算和構(gòu)造措施要求。表38 各樓層活荷載取值功能分類本項目活荷載取值（kN/m2）商場部分辦公室商場（含走廊）普通層樓層貨車通道首層樓面首層中庭考慮蜘蛛車走廊門廳樓梯電影院餐廳普通樓層餐廳頂層餐廳廚房衛(wèi)生間消防通道（室外）庫房陽臺自行車庫通風(fēng)機(jī)房電梯機(jī)房配電室不上人屋面上人屋面屋頂花園地下車庫超市部分收貨區(qū)、存貨區(qū)冷庫區(qū)域開敞賣場加工間餐飲區(qū)獨立零售店鋪辦公區(qū)衛(wèi)生間消防疏散樓梯（3）附加荷載對于連廊荷載，為簡化起見，建模時以節(jié)點集中力的形式附加到結(jié)構(gòu)上。計算中，混凝土容重取25kN/m3，鋼材容重取78kN/m3。SATWE還考慮了復(fù)雜體型的高層建筑、多塔、錯層、轉(zhuǎn)換層及樓板局部開洞等特殊結(jié)構(gòu)形式。SATWE是中國建筑科學(xué)研究院 PKPMCAD工程部應(yīng)現(xiàn)代多、高層建筑發(fā)展的要求，專門為多、高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計而開發(fā)的基于殼元理論的三維組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。 《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》GB/T504762008252。圖32 建筑平面示意圖圖33 某剖面示意圖 初步設(shè)計分析 設(shè)計依據(jù)252。混合結(jié)構(gòu)中，連接節(jié)點的設(shè)計尤為重要，節(jié)點形式也豐富多彩，在設(shè)計時應(yīng)按著“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的準(zhǔn)則選取合適的節(jié)點形式，在保證計算要求的情況下，加強(qiáng)構(gòu)造措施。常見的混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件及組合構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)形式包括混凝土柱+鋼梁+組合板、混凝土框架+局部型鋼混凝土構(gòu)件或鋼管混凝土構(gòu)件+鋼結(jié)構(gòu)屋蓋等。 設(shè)計要點 對于鋼構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計，既需要參考鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，又需要考慮二者的共同受力機(jī)制，尤其是鋼構(gòu)件與組合構(gòu)件的連接節(jié)點設(shè)計需重點考慮。（2）節(jié)點設(shè)計根據(jù)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ1382001，含型鋼混凝土構(gòu)件的節(jié)點宜采用貫通型（圖212），其中的型鋼拼接構(gòu)造應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)的連接要求，同時應(yīng)按構(gòu)造要求設(shè)置加勁肋。常見的混凝土構(gòu)件與組合構(gòu)件的混合結(jié)構(gòu)形式包括型鋼混凝土柱+混凝土梁+混凝土板、鋼管混凝土柱+混凝土梁+混凝土板、混凝土柱+型鋼混凝土梁+混凝土板、型鋼混凝土柱+型鋼混凝土梁+混凝土板、鋼管混凝土柱+型鋼混凝土梁+混凝土板等。4）施工方便，工期大大縮短鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工周期長，受氣候的影響較大，并在工程中需要大量的腳手架和模板。其滯回曲線表現(xiàn)較好的穩(wěn)定性，曲線圖形飽滿，耗能性能好。因為鋼管混凝土主要是利用強(qiáng)度很高的混凝土受壓，所以這種結(jié)構(gòu)最適用于作軸心受壓與小偏心受壓構(gòu)件。鋼管混凝土組合構(gòu)件是指在鋼管中澆筑混凝土而構(gòu)成的構(gòu)件，并不另配鋼筋（圖211）。澆筑混凝土以前，型鋼混凝土中的型鋼有相當(dāng)?shù)某休d力，可以懸掛模板，承受自重、后澆混凝土重和施工荷載等第一階段荷載。型鋼混凝土組合構(gòu)件的優(yōu)點：1）由于截面中配置了型鋼，含鋼率不受限制，使構(gòu)件承載能力、剛度大大提高，可以大大減小構(gòu)件的截面尺寸，明顯增加建筑物的使用面積。4）剛度好混凝土板與鋼梁共同作用，抗彎模量增大，致使撓度減小，剛度增大。建筑壓型鋼板采用鍍鋅鋼板經(jīng)輥壓冷彎成型，其截面成V型、U型、梯形或類似這幾種形狀的波形。壓型鋼板相當(dāng)平整，可直接作為混凝土樓層的頂棚表面，其波紋間距有預(yù)加工的槽，可供電力、通信等工程之用，省工省料，增加了樓層的有效空間，有效減少各層樓板厚度，可降低層高，節(jié)省投資。近年來，鋼與混凝土組合構(gòu)件作為一種合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以其承載高、剛度大、截面尺寸小和良好的抗震性能等許多突出的優(yōu)點，已逐漸推廣應(yīng)用到建筑工程、公路與城市道路工程、橋梁工程、地下工程和海洋工程等土木工程領(lǐng)域中，特別是許多大城市興建的高層建筑、超高層建筑及大型橋梁等建筑物越來越多地采用組合構(gòu)件。圖22 典型的美國RCS組合節(jié)點示意圖圖23 日本RCS組合節(jié)點柱面鋼板型示意圖圖24 日本RCS組合節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)類型混凝土柱頂加鋼梁如果現(xiàn)場情況要求將鋼梁加到混凝土柱頂上，則需要在柱頂植化學(xué)錨栓，再固定一塊過渡板，將鋼梁放到過渡板上，化學(xué)錨栓穿過打孔的過渡板和鋼梁，用螺栓在鋼梁下翼緣上表面將其固定，柱頂梁上要加支承加勁肋（圖25）。剛接節(jié)點主要使用在主梁或受力較大的梁上，鉸接節(jié)點主要使用在次梁或受力較小的梁上。對于混凝土柱—鋼梁框架結(jié)構(gòu)，常按照普通混凝土框架結(jié)構(gòu)建模，只是將局部構(gòu)件定義為鋼截面。而采用鋼梁等構(gòu)件，可以使結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更大的跨度，尤其是輕鋼屋蓋被廣泛應(yīng)用于商場、超市等房屋。3）耐火性較差鋼結(jié)構(gòu)耐火性較差，在火災(zāi)中，未加防護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)一般只能維持20分鐘左右。當(dāng)溫度達(dá)到300℃以上時，強(qiáng)度逐漸下降，600℃時，強(qiáng)度降至不到三分之一，在這種場合，對鋼結(jié)構(gòu)必須采取防護(hù)措施。另外，鋼結(jié)構(gòu)也是土木工程的主要結(jié)構(gòu)種類之一，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。3）充分利用高強(qiáng)鋼材在普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于裂縫寬度和撓度的限制，高強(qiáng)鋼材的強(qiáng)度不可能被充分利用。如混凝土結(jié)構(gòu)的自重大（素混凝土的容重為22~24kN/m3，鋼筋混凝土的容重為24~25kN/m3），對大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑及結(jié)構(gòu)抗震不利；混凝土易開裂，一般混凝土結(jié)構(gòu)使用時往往帶裂縫工作，對裂縫有嚴(yán)格要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如混凝土水池、地下混凝土結(jié)構(gòu)、核電站的混凝土安全殼等）需采取特殊的措施；現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)需耗費大量的模板；施工受季節(jié)性的影響較大；隔熱隔聲性能較差等。2）良好的耐火性不采取特殊的技術(shù)措施，混凝土結(jié)構(gòu)房屋一般具有1~3h的耐火時間，不致因火災(zāi)導(dǎo)致鋼材很快軟化而造成結(jié)構(gòu)整體破壞。對于此類大跨度混合結(jié)構(gòu)，鋼—混凝土組合樓蓋、型鋼混凝土梁、型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱等組合構(gòu)件運(yùn)用最多，其相互之間的混合及其與混凝土構(gòu)件、鋼構(gòu)件等的混合也是最為常見的混合結(jié)構(gòu)形式。對于其建筑結(jié)構(gòu)而言，既有高層、超高層辦公塔樓，又有大面積、大跨度、大懸挑的商業(yè)裙房，傳統(tǒng)單一的結(jié)構(gòu)形式難以滿足要求，屬典型的大跨度混合結(jié)構(gòu)。目前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計解決的問題從減輕結(jié)構(gòu)重量擴(kuò)展到降低應(yīng)力水平、改進(jìn)結(jié)構(gòu)性能和提高安全壽命、使用舒適度等更多方面。因此，結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化主要依靠數(shù)學(xué)優(yōu)化算法來實現(xiàn)。由于對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、動力特性、造價、抵御自然災(zāi)害的能力、美學(xué)效應(yīng)以及其他社會效應(yīng)的眾多要求，結(jié)構(gòu)選型是一個綜合性很強(qiáng)的決策問題，它要求力學(xué)、結(jié)構(gòu)、建筑學(xué)、美學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科的密切配合才能很好地解決。隨著有限元結(jié)