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多層混合木結(jié)構(gòu)在辦公建筑中的應用

無錫浪潮大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園地處無錫市濱湖區(qū)尚賢河濕地公園西畔，分為A, B兩區(qū)，涉及木結(jié)構(gòu)的建筑共4棟，均采用上部木結(jié)構(gòu)框架+下部混凝土框架結(jié)構(gòu)形式。由上海交通大學設計研究總院木結(jié)構(gòu)所負責木結(jié)構(gòu)部分的方案深化、施工圖設計及施工現(xiàn)場技術(shù)指導等工作。

1??方案概況

本項目采用框架結(jié)構(gòu)，以滿足辦公建筑的功能需求，在空間劃分上也更具有靈活性。為滿足GB 50016—2014《建筑防火設計規(guī)范》及GB/T 51226—2017《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》的要求，將多層辦公樓中上部的木結(jié)構(gòu)的層數(shù)控制在3層以內(nèi)，垂直交通核采用混凝土結(jié)構(gòu)，其他辦公區(qū)域樓蓋及屋頂均采用木結(jié)構(gòu)。木結(jié)構(gòu)涉及的建筑面積約5?900?㎡，包括A1-1約2?900㎡、A1-2約600?㎡、A1-3約2?200?㎡及B1約200?㎡。各木結(jié)構(gòu)單體下有1~2層混凝土框架及一層混凝土地下室。木結(jié)構(gòu)框架梁柱均采用同等組花旗松膠合木，強度等級為TCT32，樓面擱柵及輕木墻體采用進口云杉–松–冷杉（S-P-F）規(guī)格材。外立面主要采用玻璃幕墻，辦公樓內(nèi)部溫和的木結(jié)構(gòu)氛圍與外部濕地公園的自然環(huán)境融合，淡化了玻璃冷峻的現(xiàn)代感。采用連續(xù)的金屬瓦坡頂造型，用現(xiàn)代手法體現(xiàn)了江南意境。

2??結(jié)構(gòu)體系

以A1-1樓為例，該樓地下1層，地上2層，采用混凝土框架+3層木結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)。上部木結(jié)構(gòu)框架沿用混凝土8.4?m×8.4?m為主的柱網(wǎng)，標準層高4.2?m。垂直交通核采用混凝土框架升至屋頂，一方面可滿足防火疏散等規(guī)范要求；另一方面對結(jié)構(gòu)抗側(cè)而言，相當于提供了具有較強抗側(cè)能力的核心筒（圖1）。

（a）

（b）

圖1??A1-1樓結(jié)構(gòu)模型

（a）整體模型；（b）混凝土框架模型

考慮材料性能及連接特點，木結(jié)構(gòu)梁柱間的連接若采用完全的剛接節(jié)點不易實現(xiàn)，故采用鉸接連接，以盡可能使豎向構(gòu)件處于軸向受力狀態(tài)，利用木材順紋受壓性能好的特點，減少受彎、受剪等相對不利的受力狀態(tài)。當然，鉸接節(jié)點也會帶來木結(jié)構(gòu)榀的抗側(cè)體系穩(wěn)定問題。不直接依附于混凝土核心框架的木結(jié)構(gòu)榀自身需具有抗側(cè)能力且不能太低，否則易導致低階振型扭轉(zhuǎn)；樓板平面內(nèi)也需要具有一定剛度，使木結(jié)構(gòu)的水平力也能部分傳遞到剛度較大的混凝土核心框架上。

木結(jié)構(gòu)榀優(yōu)先考慮采用輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻做抗側(cè)體系。輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻的抗側(cè)剛度主要依靠定向刨花板（OSB）的平面內(nèi)剛度。刨花板本身平面內(nèi)剛度較大，但剪力墻剛度與固定刨花板的釘連接剛度緊密相關(guān)。

經(jīng)模型分析，若完全采用輕木剪力墻，需滿足設計要求的剪力墻數(shù)量過多，無法滿足室內(nèi)空間需求，故需調(diào)整剪力墻提高其單位長度剛度而盡可能減少數(shù)量。與輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻相比，在剪力墻面板后設置膠合木暗撐可大幅提高剪力墻抗側(cè)剛度，從而減少剪力墻數(shù)量和長度。支撐的特點是傳力路徑清晰，構(gòu)件受力明確，能為結(jié)構(gòu)體系提供必要的剛度。另一種方案是考慮采用正交膠合木（CLT）做剪力墻，但考慮到目前國內(nèi)木結(jié)構(gòu)的相關(guān)設計規(guī)范對以CLT作為剪力墻時平面內(nèi)抗剪強度及剛度的數(shù)值取用規(guī)定尚不完善，相關(guān)生產(chǎn)廠家也難以提供可靠的設計參數(shù)，故本項目未采用此方法。

樓面擱柵擱置于框架梁之上，因樓板與框架梁不直接連接，故不考慮樓板在其平面內(nèi)的剛度貢獻，而是通過在框架梁間設置短角撐，使樓層平面內(nèi)也具有一定的剛度，確保了即使木結(jié)構(gòu)自身豎向抗側(cè)體系失效，水平力仍可通過樓層平面內(nèi)的剛度傳遞到混凝土核心框架上，而作為第二道防線的混凝土核心框架可確保結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下不至于形成機構(gòu)。

3??設計要點

由于混凝土核心框架抗側(cè)剛度較大，且其剛度中心與建筑平面形心有一定的偏心，故控制扭轉(zhuǎn)位移比和振型周期比是結(jié)構(gòu)設計的主要目標。

與混凝土結(jié)構(gòu)相比，在木結(jié)構(gòu)設計中合理考慮樓板面內(nèi)變形和剛度尤為重要。非完全剛性樓板會使水平力在相鄰剪力墻或支撐抗側(cè)體系間并非完全按抗側(cè)構(gòu)件剛度分配。

因混凝土框架抗側(cè)剛度比四周木結(jié)構(gòu)框架剪力墻大，故在荷載從屬面積接近的情況下，木結(jié)構(gòu)框架會產(chǎn)生相對更大的側(cè)移。在振型周期比控制方面，外圍剛度偏弱也更易產(chǎn)生低階扭轉(zhuǎn)振型。

通過反復嘗試、比較和優(yōu)化后，本項目通過合理布置剪力墻達到了結(jié)構(gòu)控制目標（圖2、表1、表2）。

（a）（b）

圖2??A1-1樓結(jié)構(gòu)布置示意

（a）結(jié)構(gòu)平面（陰影區(qū)域為混凝土結(jié)構(gòu)）；（b）剪力墻布置（粗線為木結(jié)構(gòu)剪力墻）

表1??扭轉(zhuǎn)位移比

表2??振型和周期

GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》3.4.4 條及GB/T 51226—2017《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》6.2.5條規(guī)定，對平面不規(guī)則的建筑，樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件彈性水平位移或?qū)娱g位移的最大值與平均值的比值不宜大于1.5。按此規(guī)定計算結(jié)果均能滿足要求。

基本周期T1=1.25?s；第一扭轉(zhuǎn)周期Tt=0.96?s。2個正交方向質(zhì)量參與度均達到90%，周期比Tt/T1=0.77<0.9，可滿足GB/T 51226—2017《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》6.3.1條及6.2.6條要求。

在彈性層間位移角的分析中，木結(jié)構(gòu)框架和混凝土框架的位移角限值并不相同。

依據(jù)GB/T 51226—2017《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標準》6.1.7條，前者為1/350，后者為1/550。設計結(jié)果見表3、表4。

表3??整體彈性層間位移角

表4??混凝土框架彈性層間位移角

作為第二道防線的混凝土核心框架應具有承擔所有水平荷載的能力，故設計時將木結(jié)構(gòu)框架中的抗側(cè)構(gòu)件移除，重新對混凝土結(jié)構(gòu)進行復核。

4??節(jié)點設計

本項目在節(jié)點設計方面，梁柱連接及支撐節(jié)點均采用鉸接，上下層柱采用每層分段連接形式（圖3）。將柱分段雖對整體的穩(wěn)定性有所削弱，導致每層均需具有抗側(cè)體系，但其顯著優(yōu)點可使框架梁的連接受力更合理。梁端連接件與柱可通過更可靠的柱端順紋受壓傳力，避免僅靠螺栓在柱側(cè)面受剪傳力。上下柱分段并將節(jié)點設計為鉸接，也避免了支撐在節(jié)點處對柱產(chǎn)生剪力和彎矩。木結(jié)構(gòu)的節(jié)點區(qū)域由于連接的特性，通常截面都受到不同程度的削弱，故應避免節(jié)點區(qū)內(nèi)力過于復雜。在施工方面，柱較短時有利于校準定位和維持施工中的穩(wěn)定性，且在安裝位置較低的梁或其他構(gòu)件時有更大的操作空間。

（a）

（b）（c）

圖3??梁柱及支撐連接節(jié)點

（a）節(jié)點大樣；（b）1-1剖面；（c）2-2剖面

在木結(jié)構(gòu)與混凝土框架的連接中，錨板在混凝土施工過程中預埋。由于預埋錨板和混凝土結(jié)構(gòu)本身可能存在施工誤差，而木結(jié)構(gòu)構(gòu)件為預制件，調(diào)整余地不大，所以與木結(jié)構(gòu)連接的鋼墊板可根據(jù)現(xiàn)場放樣并校準位置后再確定尺寸并與錨板焊接（圖4）。由于木結(jié)構(gòu)需要借助混凝土抗側(cè)，木結(jié)構(gòu)框架梁中會有軸向力，木構(gòu)件應按壓彎或拉彎構(gòu)件進行設計，節(jié)點設計中也應考慮軸向力的影響。

（a）

（b）（c）

圖4??梁與混凝土連接節(jié)點

（a）節(jié)點大樣；（b）1-1剖面；（c）2-2剖面

柱頂與主次梁連接的部位，采用結(jié)構(gòu)螺釘?shù)倪B接方式（圖5）。與常用的螺栓連接相比，螺釘連接本身對木材是加固而不是削弱，其與木材間也不存在螺栓連接的空隙，消除了初始變形。

（a）

（b）

圖5??螺釘連接節(jié)點

（a）木梁與木梁連接；（b）木梁與木柱連接

在加工和施工方面，采用結(jié)構(gòu)螺釘降低了對木材加工精度的要求，節(jié)省了螺栓連接在現(xiàn)場對孔的過程，消除誤差更方便。

本項目螺釘經(jīng)歐洲技術(shù)標準（European Technical Assessment）評估測試報告認證，并根據(jù)廠家的指導方法使用，性能可靠，可保證連接的承載力。

5??結(jié)束語

無錫浪潮大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園辦公樓是國內(nèi)首次采用下部混凝土框架+上部木結(jié)構(gòu)框架的混合結(jié)構(gòu)體系建筑。在上層木結(jié)構(gòu)中有混凝土核心框架通至頂層，外圍木結(jié)構(gòu)框架本身具有自身的抗側(cè)體系，也借助混凝土框架形成整體抗側(cè)，混凝土核心框架還可對結(jié)構(gòu)整體起二道防線的作用。

在整體設計中，通過合理布置木結(jié)構(gòu)剪力墻限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，節(jié)點設計力求利用木材本身強度各向異性的特點并考慮施工的可操作性。本項目設計和實踐過程中尚有值得研究之處，將在木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和設計體系完善過程中加以改進。

（責任編輯：何雯麗）