多層混合木結(jié)構(gòu)在辦公建筑中的應(yīng)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(xué)設(shè)計研究總院木結(jié)構(gòu)所負責(zé)木結(jié)構(gòu)部分的方案深化、施工圖設(shè)計及施工現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)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GB50016—2014《建筑防火設(shè)計規(guī)范》及GB/T51226—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(dāng)于提供了具有較強抗側(cè)能力的核心筒（圖1）。（a）（b）圖1A1-1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(dāng)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計的主要目標。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，在木結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)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2A1-1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GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》3.4.4條及GB/T51226—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?；局芷赥1=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/T51226—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/T51226—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(shè)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(yīng)具有承擔(dān)所有水平荷載的能力，故設(shè)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(fù)核。4、節(jié)點設(shè)計本項目在節(jié)點設(shè)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(dǎo)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(shè)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(yīng)避免節(jié)點區(qū)內(nèi)力過于復(fù)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(yù)埋。由于預(yù)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(yù)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(yīng)按壓彎或拉彎構(gòu)件進行設(shè)計，節(jié)點設(shè)計中也應(yīng)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（EuropeanTechnicalAssessment）評估測試報告認證，并根據(jù)廠家的指導(dǎo)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