毕节卫生职业学校位于贵州省毕节市东郊，其中B3#教学楼位于校园南侧。建筑物占地面积约3 000m²，建筑层数为2层，层高4.5m，总建筑面积约为4 078m²，±0.000相当于绝对标高1 398.0m。根据项目整体景观设计的要求，B3#教学楼底部需跨越校内景观水系，下部跨度为48.0m，整体造型采用仿桥屋设计，立面下部造型采用拱形设计，上部为两层教室，屋面连通室外道路，形成人行通道。项目整体的效果图如图1所示。

　　 本工程抗震设防分类为重点设防类，抗震设防烈度为6度，抗震措施为7度，框架的抗震等级为二级，50年一遇的基本风压为0.30kN/m²，地面粗糙度为B类，风荷载体型系数为1.30。

　　 根据地勘报告，场地岩土单元自上而下分别为:(1)素填土，由黏土夹块石组成，结构松散;(2)红黏土，局部分布，钻探揭露均为可塑状，土质均匀;(3)₁强风化泥质白云岩:灰白色，岩体破碎，岩芯多为砂状，少量碎块状，易钻进，岩质较软，分布于基岩表层;(3)₂中风化泥质白云岩:灰白色，岩体较破碎，岩芯呈碎块状，短柱状，见豆状小溶孔发育，具蜂窝状构造，岩石疏脆，较软。地勘剖面与主体结构关系如图2所示。

　　 建筑物整体为仿桥屋造型，底部跨度为48.0m，上部需支撑两层钢筋混凝土结构的教学楼，存在结构跨度大、结构自重大等特点。

　　 结合建筑造型特性，首先考虑采用桥梁设计中常用的多跨连续上承式混凝土桁架拱桥方案。主要承重体系由下弦拱圈、上弦板(梁)以及立柱、斜杆组成，结构体系简图如图3所示。

　　 经结构分析，桥拱跨度为48m，拱轴矢高为6m，矢跨比为1∶8，跨中的桁架总高度为2.1m，根部桁架总高度为6.0m，按照建筑造型设置4榀桁架拱，根据计算，由于上部荷载大、桁架拱高度相对较小，导致了桁架构件截面偏大，下弦拱圈截面为800×1 200，斜杆截面为800×800，且拱脚在竖向荷载作用下的总水平推力达到46 723kN，在长期较大的荷载作用下，容易出现支座变形而产生二次内力。故上承式混凝土桁架拱桥方案不能满足本工程的设计要求。

　　 为此，本工程最终选用了大跨度钢筋混凝土落地桁架结构体系。结构沿跨度方向共设4榀框(桁)架，考虑到教学楼采光的需求，仅在中间走廊两侧设置落地桁架，外立面采用框架结构，通过设置在建筑隔墙上的错列悬挑桁架支承，实现外立面最大程度的简洁和通透性。落地桁架充分利用桥屋的高度，桁架跨中高度为8.5m，桁架跨高比为5.6，通过上下弦杆、斜腹杆和竖向腹杆形成钢筋混凝土整体桁架，桁架有较大的竖向刚度，由于有了斜腹杆的作用，减小了桁架弦杆的弯矩和剪力;由于竖腹杆的作用，使得桁架弦杆的弯矩分布更加均匀，上下弦杆跨中弯矩相当^[1]。斜杆落地处利用建筑两层山体的强风化岩层及挖孔桩基础作为侧向支承以提供水平承载力。各榀框(桁)架的结构布置如图4所示。结构布置平面图如图5所示，其中阴影部分为桁架布置位置。落地桁架(主桁架)及错列悬臂桁架如图6、图7所示。

　　 本工程主结构大跨度桁架采用两端落地设计，桁架上弦杆截面为600×1 050，下弦杆截面为600×1 000，落地斜杆截面为600×1 200，中部斜腹杆截面为600×600，直腹杆截面为600×1 000(与Y向错列伸臂桁架结合)。混凝土强度等级为C40。主桁架两端外延8m，端部设置混凝土挡墙，墙外为强风化泥质白云岩，岩体与挡墙间采用C15素混凝土回填，以保证岩体为结构提供足够的水平推力。本工程采用YJK和MIDAS Gen进行结构分析，计算结果见表1。

　　 根据计算结果，主桁架在竖向荷载作用下，跨中最大位移为14.41mm(L/3 331,L为主桁架跨度)，满足结构在恒荷载+活荷载标准组合作用下的竖向位移控制要求;在X向地震作用下，桁架柱顶水平位移为0.36mm(H/28 055,H为桁架高度)，在Y向地震作用下，桁架柱顶水平位移为0.80mm(H/12 625)，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)第5.5.1条，钢筋混凝土框架结构在多遇地震作用下弹性层间位移角限值为1/550，本结构多遇地震作用下水平位移角满足侧向变形的控制要求^[2]。竖向地震标准作用下结构跨中最大位移为0.48mm，仅为恒荷载+活荷载标准组合作用下的3.3%，故可不考虑竖向地震的作用。

　　 经验算，在各荷载工况组合包络条件下，上弦杆的最大压力为-11 718kN，下弦杆的最大拉力为7 297kN，落地斜腹杆的最大压力为-12 878kN。同时，由于混凝土构件截面较大，杆件自身刚度较大，构件自身也会产生不可忽视的弯矩和剪力，上弦杆最大弯矩为864kN·m，下弦杆最大弯矩为1 289kN·m，落地斜腹杆最大弯矩为813kN·m。根据以上内力对主桁架结构构件进行计算和配筋，各杆件均可满足结构受力的要求。

　　 由于本工程为教学楼，立面采光要求较高，故外立面采用了框架结构体系，利用教室隔墙设置悬挑桁架支承外框架。本工程共设置5榀悬挑桁架，间距为6m，悬挑长度为8.0m，高度为4.50m。根据课室的开间要求，悬挑桁架采用错列设置，即首层和2层分别采用不同的桁架布置(图7)，在同一标准层中，桁架间距为12m，满足课室的使用要求。

　　 经验算，在各荷载工况组合包络条件下，悬挑桁架上弦杆的最大拉力为2 567kN，下弦杆的最大压力为-1 064kN，斜腹杆的最大压力为-2 182kN，斜腹杆的最大拉力为1 753kN，上弦杆的最大弯矩为365kN·m，下弦杆的最大弯矩为288.6kN·m。根据以上内力对悬挑桁架结构构件进行计算和配筋，各杆件均可满足结构受力的要求。

　　 采用错列布置的悬挑桁架时，有针对地将悬挑桁架斜腹杆与主桁架的斜腹杆交点设置在不同位置，避免了两个方向的斜腹杆钢筋互相交错导致的节点钢筋无法施工的问题。

　　 根据地勘报告，本工程采用人工挖孔灌注桩基础，桩径为1.20～3.40m，桩底置于完整中风化白云岩层上，满足0.5m嵌岩深度。对于主桁架的落地节点，采用直径3.40m的挖孔桩，单桩竖向承载力特征值为19 900kN，单桩水平承载力特征值为4 500kN。根据各荷载工况标准组合计算结果，桁架落地节点双向水平反力包络值分别为3 783kN和528kN，竖向反力包络值为5 720kN，桩承载力满足要求。竖向桁架落地节点采用大直径的挖孔桩基础，一方面可以提供足够的竖向承载力，另一方面，由于桩基础有较大的水平刚度及水平承载力，可以有效减少支座变形，从而减少因此对主桁架产生的次生内力。

　　 由于本工程采用了钢筋混凝土双向桁架体系，桁架弦杆、腹杆、竖杆与楼层梁交接节点的钢筋密集，相互交错，容易造成现场钢筋排布困难，节点混凝土振捣不密实等问题，为此，在设计时，采取了以下措施进行避免:1)布置错列悬挑桁架时，避免悬挑桁架的斜腹杆与主桁架的斜腹杆相交于同一节点;2)节点钢筋交接处，优先保证受拉杆钢筋的锚固，对于受压杆钢筋，在保证满足抗震锚固的前提下，其他纵筋可不在节点锚固;3)顶层节点由于钢筋锚固的需要，采用上翻式设计，斜拉杆钢筋穿过节点并在屋面以上采用钢板锚固(图8(a));4)锚固长度满足《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)8.3.3穿孔塞焊锚板形式的要求^[3]，适当拉大杆件钢筋间距，对于受拉杆，钢筋均匀布置在整个截面上(图8(b))，避免局部钢筋密度过大导致混凝土无法振捣密实。

　　 由于本工程主落地桁架采用两侧山体的强风化岩层作为水平推力的主要来源，为了防止两侧岩体不可预见的变形导致的结构破坏，需对地基出现侧向变形时的结构受力状态进行分析。将落地桁架左端的支座改为X向的滑动支座，取消支座沿X向的水平位移限制，采用MIDAS Gen进行结构分析。经验算，桁架支座X向水平位移值为24.94mm。在各荷载工况组合包络条件下，上弦杆的最大压力为-14 119kN，下弦杆的最大拉力为10 164kN，落地斜腹杆的最大压力为-14 372kN，分别比限制支座变形时增大了20.5%,39.3%,11.7%。可见，由于取消了支座X向的水平位移限制，首层水平梁(下弦杆)承担的水平拉力显著增大，设计时按照以上结果对首层X向水平梁进行加强，同时加厚首层楼板至160mm，并采用双层双向通长配筋，可以避免由于落地桁架支座水平变形产生的安全隐患，提高结构的安全度。同时，计算结果也说明，由于首层的水平构件的存在，结构整体稳定性较强，关键部位有足够的安全储备，结构不会因为两侧岩体的侧向变形导致整体破坏。

　　 本工程虽然建筑面积不大，但是建筑物跨度大，造型独特。结构设计时，根据建筑外形特点和房间布置，利用中部走廊两侧设置大跨度钢筋混凝土落地桁架作为主受力体系，采用错列悬臂桁架支撑外立面框架，既满足了教学楼的使用需求，也实现了外立面的简洁实用。结构布置时也充分考虑到钢筋锚固的需求，通过合理错开双向斜腹杆节点，布置上翻式钢筋混凝土节点等方式，避免了钢筋过密导致的节点缺陷。