馬鞍山學(xué)院圖書館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

周曉清，孟磊，劉毛方

（1.合肥賽為智能有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽省金田建筑設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230051）

0 引言

圖書館作為每所學(xué)校的“知識(shí)寶藏”，承載著校園建筑的靈魂。圖書館是衡量一所大學(xué)綜合實(shí)力的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，也是大學(xué)投入最大、最用心的一座建筑。圖書館的選址、造型、館內(nèi)和館外環(huán)境設(shè)計(jì)、室內(nèi)布局、功能及智能化設(shè)計(jì)等方面決定了圖書館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，概念設(shè)計(jì)的靈活運(yùn)用可以更好地成就建筑之美。本文以馬鞍山學(xué)院新校區(qū)圖書館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，希望為同類型建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

馬鞍山學(xué)院（原安徽工業(yè)大學(xué)工商學(xué)院）新校區(qū)一期項(xiàng)目圖書館位于馬鞍山市當(dāng)涂縣黃池路北側(cè)，東聯(lián)路西側(cè)及東側(cè)。圖書館總建筑面積為：25421m。地下為0層，地上為5層框剪結(jié)構(gòu)，另有1層局部突出屋面，其不大于標(biāo)準(zhǔn)層面積的30%，未計(jì)入總高度。建筑功能為一層藏書檔案庫、書店、辦公室、變電所等，二～三層閱覽室、報(bào)告廳、書吧、討論區(qū)等，四層閱覽室，五層電子及多媒體閱覽室、信息中心，六層為信息中心。建筑結(jié)構(gòu)高度為22.95m（存在斜屋面，最高25.70m，不包括局部突出屋面的附屬建筑物）。建筑各層層高：一層5.40m；二層～四層4.50m；五層局部 3.90m(平均5.35m)；出屋面層平均5.778m。平面為不規(guī)則形，

平面尺寸約為：長97.80m，寬32.50m，屋面最大長度130.74m,寬度75.68m。柱網(wǎng)尺寸為：8.4m×8.40m，部分抽柱形成16.8m x16.8m，最大跨度為東南拐角（1/8～12/A～C軸）32.33m，建筑平面圖如圖1所示。本工程抗震設(shè)防烈度為6度（0.05g）第一組，抗震設(shè)防類別為丙類，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。本工程存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、立面突變（局部大懸挑為5.4～8.0m）、穿層墻柱、個(gè)別錯(cuò)層等多項(xiàng)不規(guī)則。本文圍繞圖書館的結(jié)構(gòu)抗震分析展開，重點(diǎn)對(duì)不規(guī)則項(xiàng)的抗震性能進(jìn)行評(píng)估。建筑效果圖如圖2所示。

圖1 建筑平面圖

圖2 建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

本工程屬大型公建項(xiàng)目，立面新穎，平面較為復(fù)雜，其中的難點(diǎn)如下：

①本工程屋面最大長度130.74m，寬度75.68m，屬于超長混凝土結(jié)構(gòu)。同類型建筑大都分縫處理，本工程考慮建筑的整體效果未設(shè)永久性伸縮縫。故柱、梁和樓板受早晚和季節(jié)溫差影響比較大，豎向構(gòu)件的約束作用使得水平構(gòu)件中會(huì)產(chǎn)生較大溫度和收縮應(yīng)力，現(xiàn)有的常規(guī)施工措施如后澆帶、低水化熱水泥等并不能完全解決使用期的結(jié)構(gòu)開裂問題。針對(duì)本工程超長混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過樓板溫度應(yīng)力分析和已有成熟工程案例經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)手段，提出從材料、設(shè)計(jì)構(gòu)造及施工要求等成套技術(shù)方案要求，以減小溫度應(yīng)力的影響。

②東南拐角（1/8～12/A～C軸）部分抽柱所形成跨度32.33m，大跨度樓蓋結(jié)構(gòu)方案常見類型為型鋼梁、預(yù)應(yīng)力梁、鋼梁組合樓蓋、鋼桁架組合樓蓋等。本工程大跨度梁經(jīng)過方案對(duì)比并綜合考慮所在位置、荷載、舒適度等因素最終選用同層高的型鋼桁架梁作為實(shí)施方案。桁架上、下弦及腹桿均采用熱軋寬翼緣H型鋼（Q345B）。

③為滿足建筑空間及立面要求，結(jié)構(gòu)層層疊挑，東北角、西北角及西南角部分懸挑為5.4～8.0m，常見的懸挑方案為預(yù)應(yīng)力梁或型鋼梁懸挑，考慮結(jié)構(gòu)的重要性，對(duì)大懸挑梁及支撐柱采用性能化設(shè)計(jì)要求，本工程大懸挑梁采用型鋼混凝土懸挑梁，支撐柱為型鋼混凝土柱。

④根據(jù)建筑立面要求，建筑四周的躍層柱截面采用800x2000鋼筋混凝土巨型柱，最高無支撐高度約26.10m，需補(bǔ)充進(jìn)行屈曲分析以保證結(jié)構(gòu)安全。

⑤根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2015]67號(hào)）的規(guī)定，本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)布置存在不規(guī)則判別見表1。

表1 結(jié)構(gòu)布置是否特別不規(guī)則的判別

綜合描述：本工程在平面、豎向布置或復(fù)雜程度有3項(xiàng)超過規(guī)范的規(guī)定。

3 抗震性能目標(biāo)

本工程房屋不規(guī)則性程度較多，結(jié)合抗震設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)防烈度、抗震設(shè)防類別、超限情況，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.11節(jié)要求設(shè)定本工程結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件性能水準(zhǔn)詳見表2。

表2 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)防目標(biāo)

4 地震波的選取

為了能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的抗震能力進(jìn)行合理評(píng)估，本工程作為特別不規(guī)則的建筑，按《建筑抗震規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2011）(2016年版)第5.1.2條，需進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析。結(jié)構(gòu)分析采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司開發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件盈建科YJK，建立分層模型，將各樓層的質(zhì)量集中于樓層處，形成彈性多質(zhì)點(diǎn)體系，然后輸入地震波（數(shù)字化地震地面運(yùn)動(dòng)加速度）進(jìn)行時(shí)程分析，可得結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的位移、速度和加速度反應(yīng)，由位移反應(yīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

本工程選用五條天然波和二條人工波，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）提供的小震主方向峰值加速度18gal和三向分量之比（水平主向：水平次向：豎向=1.00：0.85：0.65）調(diào)整后分別沿建筑物二個(gè)主軸各輸入一次，進(jìn)行時(shí)程分析。結(jié)果表明，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。從而說明時(shí)程波選取合適，滿足規(guī)范要求。

小震時(shí)程分析法計(jì)算得到的地震反應(yīng)與CQC法計(jì)算得到的地震反應(yīng)趨勢(shì)相似，樓層最大層間位移角和層剪力曲線相近，整體符合較好。在施工圖設(shè)計(jì)中，將采用地震波平均值與CQC包絡(luò)值進(jìn)行小震彈性設(shè)計(jì)。

5 超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程為超長混凝土結(jié)構(gòu)，為減小結(jié)構(gòu)超長帶來的混凝土收縮和溫度應(yīng)力等對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，采取以下措施。

①溫度應(yīng)力分析步驟如下：查詢荷載規(guī)范確定氣象資料→確定結(jié)構(gòu)合攏溫度→確定室內(nèi)外溫差→確定混凝土收縮等效降溫→結(jié)構(gòu)最高溫度、最低溫度→在軟件中按照節(jié)點(diǎn)荷載輸入溫差即可進(jìn)行溫度荷載效應(yīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)的中間節(jié)點(diǎn)溫差，結(jié)構(gòu)外側(cè)的節(jié)點(diǎn)溫差。溫度及混凝土收縮工況僅與永久荷載、可變荷載和風(fēng)荷載組合，而不與偶然荷載和地震作用組合。等效溫度荷載作用的組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)和準(zhǔn)永久值系數(shù)可分別取 0.6、0.5、0.4。 根據(jù)《荷載規(guī)范》，本設(shè)計(jì)階段溫度作用取值如下：基本氣溫：-6（最低）；36(最高)。月平均氣溫：考慮到混凝土結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)速率較慢且體積較大，混凝土結(jié)構(gòu)月平均氣溫取值同基本氣溫；暫定合攏溫度為：10±5℃；下部混凝土結(jié)構(gòu)：+26℃（溫升）；-20℃（溫降）混凝土收縮當(dāng)量溫差取10℃，故混凝土降溫為-20-10=-30℃考慮混凝土徐變變形引起的構(gòu)件應(yīng)力松弛，應(yīng)力松弛系數(shù)取 0.3。

②后澆帶每隔30m～40m左右設(shè)置一道，其中部間距取小值，兩側(cè)間距取大值。后澆帶劃分出的結(jié)構(gòu)單元為偶數(shù)跨。后澆帶留置時(shí)間應(yīng)根據(jù)釋放較多早期應(yīng)變?cè)瓌t，按混凝土澆筑季節(jié)不同，宜不少于3個(gè)月。計(jì)算時(shí)尚應(yīng)考慮施工提前的可能性，采用30-90天計(jì)算。

③設(shè)計(jì)：適當(dāng)提高基礎(chǔ)以及地下室頂板的最小配筋率，頂板采用雙層雙向貫通配筋。采用直徑小，間距小的墻體水平鋼筋設(shè)計(jì)方案，適當(dāng)提高墻體水平鋼筋配筋率以增強(qiáng)墻體抗裂能力。

④材料：混凝土原材料應(yīng)采用低收縮、低水化熱水泥(例如：粉煤灰水泥等)，采用碎石骨料，基礎(chǔ)底板的混凝土加入適量防水劑；同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土外加劑的品種、質(zhì)量和劑量。

⑤施工：控制混凝土的澆筑時(shí)間和澆筑溫度，以部分抵消混凝土收縮和溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。在混凝土澆筑施工中，應(yīng)采取二次振搗措施，并應(yīng)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，特別是前期養(yǎng)護(hù)。

⑥其他：各部分的屋面及外墻，采取加強(qiáng)保溫等措施，削弱因使用期間的溫差變化對(duì)結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，通過采用設(shè)置一定量的板貫通鋼筋，加強(qiáng)外圍結(jié)構(gòu)梁側(cè)面構(gòu)造鋼筋等措施，解決混凝土收縮和溫度應(yīng)力的影響問題。

6 型鋼桁架梁設(shè)計(jì)

東南拐角跨度32.33m梁采用同層高的型鋼桁架梁，與鋼桁架相連的框架柱均采用型鋼混凝土框架柱，桁架立面如圖3所示。采用北京盈建科軟件公司的YJK系列軟件建立了結(jié)構(gòu)整體模型，鋼桁架在空間結(jié)構(gòu)里建模完成，此部分施工次序?yàn)?、4層為同一施工次序。計(jì)算結(jié)果顯示桁架上下弦及腹桿最大應(yīng)力比均不大于0.69，構(gòu)件的長細(xì)比、寬厚比均滿足規(guī)范要求。同時(shí)采用midas軟件進(jìn)行了校核。結(jié)果顯示桁架上下弦及腹桿最大應(yīng)力比約為0.67，與YJK軟件計(jì)算結(jié)果誤差較小，可滿足規(guī)范要求。

圖3 桁架立面圖

7 躍層柱屈曲分析

對(duì)于躍層柱，由于構(gòu)件約束條件相對(duì)比較特殊，在部分樓層不受約束，部分樓層受到有限約束，而且構(gòu)件無支承長度一般較長。本工程周邊均為800x2000躍層柱，最高無支撐高度約26.10m。由于躍層柱相對(duì)較剛，前幾階屈曲分析沒有激發(fā)起躍層柱的變形，則需要人為在分析柱上施加自定義荷載，然后進(jìn)行自定荷載下的屈曲分析。躍層邊柱柱頂施加1000kN的自定義荷載，然后進(jìn)行自定義荷載下的屈曲分析。自定義荷載下的屈曲分析很容易激發(fā)躍層柱的變形。查詢邊柱在屈曲分析荷載（自定義工況）下的軸力N=957.9kN，躍層柱的第一階屈曲模態(tài)分別如圖4所示（按一個(gè)最不利方向計(jì)算）。Pcr=957.9×1362.59=1305224.96kN；躍層柱長26.10m，尺寸為2000x8000，C30混凝土。則EI=30000×1/12×8000×2000=1.6×10N·mm2

圖4 躍層柱的屈曲模態(tài)

根據(jù)歐拉公式求得柱等效計(jì)算長度系數(shù)

設(shè)計(jì)時(shí)躍層柱的計(jì)算長度系數(shù)取1.25。躍層柱的縱向鋼筋放大1.1倍并沿柱全高采用井字復(fù)合箍，箍筋間距不大于100mm，肢距不大于200mm，直徑不小于12mm，對(duì)躍層柱進(jìn)行加強(qiáng)。

8 樓板局部不連續(xù)

結(jié)構(gòu)在二層和三層由于平面開洞較多導(dǎo)致幾部分結(jié)構(gòu)相互連接薄弱，采取以下措施進(jìn)行加強(qiáng)：

①整體模型和分塊模型計(jì)算進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)；

②樓板開大洞削弱后，在設(shè)防地震作用下樓板截面中心平面主拉應(yīng)力宜小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f。加厚洞口周邊樓板，樓板按計(jì)算配筋且配筋率不小于0.25%，并采用雙層雙向配筋。洞口邊緣設(shè)置邊梁。

③樓板進(jìn)行大震截面受剪承載力驗(yàn)算，對(duì)薄弱部位的樓板參照國家標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）第10.2.24條的規(guī)定驗(yàn)算樓板受剪承載力。

從樓板應(yīng)力分析結(jié)果可知：在多遇地震作用下，樓板應(yīng)力較大地方主要出現(xiàn)在與核心筒剪力墻的相交區(qū)域，樓板最大的主拉應(yīng)力約為0.63MPa，小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43MPa，滿足樓板小震中曲面不裂的設(shè)防目標(biāo)。

9 大懸挑梁板的舒適度分析

通過MADIS軟件建立有限元模型，考慮現(xiàn)澆樓板對(duì)梁剛度的放大和動(dòng)力荷載作用下彈性模量的放大作用。對(duì)施加動(dòng)力荷載的位置按人步行時(shí)的步距0.75m進(jìn)行單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，可在行走路徑所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上按時(shí)間順序依次施加和消除步行激勵(lì)。成人體重取75kg，步頻取2Hz，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。經(jīng)過有限元計(jì)算，得到了大跨度懸挑梁結(jié)構(gòu)的第一自振頻率為5.988H,第二自振頻率為6.561H，第三自振頻率為6.565Hz。按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）規(guī)定辦公樓樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向自震頻率不宜低于4Hz，同時(shí)豎向振動(dòng)加速度峰值0.39m/s不超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）表3.7.7的限值。該計(jì)算結(jié)果表明，圖書館大懸挑梁板結(jié)構(gòu)的舒適度滿足規(guī)范要求。

10 結(jié)論

對(duì)特別不規(guī)則的圖書館結(jié)構(gòu)除了按照規(guī)范進(jìn)行概念設(shè)計(jì)及抗震構(gòu)造外，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，采用以下加強(qiáng)措施。

①考慮建筑的諸多不規(guī)則，結(jié)構(gòu)體系采用多道防線的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。

②對(duì)超長混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行樓板溫度應(yīng)力分析，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果配筋，并對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)造、材料及施工措施提出明確要求。

③針對(duì)結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，采取以下措施：

a.小震作用下的地震剪力采用時(shí)程分析的包絡(luò)值與反應(yīng)譜之間的較大值；

b.對(duì)大開洞樓層配筋計(jì)算時(shí)采用彈性樓板假定，補(bǔ)充中震和大震樓板應(yīng)力分析；

c.加強(qiáng)周邊樓板剛度及配筋。

④針對(duì)結(jié)構(gòu)大懸挑＞5m部分，采用SRC梁、SRCZ柱，抗震等級(jí)提高為二級(jí)。針對(duì)結(jié)構(gòu)大跨度梁采用SRC桁架，與其相連的SRCZ柱抗震等級(jí)提高為二級(jí)。

⑤針對(duì)外圍躍層柱（最高約26.10m），根據(jù)屈曲分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，承載力設(shè)計(jì)考慮P-△二階效應(yīng)。

⑥舒適度驗(yàn)算結(jié)果表明圖書館大懸挑梁板結(jié)構(gòu)的舒適度可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

以上結(jié)果表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠，可達(dá)到預(yù)期抗震性能設(shè)防目標(biāo)。