南充博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計

盧 挺, 伍 庶, 鄧 鑫

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，成都 610081)

1 工程概況

南充博物館位于四川省南充市,包括文化館與博物館,是集收藏、保護、展示、研究文物于一體的城市綜合類大型博物館。該建筑采用了垂直分區(qū)功能布局,文化館位于底部,博物館位于上部,兩者通過中部24m通高的城市文化會客廳聯(lián)系。在建筑北側(cè)地下室設(shè)置下沉庭院,以延伸文化館群眾活動空間,作為多功能城市劇場。南充博物館實景照片見圖1。

圖1 南充博物館實景照片

南充博物館總建筑面積49158m2,其中地上建筑面積為28802m2。臨時展廳設(shè)置于1～3層,固定展廳位于4層。以2層中央大廳為樞紐,設(shè)置了五個大臺階,分別與1、3層及城市陽臺互通,形成了若干錯層空間。北側(cè)緊挨1號筒體,利用地下空間,在城市陽臺下面設(shè)置了一個585座的大木偶劇院。南充博物館建筑剖面圖見圖2。

圖2 南充博物館建筑剖面圖

項目地上4層,地下1層,采用鋼筋混凝土筒體(內(nèi)置鋼框架-支撐)-鋼桁架-鋼筋混凝土框架組成的混合結(jié)構(gòu)體系。建筑高度31.20m。4個鋼筋混凝土筒體分別采用筏板基礎(chǔ),框架柱采用獨立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ),持力層為中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級,結(jié)構(gòu)安全等級為一級,結(jié)構(gòu)設(shè)計年限為50年,耐久年限為100年[1],抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類[2]。根據(jù)文獻[3-4],南充市抗震設(shè)防烈度小于6度。根據(jù)文獻[5],本項目按6度進行抗震設(shè)計和采取抗震措施。

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 上部結(jié)構(gòu)體系

南充博物館的4個鋼筋混凝土筒體對稱分布于主平面四角,圍合的平面長寬均為65.7m,從地下1層貫穿至屋頂,筒體為主要抗側(cè)力構(gòu)件,筒體內(nèi)部空間用于人員垂直疏散及設(shè)備管線集中布設(shè)。利用4層層高,筒體之間采用鋼桁架進行連接,跨度39.7～40.7m,鋼桁架外挑15～17m,以滿足博物館固定展覽對連續(xù)大空間的需要。東側(cè)為文化館入口,為實現(xiàn)15m大懸挑的效果,利用2層的高度空間設(shè)置懸挑桁架。依附在筒體上的框架部分僅到3層樓面標(biāo)高,主要柱跨5.0～25.5m,北面城市陽臺下部的劇院屋蓋大跨度框架采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土筒體抗震等級為二級,鋼桁架抗震等級為三級,鋼筋混凝土及型鋼混凝土框架抗震等級為三級。

1～3層樓層標(biāo)高錯落,不宜按一般結(jié)構(gòu)層的概念判斷超限的程度。從整體結(jié)構(gòu)體系來看,主要抗側(cè)力構(gòu)件為4個鋼筋混凝土筒體,豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù),屋蓋為大跨鋼桁架,主體結(jié)構(gòu)體系可認(rèn)為是單層的巨型結(jié)構(gòu),其余框架部分依附于巨型結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)整體計算模型如圖3所示,4層結(jié)構(gòu)平面布置如圖4所示。

圖3 結(jié)構(gòu)整體計算模型

圖4 4層結(jié)構(gòu)平面布置圖

基礎(chǔ)、防水板、地下室側(cè)墻采用強度等級為C35的防水混凝土,抗?jié)B等級P6、P8;四個鋼筋混凝土筒體及框架柱混凝土強度等級采用C40;梁、板混凝土強度等級為C30。鋼桁架鋼材采用Q420B,次桁架及型鋼混凝土中的型鋼采用Q345B。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及難點

南充博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要特點有:采用了暫未列入現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的混合結(jié)構(gòu)體系,屬于抗震設(shè)防超限高層建筑;體型較復(fù)雜,1～3層板面標(biāo)高存在多個錯層空間,無明確層概念,利用4層高度設(shè)置大跨度、大懸挑的鋼桁架,在頂部形成整體抗側(cè)力體系,鋼桁架局部設(shè)有吊掛夾層;4號筒體2層設(shè)有局部懸挑鋼桁架,鋼桁架采用了超厚高強度鋼材。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點主要有:筒體及主鋼桁架組成的抗側(cè)力體系采用性能化設(shè)計;采用可靠的措施確保主鋼桁架與鋼筋混凝土筒體的共同工作;鋼筋混凝土筒體剛度大,該結(jié)構(gòu)體系對溫度較為敏感;大跨度大懸挑結(jié)構(gòu)考慮使用舒適度的要求;鋼桁架與鋼筋混凝土筒體合攏連接后,與上下層樓蓋形成整體受力,樓蓋會產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力。

2.3 整體計算分析

該項目屬于結(jié)構(gòu)類型及平面規(guī)則性超限的超限高層建筑工程,進行抗震性能化設(shè)計時,采用《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[6]所對應(yīng)的性能目標(biāo)C:1)多遇地震作用下結(jié)構(gòu)滿足抗震性能水準(zhǔn)1;所有構(gòu)件的抗震承載力滿足彈性設(shè)計要求。2)設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)滿足抗震性能水準(zhǔn)3;鋼筋混凝土筒體正截面承載力滿足“屈服承載力設(shè)計”的要求,斜截面受剪承載力滿足彈性設(shè)計要求;主鋼桁架截面承載力滿足“屈服承載力設(shè)計”的要求。3)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)滿足抗震性能水準(zhǔn)4;鋼筋混凝土筒體允許局部屈服,截面滿足受剪承載力限制條件;主鋼桁架截面承載力滿足“屈服承載力設(shè)計”的要求。

整體計算時,選取滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[4]要求的2組天然波和1組人工波,該項目在不同地震工況下所采用的整體分析方法及計算軟件見表1。

表1 整體分析方法及計算軟件

各地震工況下不同分析方法所計算的主要結(jié)果見表2～4。由表2～4可得,結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的扭轉(zhuǎn)位移比和最大層間位移角均滿足要求;在設(shè)防地震作用下,結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足抗震性能水準(zhǔn)要求;在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)的最大層間位移角滿足抗震性能水準(zhǔn)要求。

表2 多遇地震主要計算結(jié)果

表3 設(shè)防地震主要計算結(jié)果

表4 罕遇地震主要計算結(jié)果

2.4 抗震加強措施

除滿足性能化設(shè)計計算要求外,本項目采用以下構(gòu)造措施來保證其抗震性能。

(1)控制筒體剪力墻軸壓比不大于0.45,筒體四角通高設(shè)置約束邊緣構(gòu)件,長度分別取筒體長寬的1/4。約束邊緣構(gòu)件配箍特征值不小于0.24。

(2)筒體四角通高設(shè)置箱形型鋼柱,鋼桁架在筒體內(nèi)貫通設(shè)置,為方便混凝土澆筑,桁架弦桿及腹桿在筒體內(nèi)轉(zhuǎn)換為H形截面。

(3)筒體的外筒剪力墻墻身水平及豎向鋼筋配筋率不小于0.4%,且在鋼桁架上弦高度范圍內(nèi)墻身水平鋼筋配筋率不小于1.0%。

(4)在連梁中設(shè)置交叉暗撐或型鋼。

(5)控制大跨度主鋼桁架構(gòu)件應(yīng)力比在多遇地震工況組合下不大于0.8,在設(shè)防地震和罕遇地震工況組合下主鋼桁架截面承載力滿足“屈服承載力設(shè)計”要求。主鋼桁架及筒體內(nèi)的延伸鋼桁架按支承于筒體頂部(假定鋼筋混凝土筒體退出工作)包絡(luò)設(shè)計。

3 筒體設(shè)計

南充博物館3層樓面以上空間由4個相似的鋼筋混凝土筒體支承8榀主鋼桁架。單個鋼筋混凝土筒體外輪廓投影平面尺寸為13.2m×13.7m,筒體外墻厚度為700mm,內(nèi)墻厚度為300mm和350mm。筒體四角設(shè)置截面為□400×400×50的箱形鋼柱,1號筒體結(jié)構(gòu)平面布置如圖5所示。

圖5 1號筒體結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.1 筒體抗震性能驗算

采用MIDAS Building軟件對設(shè)防地震作用下筒體底層剪力墻正截面進行屈服承載力驗算。結(jié)果表明,筒體各墻肢可滿足正截面承載力在設(shè)防地震作用下不屈服的性能目標(biāo)。在筒體剪力墻四角所配置的型鋼除方便連接鋼桁架外,亦可提高筒體正截面承載能力和延性。

對筒體底層剪力墻進行設(shè)防地震作用下斜截面受剪彈性承載力設(shè)計以及罕遇地震作用下截面受剪承載力限制條件驗算,由振型分解反應(yīng)譜分析計算所得筒體底層剪力墻在設(shè)防地震和罕遇地震作用下,截面剪力S與對應(yīng)性能目標(biāo)的剪力限值R之比見表5。由表可得,筒體底層剪力墻滿足前文所述相應(yīng)性能水準(zhǔn)要求。

表5 底層筒體剪力墻截面抗剪驗算

3.2 筒體應(yīng)力分析

采用ANSYS軟件對筒體混凝土剪力墻與鋼桁架組合子結(jié)構(gòu)進行有限元分析。其中桁架采用Beam188單元,剪力墻采用Shell63單元。分別用兩個模型來模擬子結(jié)構(gòu)受力,模型M1假定鋼桁架和混凝土墻變形完全協(xié)調(diào),模型M2假定鋼桁架不受混凝土約束獨立工作。兩種有限元模型如圖6所示。

圖6 筒體有限元模型圖

模型所加外力由整體分析結(jié)果得來,根據(jù)整體分析結(jié)果,鋼桁架內(nèi)力值在多遇地震及設(shè)防地震作用(已考慮豎向地震)下由荷載基本組合控制。裂縫驗算時采用荷載準(zhǔn)永久組合,取準(zhǔn)永久組合值系數(shù)ψc=0.5。鋼材的本構(gòu)采用理想彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

荷載基本組合作用下,模型M1中剪力墻洞口上邊緣至墻頂之間混凝土均出現(xiàn)較大面積拉應(yīng)力區(qū)且洞口邊角處出現(xiàn)應(yīng)力集中;筒體下部四角和桁架豎桿相連處混凝土受壓,大部分區(qū)域壓應(yīng)力小于混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值。模型M2中各桿件軸向應(yīng)力均小于鋼材抗拉強度設(shè)計值,說明不考慮混凝土作用時,鋼桁架也可滿足承載力要求。

荷載準(zhǔn)永久組合作用下,考慮鋼桁架和混凝土筒體變形協(xié)調(diào),由于鋼材和鋼筋彈性模量基本相當(dāng),近似取混凝土墻內(nèi)水平鋼筋應(yīng)力值同兩個模型中上弦鋼桁架軸向應(yīng)力值。按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[7](簡稱混凝土規(guī)范)中7.1.2條計算混凝土裂縫寬度,計算結(jié)果均小于混凝土規(guī)范第3.4.5條限值。設(shè)計中通過提高墻內(nèi)水平分布鋼筋的配筋率來控制正常使用極限狀態(tài)的混凝土裂縫寬度。

因罕遇地震作用下筒體剪力墻開裂而部分退出工作,分析時偏安全地不考慮混凝土的作用,采用模型M2。通過分析模型M2在罕遇地震作用下的受力情況可知,剪力墻內(nèi)桁架各桿件應(yīng)力值均小于鋼材屈服強度值fy,滿足屈服承載力要求。

3.3 典型節(jié)點設(shè)計

主鋼桁架貫穿鋼筋混凝土筒體,上下弦桿與筒體連接處,節(jié)點受力及構(gòu)造復(fù)雜。為滿足筒體混凝土澆筑的便利性,箱形弦桿及腹桿在筒體內(nèi)需轉(zhuǎn)換為H形鋼。根據(jù)筒體應(yīng)力分析,屋面筒體范圍的桁架上弦桿拉應(yīng)力較大,其應(yīng)力隨延伸于筒體長度的增加而逐漸減小。因此,將鋼桁架上弦桿箱形截面段延伸進筒體剪力墻2m后再與H形上弦桿進行轉(zhuǎn)接。筒體范圍的桁架下弦桿為受壓狀態(tài),其壓力可直接傳遞于筒體混凝土內(nèi),故下弦桿進入筒體節(jié)點后可直接轉(zhuǎn)換為H形鋼。為保證鋼桁架與筒體剪力墻更好地協(xié)同工作,筒體剪力墻內(nèi)鋼桁架上、下弦桿及腹桿的翼緣和腹板上均設(shè)置有間距不大于200mm的φ19抗剪栓釘。節(jié)點構(gòu)造大樣見圖7。

圖7 上、下弦桿與筒體連接節(jié)點構(gòu)造大樣

4 整體鋼桁架設(shè)計

南充博物館4層主要建筑功能為博物館展廳,為滿足展廳內(nèi)部大空間的使用要求,4層空間由4個筒體及與其連接的鋼桁架組成受力體系。主鋼桁架凈跨雙向分別為39.7m及40.7m,外挑凈跨15～17m,4層結(jié)構(gòu)平面布置見圖4。主鋼桁架的弦桿及腹桿在筒體內(nèi)延伸并連續(xù)設(shè)置,貫穿筒體,鋼桁架立面圖見圖8,主鋼桁架構(gòu)件截面見表6。鋼桁架范圍內(nèi)樓板采用鋼筋桁架樓承板,筒體范圍內(nèi)樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。

表6 主鋼桁架構(gòu)件截面/mm

圖8 主鋼桁架立面圖

4層中間局部設(shè)置設(shè)備夾層,該夾層以下的環(huán)形走道采用懸掛結(jié)構(gòu)。為滿足展廳走道通透性效果,懸掛豎向構(gòu)件按照《鋼拉桿》(GB/T 20934—2007)[8]選用強度等級為GLG460的UU形鋼拉桿,拉桿直徑為60mm,布置間距為5m。為兼顧安全與美觀,鋼拉桿與桁架通過錨夾具形成鉸接節(jié)點,走道鋼拉桿效果圖及節(jié)點構(gòu)造大樣見圖9。

圖9 鋼拉桿效果圖及節(jié)點構(gòu)造大樣圖

4.1 桁架應(yīng)力及變形分析

為考察桁架在多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震作用下的受力狀態(tài),采用ETABS2013軟件進行整體補充計算。該分析采用規(guī)范反應(yīng)譜計算方法,通過調(diào)整地震影響系數(shù)最大值來近似模擬各地震工況作用下的效應(yīng),并按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)要求考慮組合豎向地震工況。

由于桁架弦桿與樓板之間通過栓釘連接共同受力,桁架上下弦桿的樓板理論上可共同承擔(dān)部分軸拉力或軸壓力。實際施工時,鋼筋桁架樓承板在鋼桁架完成施工后進行鋪設(shè),樓板澆筑凝固時,鋼桁架在自重下的變形已完成,因此在進行桁架設(shè)計時,不考慮樓板的剛度。

計算結(jié)果表明,桁架在設(shè)防地震下的內(nèi)力值與在多遇地震下的內(nèi)力值相當(dāng),且桿件的最大應(yīng)力比為0.699,滿足承載力要求,說明在這兩種工況下桁架內(nèi)力均由豎向荷載起控制作用,且處于彈性工作狀態(tài)。而在罕遇地震下,桁架內(nèi)力由地震工況組合起控制作用,桿件應(yīng)力小于鋼材屈服強度,但大于鋼材強度設(shè)計值,即鋼桁架在罕遇地震下可保持不屈服。

正常使用極限狀態(tài)下主鋼桁架的撓度計算取豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值,主鋼桁架撓度見圖10。由圖可得,主鋼桁架在正常使用極限狀態(tài)下的撓度均小于規(guī)范限值L/400(L為主鋼桁架計算跨度)。

圖10 主鋼桁架撓度

4.2 桁架溫度作用分析

由于鋼桁架屋蓋在X、Y兩個方向的長度均在95m左右,與4個筒體連為整體后,在溫度作用下,桁架桿件將產(chǎn)生內(nèi)力,所以計算時應(yīng)考慮溫度作用的影響。預(yù)估鋼桁架合攏時溫度約20℃,考慮南充市的氣候條件,且屋面為保溫屋面,計算時取溫差±15℃。利用ETABS2013軟件計算1榀桁架在升溫、降溫單工況作用下的軸力,見圖11。

圖11 局部桁架在升溫、降溫工況下軸力圖/kN

由于筒體的約束,在兩個筒體之間桁架在升溫或降溫單工況下產(chǎn)生的最大軸力約1900kN。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[9],溫度作用為可變荷載,其分項系數(shù)取1.4,組合系數(shù)取0.6。在設(shè)計桁架時,采用溫度作用參與的荷載效應(yīng)組合進行內(nèi)力計算。

4.3 樓蓋舒適度分析

樓面結(jié)構(gòu)的自振特性與結(jié)構(gòu)的舒適度有密切關(guān)系。在正常使用極限狀態(tài)下樓板少量開裂不會引起樓板豎向剛度的明顯下降,進行舒適度計算時可考慮樓板的剛度。應(yīng)用ETABS2013軟件對4層樓蓋豎向振動自振特性進行分析,第一階振型見圖12。

圖12 4層樓蓋第一階振型圖

4層樓蓋第一階豎向自振頻率大于3Hz,對4層樓蓋豎向振動加速度進行分析,取頻率為2Hz的單人步行激勵荷載時程曲線,激勵點取在樓蓋第一階豎向振動振幅最大點。樓蓋結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02,步行荷載激勵下的樓蓋加速度時程曲線顯示,樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動峰值加速度為0.022m/s2,小于規(guī)范限值0.196 m/s2,滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)對樓蓋舒適度的要求。

5 懸挑鋼桁架設(shè)計

2層臨時展廳區(qū)域下層為文化演藝中心主入口及下沉庭院式室外劇場,要求空間寬闊,視野通透。結(jié)構(gòu)布置采用懸挑鋼桁架體系,鋼桁架出挑15m,由4榀支承于4號筒體的主懸挑鋼桁架和2榀封邊鋼桁架組成。3號筒體東側(cè)不允許設(shè)置鋼桁架腹桿,因此布置鋼框架柱來支撐邊桁架。為控制構(gòu)件截面尺寸,框架柱選用矩形鋼管混凝土柱,管內(nèi)澆筑摻入微膨脹劑的C40自密實混凝土。鋼框架順邊桁架方向設(shè)置柱間支撐,該部分結(jié)構(gòu)平面布置及鋼桁架立面見圖13。

圖13 2層局部結(jié)構(gòu)平面布置及鋼桁架立面圖

6 鋼桁架整體提升施工

本工程屋蓋鋼桁架平面尺寸94.8m×99.6m,桁架總高度8.4～10.0m,由8榀主桁架+10榀次桁架及約700根H形鋼次梁組成。鋼桁架在-6.75m標(biāo)高上整體拼裝,利用計算機液壓同步技術(shù)整體提升,在4個筒體頂部設(shè)置桁架提升支架,每個筒體設(shè)置8個提升點,提升高度約28m,提升總重約5500t。桁架提升到設(shè)計標(biāo)高位置后,連接桁架上、下弦及桁架腹桿,待連體桁架結(jié)構(gòu)形成受力體系后,再安裝其他結(jié)構(gòu)。尤其值得關(guān)注的是,采用該施工方案時,由于筒體頂部樓板先澆筑,桁架整體拼接完成后提升裝置吊掛作用將釋放,桁架開始形成整體,桁架上弦桿將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,并傳遞給筒體頂部樓板。設(shè)計上應(yīng)針對施工方案進行驗算,加強屋面樓板配筋,以防止樓板在雙向拉應(yīng)力作用下開裂。整體鋼桁架提升照片見圖14。

圖14 鋼桁架整體提升照片

7 結(jié)語

南充博物館底部空間關(guān)系復(fù)雜,具有大懸挑、大跨度的特點。該項目的整體抗側(cè)力體系可簡化為4個鋼筋混凝土筒體與8榀大跨度鋼桁架組成的巨型組合結(jié)構(gòu)。該類結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計建議如下:

(1)4個鋼筋混凝土筒體及大跨度鋼桁架作為關(guān)鍵構(gòu)件,應(yīng)進行抗震性能化設(shè)計,并采用適當(dāng)?shù)目拐鸺訌姶胧?/p>

(2)主鋼桁架應(yīng)在筒體內(nèi)部連續(xù)貫穿,鋼桁架宜按鋼筋混凝土筒體退出工作進行包絡(luò)設(shè)計。

(3)受施工次序影響,鋼桁架設(shè)計時,不宜考慮與上下弦桿相連的樓板共同工作。鋼桁架與鋼筋混凝土筒體合攏連接并澆筑樓板混凝土后,與上下層樓蓋形成整體受力,樓蓋會產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力,應(yīng)在設(shè)計中充分重視。

(4)鋼筋混凝土筒體剛度大,此類結(jié)構(gòu)對溫度應(yīng)力比較敏感,設(shè)計時應(yīng)考慮溫度作用的組合。

(5)應(yīng)注意鋼桁架受拉上弦桿與鋼筋混凝土筒體的連接構(gòu)造,上弦桿進入筒體的部位宜設(shè)置一定長度的加強截面過渡段,以避免頂部墻體出現(xiàn)可見的受拉裂縫。

(6)大跨度及大懸挑鋼桁架應(yīng)進行舒適度驗算。

該項目于2015年3月設(shè)計完成,并于2019年12月順利竣工。本文通過對南充博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析以及施工方面的介紹,期待為類似工程的實施提供一些參考。