順昌博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

南晶晶, 周建爐, 謝為時(shí), 潘加富, 胡 波

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概況

順昌博物館(圖1)位于福建省順昌縣,緊鄰美麗的富屯溪,總建筑面積10 138.2m2,是一座既具有深厚歷史文化底蘊(yùn),又有現(xiàn)代功能的“城市客廳與城市陽(yáng)臺(tái)”,也將成為研究順昌歷史文化的重要場(chǎng)所。接近60m的拱形架空空間形成可供大量人流停留的城市灰空間,打造城市客廳,組織城市人流,塑造大氣現(xiàn)代的城市氛圍;同時(shí),該館基地位于順昌沿江景觀(guān)慢行道重要節(jié)點(diǎn),建成后的可上人屋頂將成為遙望順昌江北的城市陽(yáng)臺(tái)。

圖1 建筑鳥(niǎo)瞰

建筑整體平面尺寸約173m×49m,東側(cè)為兩層的城市展覽館,西側(cè)為三層博物館,博物館一側(cè)局部設(shè)置一層地下室。位于兩館中間的休閑文化展廳是以城市客廳為景觀(guān)核心布置的開(kāi)放過(guò)渡型休閑展示空間,并通過(guò)坡道逐漸向上行進(jìn)至城市陽(yáng)臺(tái),為整個(gè)建筑空間構(gòu)成方式的一大特色。中庭范圍不允許柱子落地,建筑屋面為弧形,屋面最高點(diǎn)標(biāo)高19.275m,結(jié)構(gòu)高度根據(jù)建筑屋面高度變化逐漸變化。建筑功能分區(qū)見(jiàn)圖2。

圖2 建筑功能分區(qū)

本工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)博物館建筑規(guī)模確定。博物館部分建筑面積8 271.56m2,為中型館［1］。建筑設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限均為50年,結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0,抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)(丙類(lèi)),抗震設(shè)防烈度為6度［2］,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),場(chǎng)地特征周期為0.35s?；撅L(fēng)壓0.35kN/m2,地面粗糙度B類(lèi),不考慮基本雪壓。

基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁［3］,樁端持力層選為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖,樁端阻力特征值為3 000kPa,有效樁長(zhǎng)約23m。

結(jié)構(gòu)主體為框架-剪力墻結(jié)構(gòu),框架抗震等級(jí)為四級(jí),剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)(剪力墻抗震等級(jí)可與框架的抗震等級(jí)相同,取四級(jí),考慮大跨度框架,剪力墻的抗震等級(jí)提高一級(jí),再考慮剪力墻為抵抗桁架水平推力的關(guān)鍵構(gòu)件,其抗震等級(jí)再提高一級(jí))。

2 結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)體系

本工程主體包括東側(cè)城市展覽館、西側(cè)博物館兩棟建筑,兩棟建筑通過(guò)一個(gè)由兩片曲面桁架及中心圓環(huán)構(gòu)建的中庭空間相連,建筑要求中庭空間不能有落地柱。初步設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)置四榀桁架(GHJ1～GHJ4)連接建筑東、西兩側(cè),為抵抗大跨度曲面桁架產(chǎn)生的水平推力,在外側(cè)桁架(GHJ1、GHJ2)端部結(jié)合建筑功能設(shè)置剪力墻,而中部的兩榀桁架(GHJ3、GHJ4)與東、西兩側(cè)建筑的連接處因建筑空間要求,不能設(shè)置剪力墻,桁架支撐于框架柱上,為提高該柱的抗側(cè)剛度,采用型鋼混凝土柱,見(jiàn)圖3。此初步設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)布置合理,傳力路徑清晰,能夠?qū)崿F(xiàn)建筑中庭沒(méi)有落地柱的構(gòu)想。但中間兩榀桁架的腹桿會(huì)切斷二層的使用空間,如圖4所示,因此施工圖設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)此方案進(jìn)行了改進(jìn)。

圖3 二層結(jié)構(gòu)平面布置圖(初步設(shè)計(jì))

圖4 桁架三維軸測(cè)圖(初步設(shè)計(jì))

施工圖設(shè)計(jì)時(shí),僅保留了初步設(shè)計(jì)的外側(cè)兩榀曲面鋼桁架(HJ1、HJ2)和西側(cè)建筑的型鋼混凝土柱(截面尺寸為800×1 000),并對(duì)外側(cè)桁架端部的剪力墻進(jìn)行加強(qiáng),在墻體兩側(cè)設(shè)置型鋼混凝土柱使其形成帶端柱剪力墻,如圖5所示。

圖5 二層結(jié)構(gòu)平面布置圖(施工圖設(shè)計(jì))

中庭位置樓面及屋面均有大開(kāi)洞,洞口位置的上、下圓環(huán)鋼梁(截面□800×500×30×30,牌號(hào)為Q345B)與其周邊鋼斜柱(截面φ500×18,牌號(hào)為Q345B)連接形成一個(gè)整體剛性中心圓臺(tái)。由東側(cè)一層的4根鋼斜柱(截面□500×500×30×30,牌號(hào)為Q345B)和西側(cè)的短鋼桁架HJ3、HJ4支撐起中心圓臺(tái)。東側(cè)的4根斜柱所受水平力通過(guò)一層梁板均勻傳遞至基礎(chǔ);西側(cè)的兩榀短桁架(HJ3、HJ4)利用樓層平面剛度大的特點(diǎn),其上、下弦分別支撐于屋面和二層樓面,而短桁架的第一道斜腹桿則支撐于三層樓面,桿件傳遞的水平拉、壓力均由各層樓面承擔(dān)。結(jié)構(gòu)整體模型見(jiàn)圖6,曲面桁架及中心圓臺(tái)支撐見(jiàn)圖7。該方案在休閑展示空間內(nèi),只有兩道貼近幕墻的斜柱,能夠在最大程度上減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)建筑空間布置的影響,實(shí)現(xiàn)建筑對(duì)山水軸線(xiàn)的構(gòu)想。

圖6 結(jié)構(gòu)整體模型

圖7 曲面桁架和中心圓臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐布置圖

3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

采用SATWE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載及多遇地震作用下的各工況進(jìn)行彈性分析,并對(duì)整體模型及東、西兩個(gè)建筑單體模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)在多遇地震下的阻尼比取為0.04［4-7］。在規(guī)定水平力作用下,結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值大于50%(Y向?yàn)?5%),按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),框架部分的抗震等級(jí)和軸壓比限值按照框架部分的規(guī)定取四級(jí)。整體計(jì)算結(jié)果如表1、2所示。從計(jì)算結(jié)果看,結(jié)構(gòu)體型較細(xì)長(zhǎng),扭轉(zhuǎn)位移比最大值1.49,大于1.2,為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,但小于1.5,滿(mǎn)足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)體系及受力合理,其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表1 考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)周期

表2 規(guī)定水平力作用下樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件最大位移比

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題分析

4.1 關(guān)鍵構(gòu)件計(jì)算

建筑外側(cè)的兩榀鋼桁架節(jié)點(diǎn)均為滿(mǎn)焊連接,不同桿件多角度交匯,受力復(fù)雜,上、下弦桿根據(jù)建筑標(biāo)高彎曲,并深入兩側(cè)鋼板剪力墻內(nèi),桁架布置見(jiàn)圖8、9(圖中未注明的腹桿均為FG1),桁架的桿件截面見(jiàn)表3。

表3 桁架HJ1、HJ2各桿件截面尺寸

圖8 桁架HJ1+鋼板剪力墻

圖9 桁架HJ2+鋼板剪力墻

計(jì)算結(jié)果顯示,桁架HJ1、HJ2桿件大部分依然遵循一般平行桁架的上弦受壓、下弦受拉的受力狀態(tài),但因?yàn)橄孪移鸸坝绊?使得支座位置的下弦桿會(huì)承受較大壓力;因?yàn)樵O(shè)置了與基礎(chǔ)直接連接的FG3桿,FG2桿連接的左側(cè)上弦桿則表現(xiàn)為受拉。以桁架HJ1為例,桁架各桿件軸力見(jiàn)圖10,其中拉力為正,壓力為負(fù)。

圖10 桁架HJ1在正常使用階段各桿件軸力/kN

當(dāng)不考慮FG3桿時(shí),對(duì)桁架及整體模型進(jìn)行計(jì)算。與原模型比較,桁架東端下弦桿的軸力增大了4倍,西端下弦桿軸力增大了11%。取消FG3桿后,整個(gè)桁架的應(yīng)力分布更加對(duì)稱(chēng)均勻,見(jiàn)圖11。但桁架下弦的應(yīng)力增加,會(huì)使其截面加大,綜合考慮后選擇設(shè)置FG3桿的桁架方案。

圖11 取消FG3桿后桁架HJ1在正常使用階段各桿件軸力/kN

FG3桿的設(shè)置能有效地減小桁架的計(jì)算跨度,對(duì)降低桁架各桿件的應(yīng)力起到了很重要的作用。單獨(dú)桁架計(jì)算結(jié)果基本與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的結(jié)果一致。桁架各桿件強(qiáng)度應(yīng)力比及穩(wěn)定應(yīng)力比均滿(mǎn)足規(guī)范要求。整體計(jì)算時(shí)桁架桿件的最大應(yīng)力比0.86,出現(xiàn)在桁架HJ1西端下弦桿處。

在正常使用狀態(tài)下,中庭鋼梁撓度計(jì)算值為32.27mm,滿(mǎn)足規(guī)范要求。但施工過(guò)程中,中庭兩側(cè)的框架結(jié)構(gòu)先施工,再搭建中庭鋼構(gòu)件,然后澆筑中庭樓板混凝土(混凝土樓板澆筑完成,但強(qiáng)度還未達(dá)到初凝強(qiáng)度),復(fù)核施工階段僅考慮樓板自重,不考慮中庭樓板與鋼梁共同作用時(shí)鋼梁變形。施工階段,中庭鋼梁撓度計(jì)算值為51.79mm,比正常使用狀態(tài)下鋼梁撓度計(jì)算結(jié)果有較大增加,但仍小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)［5］中要求的撓度限值L/400(95mm),其中L為受彎構(gòu)件跨度,滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。另外,在樓板自重和施工荷載作用下,桁架及其連接構(gòu)件的強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求,且與正常使用狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果差異不大。

配合建筑造型,桁架的上、下弦桿需根據(jù)建筑要求彎折,各桿件放樣加工難度大,因此為確保桁架加工、安裝的準(zhǔn)確性,要求桁架的各節(jié)點(diǎn)桿件按照?qǐng)D紙整體下料(圖12)。在桁架的安裝過(guò)程中,此做法能夠以桁架節(jié)點(diǎn)為安裝控制點(diǎn),最大程度地保障施工安裝的正確性,桿件加工在工廠(chǎng)完成,也減小了現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)施工的難度,還能夠避免多桿件交匯節(jié)點(diǎn)處多條焊縫交叉對(duì)構(gòu)件受力帶來(lái)的不利影響。

整體計(jì)算結(jié)果表明,桁架HJ1、HJ2兩側(cè)的剪力墻不僅承受了桁架傳來(lái)的水平荷載,也因其抗側(cè)剛度大,在地震作用下也會(huì)承受很大的水平剪力。在桁架與剪力墻連接位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中,因此選擇在該段剪力墻中增加鋼板,在端柱中設(shè)置鋼骨［8］,并將桁架上、下弦桿深入剪力墻內(nèi)與端柱中鋼骨連接,形成封閉鋼框(圖8、9),以提高鋼板剪力墻抗側(cè)剛度［9］,并有效地傳遞桁架弦桿中傳來(lái)的軸向力,避免應(yīng)力集中。

桁架HJ1西側(cè)鋼板剪力墻水平剪力最大,以此段墻(該段墻體長(zhǎng)度7.56m(斜長(zhǎng),且不包括端柱)、寬度0.4m)為例對(duì)其進(jìn)行受力分析,結(jié)果見(jiàn)圖13,圖中數(shù)值以X正向同向?yàn)檎?反向?yàn)樨?fù)。

圖13 鋼板剪力墻墻體剪力/kN

由圖13可見(jiàn),在正常使用階段,三層墻體所受剪力為-4 425.8kN,一層墻體所受剪力為4 780.1kN,墻體所受剪力與桁架傳遞力的方向一致。在地震作用下,墻體所受剪力最大值為20 095.1kN,已超出《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)［7］6.3.20條中混凝土剪力墻承載力限值10 238.8kN,因此在剪力墻中設(shè)置鋼板。根據(jù)《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 138—2016)［4］表10.2.2,鋼板混凝土剪力墻水平和豎向分布鋼筋最小配筋率不應(yīng)小于0.4%,鋼板剪力墻中配筋采用14@150,并根據(jù)《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 138—2016)10.1.5條計(jì)算,在剪力墻中附加鋼板厚度取16mm。墻體所受剪力基本由鋼板承受,其兩側(cè)混凝土板作為鋼板的加強(qiáng)措施,通過(guò)抗剪鍵與鋼板連接,充分發(fā)揮鋼與鋼筋混凝土兩者的優(yōu)勢(shì),提高鋼板-混凝土組合剪力墻的抗剪能力。

4.2 樓板應(yīng)力分析

本項(xiàng)目樓板存在以下問(wèn)題:有較大的樓板開(kāi)洞,易形成樓板弱連接;中庭位置樓板為后澆板,位于短桁架(HJ3、HJ4)范圍內(nèi)的樓板會(huì)受到較大的拉力作用。博物館屋面板及樓板需考慮短桁架傳來(lái)的桿件軸向集中力,受力復(fù)雜,短桁架與樓板連接示意見(jiàn)圖14?；谥T多不利影響,采用YJK軟件計(jì)算樓板在重力荷載作用下的應(yīng)力分布,對(duì)樓板進(jìn)行應(yīng)力分析。本項(xiàng)目一、二層與中庭連接的第一跨樓板厚度為150mm,其他范圍樓板厚度為120mm;屋面板厚度為150mm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。一層樓板、二層樓板在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的應(yīng)力分布如圖15所示。

圖14 短桁架與樓板連接示意

圖15 樓板在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下應(yīng)力/(N/mm2)

由應(yīng)力云圖(圖15)可知,樓板應(yīng)力值較大的區(qū)域主要集中在斜柱柱腳位置、短桁架腹桿與樓板連接位置、剪力墻與樓板連接位置、樓板洞口角部位置等。對(duì)斜柱柱腳區(qū)域(柱基礎(chǔ)范圍內(nèi)的板)樓板加厚,能提高斜柱與基礎(chǔ)連接強(qiáng)度,有利于斜柱的水平力向樓板內(nèi)擴(kuò)散。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,對(duì)相應(yīng)位置(圖15(a)中圈起的位置)的樓板配筋進(jìn)行加強(qiáng),增加大開(kāi)洞位置的樓板板厚(樓板厚度150mm),以保證樓板在平面內(nèi)的剛度;中庭范圍內(nèi)樓板后澆,減小樓板因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)變形引起的板內(nèi)拉應(yīng)力。

4.3 樁水平承載力計(jì)算

本項(xiàng)目地下室范圍較小,對(duì)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的水平推力非常不利?；A(chǔ)采用樁徑800mm的鉆孔灌注樁,持力層為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖,樁端進(jìn)入持力層不小于1m,有效樁長(zhǎng)約為23m。設(shè)計(jì)中未考慮地下室底板與土體之間的摩擦力以及承臺(tái)高度范圍內(nèi)土體消耗水平剪力減小樁身受剪的有利作用。

根據(jù)2019年6月份提供的《單樁水平靜載試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告》(報(bào)告編號(hào):YZHJJ1900081)(簡(jiǎn)稱(chēng)靜載試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告),確定單樁水平承載力特征值為357.00kN,與初算時(shí)330kN設(shè)計(jì)值接近,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.4 考慮樁的彎曲剛度對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響分析

根據(jù)靜載試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告,計(jì)算出樁的彎曲剛度并帶入YJK基礎(chǔ)模型中,對(duì)上部模型按照考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)重新計(jì)算。整體計(jì)算的計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求,鋼桁架構(gòu)件最大應(yīng)力比0.93。

將考慮基礎(chǔ)側(cè)移剛度的計(jì)算結(jié)果與不考慮時(shí)的計(jì)算結(jié)果比對(duì)后發(fā)現(xiàn):桁架HJ1、HJ2內(nèi)力增加,腹桿內(nèi)力增加6%～10%,越接近支座增加越多,弦桿端部最大應(yīng)力增加約14%;與桁架HJ1、HJ2連接的剪力墻水平剪力減小,減小7%左右;支撐中心圓環(huán)的4根斜柱內(nèi)力減小,減小6%左右;短桁架內(nèi)力增加,增加14%左右。剪力墻為確保樁頂水平承載力的可靠性,提出如下施工要求:1)樁頂嵌入承臺(tái)內(nèi)長(zhǎng)度100mm,保證樁與承臺(tái)的半剛性連接;2)基礎(chǔ)部分施工完成后,基礎(chǔ)及地下室外墻周邊采用砂土或粉質(zhì)黏土回填,并分層夯實(shí),每層厚度不小于250mm,回填土壓實(shí)系數(shù)不小于0.94,采用砂土?xí)r干密度不應(yīng)小于16.2kN/m3。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)順昌博物館項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采取了如下合理的處理方式:

(1)設(shè)置鋼板剪力墻,與剪力墻周邊的型鋼混凝土柱、型鋼梁共同組成強(qiáng)抗側(cè)力結(jié)構(gòu),承擔(dān)大跨度曲面桁架傳來(lái)的水平推力。

(2)利用樓板平面內(nèi)剛度大的特點(diǎn),通過(guò)支撐于不同樓層標(biāo)高的鋼桁架和斜柱支撐起中庭鋼結(jié)構(gòu)圓環(huán),將結(jié)構(gòu)對(duì)建筑室內(nèi)空間的影響降到最低。

(3)考慮水平荷載長(zhǎng)期作用,基礎(chǔ)位移對(duì)弧形結(jié)構(gòu)的影響很大。對(duì)于此類(lèi)建筑設(shè)計(jì)時(shí)若不考慮基礎(chǔ)側(cè)移剛度,上部結(jié)構(gòu)存在安全隱患,需留有足夠的安全儲(chǔ)備。

該項(xiàng)目于2020年5月封頂,并完成了對(duì)主體結(jié)構(gòu)的驗(yàn)收。目前,該建筑已投入使用,成為當(dāng)?shù)厥忻裣?、散步的重要?chǎng)所。