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核心布置的開放過渡型休閑展示空間,并通過坡道逐漸向上行進(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)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類),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)地類別為Ⅱ類,場(chǎng)地特征周期為0.35s。基本風(fēng)壓0.35kN/m2,地面粗糙度B類,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)整體模型見圖6,曲面桁架及中心圓臺(tái)支撐見圖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),桁架布置見圖8、9(圖中未注明的腹桿均為FG1),桁架的桿件截面見表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)稱均勻,見圖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,滿足規(guī)范要求。但施工過程中,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,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)目樓板存在以下問題:有較大的樓板開洞,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的桿件軸向集中力,受力復(fù)雜,短桁架與樓板連接示意見圖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)傳來的水平推力非常不利。基礎(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的水平推力。

(2)利用樓板平面內(nèi)剛度大的特點(diǎn),通過支撐于不同樓層標(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摹⑸⒉降闹匾獔?chǎng)所。