溫江區(qū)文體中心博物館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳玉全

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司成都分公司, 四川成都 610000 )

1 工程概況

溫江區(qū)文體中心博物館及圖書館，位于四川省成都市溫江區(qū)，含一層地下室，單體在地上獨(dú)立，分為博物館、圖書館、報(bào)告廳，地下室連為一體，總建筑面積約為49 714.78 m2，地下室層高為5.4 m,局部為人防地下室；博物館地上建筑面積約為15 628 m2，結(jié)構(gòu)總高度為23.80 m,采用框架結(jié)構(gòu)體系，一層層高6.6 m,二層層高6.15 m,三層層高6.25 m，四層層高4.25 m,下部樓層的主要功能為展示，屋頂層局部布置設(shè)備，其余部分為空中花園;博物館的典型柱網(wǎng)尺寸為9.5 m×10.5 m;典型柱截面尺寸為900 mm×900 mm,梁截面尺寸為450 mm×1000 mm，桁架弦桿截面尺寸為H900×450×38×50,其中，懸挑桁架的最大出挑長度約為15 m,其結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示，博物館的整體結(jié)構(gòu)三維模型如圖2所示。

圖1 懸挑桁架剖面

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型及懸挑桁架構(gòu)成

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 安全等級

根據(jù)JGJ 66-2015《博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》第1.0.4條博物館建筑可按建筑規(guī)模劃分為特大型館、大型館、大中型館、中型館、小型館等五類，且建筑規(guī)模分類應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 博物館建筑規(guī)模分類 m2

據(jù)此判定，此工程建筑規(guī)模類別為大中型博物館，根據(jù)JGJ 66-2015《博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.1.1條博物館設(shè)計(jì)使用年限為100 a，主體結(jié)構(gòu)的安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

2.2 抗震設(shè)防

工程所在地的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，Tg=0.45s。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，鋼結(jié)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02。多遇地震作用下水平地震影響系數(shù)對應(yīng)抗震設(shè)防三水準(zhǔn)中的小震不壞，即50 a設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為63.2 %，而博物館設(shè)計(jì)使用年限為100 a，多遇地震作用下的地震影響系數(shù)宜適當(dāng)放大，參考文獻(xiàn)《不同設(shè)計(jì)使用年限下地震作用的確定方法》[1]給出的不同設(shè)計(jì)使用年限對應(yīng)地震作用調(diào)整系數(shù)如表2所示。

表2 不同設(shè)計(jì)使用年限對應(yīng)的地震作用調(diào)整系數(shù)

多遇地震作用下，50 a設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期對應(yīng)水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，則按100 a設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期時(shí)，水平地震影響系數(shù)最大值為0.08×1.43=0.1144。

根據(jù)GB 50223-2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，本子項(xiàng)建筑抗震設(shè)防類別為乙類，抗震等級為：框架二級，大跨度框架一級。

2.3 保護(hù)層厚度

混凝土結(jié)構(gòu)最外層鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)滿足GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于設(shè)計(jì)使用年限為100a的混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求，厚度取值如表3所示。

表3 混凝土保護(hù)層的最小厚度

2.4 荷載取值

恒載按建筑面層做法計(jì)算取值，活荷載參考JGJ 66-2015《博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.1.1條，風(fēng)荷載根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》按100 a重現(xiàn)期的風(fēng)壓取值，Wo=0.35kN/m2；根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》成都地區(qū)溫度取值最高氣溫34 ℃，最低氣溫-1 ℃，鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度暫定為10～25 ℃，最終考慮升溫25 ℃，降溫25 ℃。

2.5 材料

本工程各部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件所采用的混凝土強(qiáng)度等級如表4所示。

表4 混凝土材料參數(shù)

受力鋼筋均采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，鋼材采用Q345、Q345GJ等級的結(jié)構(gòu)鋼材，其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合現(xiàn)行中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和GB/T 1590-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。當(dāng)鋼材板厚大于或等于40 mm，尚應(yīng)遵循現(xiàn)行GB 50313《厚度方向性能鋼板》的規(guī)定。所有結(jié)構(gòu)鋼材應(yīng)為B級或更高。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

3.1 彈性計(jì)算結(jié)果

整體計(jì)算取地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，計(jì)算軟件主要采用了YJK，計(jì)算模型中定義了豎向、水平荷載工況及溫度工況。其中豎向工況包括結(jié)構(gòu)自重、附加恒荷載、活荷載以及豎向地震作用。水平荷載工況包括水平地震作用和風(fēng)荷載，溫度工況考慮上部鋼結(jié)構(gòu)升降溫25 ℃。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

從表5中可以看出，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比0.885，水平地震剪力系數(shù)大于1.6 %，水平地震工況下最大層間位移角小于1/550，風(fēng)荷載作用下最大層間位移角小于1/550，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)布置較為合理。

表5 小震作用下結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果匯總

3.2 樓板應(yīng)力分析

博物館二層樓板存局部開洞情況，樓板寬度滿足規(guī)范對樓板寬度的限值要求，為了解其在地震工況下的工作性能，對其在小震及中震作用下的樓板應(yīng)力進(jìn)行分析，樓板剛度面內(nèi)面外按實(shí)際情況考慮,考慮實(shí)際組合工況較多，僅列出基本組合下水平向地震作用下計(jì)算結(jié)果，分析結(jié)果如圖3及圖4所示。

圖3 中震樓板等效應(yīng)力云圖

圖4 小震樓板等效應(yīng)力云圖

通過小震及中震工況下的樓板應(yīng)力分析可以得出，開洞部位樓板在地震作用下工作性能良好，樓板除部分應(yīng)力集中點(diǎn)外，均未超過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)時(shí)通過對洞口周邊樓板配筋加強(qiáng)，雙層雙向配筋，應(yīng)力集中部位配筋適當(dāng)加大，角部設(shè)置放射筋等技術(shù)措施，可滿足使用功能要求。

3.3 懸挑部位分析

懸挑構(gòu)件無多余冗余度，本工程懸挑桁架出挑長度大，宜考慮對其進(jìn)行性能化分析，參照J(rèn)GJ 99-2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中3.8節(jié)及其條文說明的相關(guān)要求，懸挑桁架抗震性能目標(biāo)定義為C級，即在多遇地震、設(shè)防烈度地震及預(yù)估的罕遇地震下性能水準(zhǔn)分別為1、3、4，具體構(gòu)件實(shí)現(xiàn)要求詳見表6及表7。

在設(shè)防烈度地震作用下，關(guān)鍵豎向構(gòu)件在正截面滿足“中震不屈服”要求，“中震不屈服”分析時(shí)，相對于多遇地震作用下的彈性分析，分析參數(shù)經(jīng)以下調(diào)整：

(1)地震影響系數(shù)最大值按設(shè)防烈度取值，調(diào)整為0.23。

(2)不考慮與抗震等級相關(guān)的調(diào)整系數(shù)，取消組合內(nèi)力調(diào)整。

(3)荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

(4)材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。

(5)抗震承載力調(diào)整系數(shù)取1.0。

(6)考慮到填充墻體開裂影響，周期折減系數(shù)調(diào)整為1.0，阻尼比增加至6 %。

依據(jù)JG J99-2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中第3.8節(jié)相關(guān)規(guī)定，中震不屈服時(shí)構(gòu)件承載力驗(yàn)算公式如式1和式2所示：

(1)

(2)

表6 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

表7 結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型

為了滿足“大震不倒”的性能目標(biāo)，對關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行預(yù)估的罕遇地震下內(nèi)力分析，分析方法仍采用等效彈性分析法。按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》要求，特征周期調(diào)整為0.50 s，地震影響系數(shù)最大值為0.5，同時(shí)考慮到部分耗能構(gòu)件的屈服，將阻尼比調(diào)整為7 %，其他分析參數(shù)調(diào)整如下：

(1)不考慮與抗震等級相關(guān)的調(diào)整系數(shù)，取消組合內(nèi)力調(diào)整。

(2)荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

(3)材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。

(4)抗震承載力調(diào)整系數(shù)取1.0。

(5)考慮到填充墻體開裂影響，周期折減系數(shù)調(diào)整為1.0。

采用YJK軟件進(jìn)行中震及大震作用下的性能化分析，桁架的分析結(jié)果如表8及表9所示。

表8 桁架在中震、大震工況下應(yīng)力比

中震及大震工況作用下，結(jié)構(gòu)基底剪力如表9所示。

表9 中震、大震工況下基底剪力

可以看出中震及大震作用下，懸挑桁架的性能均可達(dá)到預(yù)定的性能化目標(biāo)，且兩種工況下應(yīng)力比基本一致，可以得出，在7度抗震設(shè)防區(qū)，對于大懸挑桁架，構(gòu)件性能主要受恒、活工況控制，地震作用不是其主要控制因素，這也側(cè)面印證了規(guī)范的相關(guān)要求。

大震最大地震影響系數(shù)0.5，中震最大地震影響系數(shù)0.23，大震/中震=2.18，故分析結(jié)果考慮了地震工況參與計(jì)算，結(jié)果可信。其次，桁架分析中已經(jīng)考慮桁架豎向地震作用工況，懸挑桁架在中震及大震作用下，應(yīng)力比基本一致，說明7度區(qū)，豎向地震作用對桁架不起控制作用，恒載及活載起控制作用，和規(guī)范條文規(guī)定吻合 。

4 對策與結(jié)論

4.1 對策

針對結(jié)構(gòu)分析中可能存在的抗震不利因素，在設(shè)計(jì)中可考慮如下應(yīng)對措施：

(1)針對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，計(jì)算考慮雙向地震作用，適當(dāng)加大周邊框架截面尺寸，加強(qiáng)角部框架柱及框架梁配筋。

(2)針對局部樓板開大洞的情形，加厚連接薄弱部位樓板厚度，并對樓板的配筋加強(qiáng)，按雙層雙向配筋，并控制樓板的最小配筋率為0.25 %；在陰角處配置附加雙層斜向鋼筋，擬通過以上措施，增強(qiáng)樓板的承載力，同時(shí)可以增強(qiáng)樓面構(gòu)件與豎向構(gòu)件的協(xié)同工作性能。

(3)對于大跨度懸挑部位，考慮豎向地震作用，并滿足性能化目標(biāo)C的要求，控制弦桿的應(yīng)力比不超過0.9，保證其在對應(yīng)性能水準(zhǔn)下依然能正常工作。

(4)盡量采用輕質(zhì)墻體材料，以有效地減輕建筑物的自重，進(jìn)而減小作用于結(jié)構(gòu)上的地震作用。

4.2 結(jié)論

通過線彈性分析、構(gòu)件的驗(yàn)算，各層面分析結(jié)果表明目前的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合國家現(xiàn)行規(guī)范要求，該工程結(jié)構(gòu)體系成立，是安全可行的，主要的分析結(jié)論如下：

(1)該結(jié)構(gòu)整體位移指標(biāo)為地震控制，小震作用下最大層間位移角為1/741，滿足規(guī)范小于1/550的要求。

(2)結(jié)構(gòu)第一階和第二階振動(dòng)為平動(dòng)，周期分別為1.046 s和0.962 s，第一階扭轉(zhuǎn)周期為0.926 s，其與第一階平動(dòng)周期比值為0.885，滿足規(guī)范扭平比不大于0.9的要求。

(3)性能化分析表明，懸挑桁架在設(shè)防烈度地震作用下的正截面承載力滿足對應(yīng)性能化目標(biāo)的要求。在預(yù)估的罕遇地震作用下，桁架正截面承載力滿足對應(yīng)性能化目標(biāo)的要求。