黨史紀念館結構設計

張繼合，韓振林，張兆超，董傳磊，王 相

(山東省建筑設計研究院有限公司，山東 濟南 250001)

1 工程概況

黨史紀念館包括展廳、中庭、會議中心和綜合報告廳，總建筑面積約2萬m2，建筑高度19.200 m，地上3層，地下1層，首層層高7.2 m，2層、3層層高均為6 m。報告廳跨度27 m，設兩層看臺。展廳2層圓廳外側設大懸挑平臺，結構最大懸挑13 m；中庭各層均開設了11 m×16 m大洞口，洞口頂部采用鋼結構玻璃屋蓋，本工程鳥瞰圖見圖1，效果圖見圖2。

2 結構設計基本參數

2.1 基本參數

本工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，第二組，Ⅲ類場地,場地特征周期Tg=0.65 s，設計使用年限50 a，抗震設防分類標準為標準設防類[1]，安全等級為二級[2]，基礎設計等級為乙級[3]，地震動參數[4]見表1。

表1 地震動參數

2.2 主要荷載

2.2.1 恒載、活載

自動計入自重，展廳活載取3.5 kN/m2，屋面網架恒荷載:1.0 kN/m2(水平投影)，下弦吊頂活載：2.0 kN/m2，活荷載取0.50 kN/m2，基本雪壓為0.40 kN/m2(重現期100 a)，女兒墻內側考慮積雪不均勻系數2.0[5]。

2.2.2 風荷載

工程所在地區重現期50 a的基本風壓為Wo=0.45 kN/m2，本工程計算采用對基本風壓放大1.1倍，地面粗糙度類別為B類。

2.2.3 溫度作用

本工程考慮了溫度變化的影響，溫度作用及與其他可能同時出現的荷載共同作用下，其產生的效應可能超過承載能力或正常使用極限狀態[6]。GB 50009—2012建筑結構荷載規范給出了氣溫變化引起的溫度作用的規定。查荷載規范附表E.5得知本地區基本氣溫最低為-11 ℃，最高為36 ℃,結構合攏溫度一般15 ℃～20 ℃。結構最高溫度=最高氣溫代表值-夏季室內外溫差，結構最低溫度=最低氣溫代表值-冬季室內外溫差。參照《建筑結構荷載規范理解與應用》計算后得知，屋面網架最大溫升為14 ℃，最大溫降為-20 ℃，模型中施加了溫度工況，考慮了恒+活+溫，恒+活+風+溫組合，計算結果表明溫度組合下支座桿件應力比比較大，本工程采用橡膠支座，有效釋放水平剛度，支座桿件最大應力比合理控制在0.75以內。

3 結構體系分析

本工程是多層復雜的公共建筑，常規框架結構側向剛度不大，在側向荷載作用下，一般呈剪切型變形，本工程體型復雜，多為不規則結構，不宜選用框架結構。剪力墻結構在側向力作用下，一般呈彎曲型變形，缺點是墻易出現由于剪切造成的脆性破壞，常用于高度較大的高層建筑。框架剪力墻結構同時具有框架和剪力墻，在結構布置合理的情況下，形成抗震的兩道防線，因而是一種優勢明顯的結構體系[7]。本工程主體結構形式選取了鋼筋混凝土框架剪力墻結構，在電梯井、樓梯間的交通核區域合理設置了剪力墻，墻厚一般200 mm～300 mm，框架柱一般800 mm×800 mm，支撐大跨梁的框架柱一般1 000 mm×1 200 mm，支撐大懸挑平臺處的框架柱采用直徑900 mm的圓柱。

報告廳看臺及西南側大懸挑梁區域則采用了部分有黏結預應力梁，預應力能改善使用階段性能，延緩出現并降低大荷載的裂縫寬度，同時可有效降低甚至消除正常使用荷載下的撓度，能跨越較大空間，適合大跨結構[8]。鑒于以上預應力技術的優點，大跨梁和大懸挑梁采用了預應力技術。采用預應力技術前后，主要指標對比見表2。

表2 指標對比

報告廳屋蓋跨度27 m，長度24 m，柱距8.1 m，擬選用自重較輕的鋼結構屋蓋體系。網架結構用鋼量優，桿件布置規則為吊頂提供了便利的承重作用點。根據建筑立面要求，屋面周邊女兒墻較高，結合立面要求，網架采用下弦承重形式，支座采用限位橡膠支座，網架截面高度1 800 mm，網架截面分格尺寸2 700 mm×2 300 mm，截面型號見表3。

表3 桿件截面表

考慮到工程存有大懸挑、開大洞、大跨度和局部錯層等抗震不利因素，框架和剪力墻的抗震等級取三級，報告廳大跨框架取二級，大懸挑及相關框架柱取二級。設計中參照JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程[9]中抗震性能目標C級進行了抗震性能化設計，將支承大懸挑梁的框架柱、支撐大跨梁的框架柱、支撐網架屋面的框架柱定義為關鍵構件進行性能化設計。

4 計算分析

本工程為鋼筋混凝土框剪結構加上部鋼屋蓋的整體空間結構，設計中建立兩種計算模型，分別為上部獨立模型和下部混凝土加屋面鋼結構的整體模型，上部模型采用3D3S(V11.1)計算，計算模型見圖3。整體模型采用有限元軟件盈建科YJK(V3.1.0)計算，計算模型見圖4。設計中考慮了在多遇地震作用下的整體計算分析及中大震抗震性能化分析，并采用PMSAP進行對比分析計算。

網架上弦、下弦桿靠近支座處四個節間范圍的桿件長細比不超過120，多遇地震作用下一般桿件最大應力比不超過0.8，網架弦桿和支座范圍腹桿的應力比不超過0.75，同時針對網架進行中震性能化設計，中震彈性工況下控制桿件應力比不超過0.9。

4.1 動力特性分析

上部獨立網架采用3D3S軟件建模計算，采用橡膠限位支座，其剛度根據JGJ 7—2010空間網格結構技術規程[10]附錄K推算。分析時計算了50階振型，x，y，z各方向質量參與系數均大于90%，第1階、第2階和第3階主要表現為豎向振動，前3階振型對應周期分別為0.330 89 s，0.281 89 s和0.201 66 s。

為便于考察上部網架對下部主體結構的相互影響，采用YJK軟件將上部網架模型與下部主體結構拼裝后建立了整體模型，考慮了30階振型，各方向質量參與系數均大于90%，前3階振型對應的周期分別為0.514 s，0.414 4 s和0.376 3 s，第1階振型主要表現為沿著建筑物長度方向的平動，第2階振型表現為沿著建筑物寬度方向的平動，第3階表現為扭轉，前3階振型圖如圖5所示。計算分析表明：前3階振型結構雙向周期相近，整體剛度較大，結構具備良好的抗震性能。

上部獨立網架模型與整體模型周期對比見表4，從表4可知整體模型周期比獨立網架周期稍長，說明考慮下部結構剛度后屋蓋的整體剛度有所降低，YJK軟件可考慮鋼屋蓋與下部主體結構的共同工作。

表4 整體模型與獨立模型的模態周期對比表

4.2 地震傾覆力矩百分比

本工程首層規定水平力作用下框架柱傾覆力矩X向24.9%，Y向20.33%，傾覆力矩滿足框架-剪力墻結構要求，按典型的框剪結構設計。

4.3 大跨看臺設計

報告廳2層看臺中間不能設柱，形成跨度27 m的大跨結構，弧形看臺兩側往前懸挑4.7 m，看臺高差6.45 m。看臺設三道大跨預應力梁，截面尺寸600 mm×1 600 mm，低松弛預應力2-6Φs15.2鋼絞線，張拉端采用夾片式錨具，兩端對稱張拉。根據JGJ/T 140—2019預應力混凝土結構抗震設計標準[11]及GB 50010—2010(2015年版)混凝土結構設計規范[12]確定強度比λ，取λ=0.75，梁端縱向受拉鋼筋按非預應力鋼筋抗拉強度設計值折算的配筋率，配筋率1.1%<2.5%,滿足規范要求。

2層報告廳跨度大且觀眾多，考慮到正常使用舒適性，按JGJ/T 441—2019建筑樓蓋結構振動舒適度技術標準[13]要求進行舒適度驗算，采用有限元軟件Midas Gen進行樓蓋動力特性分析，看臺梁、柱采用框架單元模擬，樓面板采用殼單元模擬。荷載施加模式除均布荷載外，還考慮了跨中位置施加集中荷載的情況，結果表明：大跨度看臺第一階頻率為4.337 5 Hz，大于規范要求的4 Hz，峰值加速度0.09 m/s2，不大于規范限值0.15 m/s2，滿足規范要求，舒適度滿足規范要求。

4.4 開大洞的薄弱樓板處加強措施

由于中庭開大洞口，洞口周邊邊緣形成薄弱樓板連接區，對此處樓板進行中震及大震下樓板應力分析，并按分析結果加強樓板板厚及配筋。將洞口周邊樓板厚度加厚為130 mm，配筋計算時將該層樓板設為彈性板進行結構整體計算，樓板配筋采用通長配筋并適當加大配筋率至不小于0.25%。

4.5 支撐網架的框架柱性能化設計

支撐網架的框架柱有效傳遞網架支座內力，柱高度18 m，框架柱是本工程的關鍵構件，參考JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程3.11節性能化設計，選取C級性能目標進行了抗震性能化設計，框架柱的抗震等級提高至二級，針對框架柱進行中震彈性和大震不屈服驗算，驗算結果表明，滿足性能目標要求。

5 結論

通過對黨史紀念館設計中關鍵問題的研究分析，可得到如下結論：

1)對于下部混凝土主體結構加上部網架結構的建筑，應考慮組裝整體模型，考慮上下部結構的相互影響，合理取用阻尼比，使設計更加科學合理。2)框架剪力墻結構同時具有框架和剪力墻，平面布置較易獲得較大空間，兩種結構形成抗震的兩道防線，因而是一種優勢明顯的結構體系，大型公共建筑選用框剪結構能得到較好的設計效果。3)大跨度大懸挑結構采用預應力技術能充分利用高強度鋼材，減輕結構自重。4)看臺大跨結構樓蓋需要進行舒適度驗算，豎向振動頻率和峰值加速度均滿足要求。5)支撐重要的大跨度、大懸挑構件的框架柱，采用抗震性能化可確保設計構件的抗震能力。