莆田学院图书馆综合大楼结构设计分析

2021-03-12杨平

福建建筑 2021年1期

杨平

(福建省建筑设计研究院有限公司福建福州 350001)

1 工程概况

莆田学院迁建工程位于莆田主城区北部，莆田大学城新校区的西北区域，横跨莆田市荔城区和涵江区。图书馆综合大楼位于莆田学院迁建工程“一主四从”建筑组团北侧，上部建筑共10层，建筑高度44.3 m～57.8 m(坡屋顶)，其中一至六层主要建筑功能为学术报告厅、图书借阅区、书库、自习室和多功能学习区等，七层以上主要为行政办公和会议室。该工程设一层地下室，主要用作停车库和设备用房使用，局部设人防工事，人防抗力等级为：防核武器六级、防常规武器六级，采取平战结合设计。图书馆总建筑面积约为61 190 m2，其中地上建筑面积50 263 m2，地下建筑面积10 927 m2。建筑效果图如图1～图2所示。

图1 图书馆建筑效果图一

图2 图书馆建筑效果图二

2 设计参数

该工程建筑设计使用年限为50年，建筑结构安全等级二级，结构重要性系数γo=1.0。地基基础设计等级为乙级。

风荷载取值：基本风压按50年重现期取0.7kN/m2(承载力设计不放大)，舒适度计算风压取0.4kN/m2，地面粗糙度为B类，风荷载体型系数1.3。

地震场地信息：建筑抗震设防标准为标准设防类(丙类)，设计地震分组为第三组，设防烈度7度(0.10 g)，场地类别Ⅱ类，结构特征周期0.45 s，钢筋混凝土和型钢混凝土部分阻尼比0.05，钢结构部分阻尼比0.04，计算嵌固端取地下室顶板。

建筑防火分类等级为一级，耐火等级为一级。耐火极限：钢柱、钢支撑、楼面桁架为3 h，钢梁为2 h，钢筋桁架楼承板及疏散楼梯为1.5 h。

温度作用：钢结构考虑 ±30℃的温度作用。

主要结构活荷载取值：办公室2.0kN/m2；普通教室2.5kN/m2；阶梯教室3.0kN/m2；阅览区、借阅区、档案室5.0kN/m2；空调机房8.0kN/m2；室外观景平台3.5kN/m2。

基础形式：预应力混凝土管桩PHC500-125-AB，桩基持力层砂土状强风化花岗岩层。

典型建筑平面及核心筒布置如图3所示。

图3 典型建筑平面及核心筒布置

3 结构体系及整体计算结果

上部建筑柱网尺寸规则，为8.4 m×8.4 m，一至七层采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，在8.4 m×8.4 m轴网交点设置钢筋混凝土柱，主要柱截面尺寸为900 mm×900 mm和1000 mm×1000 mm。基于该工程上部高度达到约60 m，超出框架结构的适用高度范围，故，在建筑平面4个角点的楼电梯间位置设置剪力墙核心筒，形成框架-剪力墙结构，以提高结构的整体抗侧刚度。二至七层楼盖体系，采用钢筋混凝土十字梁板体系，主梁截面为400 mm×800 mm，十字次梁截面为250 mm×600 mm，楼板厚度120 mm。

在建筑平面二～七层中间位置，设置一个30 m×42 m镂空中庭；七层及以上建筑平面在对应下部中庭位置的南北两侧，各设置了一跨行政办公空间；由于下部中庭不能设置柱子，造成七层及以上楼层此处为42 m的大跨度结构。为了解决大跨度问题，在七层和八层楼面之间设置了跨层桁架，七层楼面梁为桁架的下弦杆(型钢混凝土梁，混凝土截面700×1200，型钢截面H800×400×24×34)，八层楼面梁为桁架的上弦杆(H型钢梁H1000×400×20×35)，七～八层之间设置竖腹杆和斜腹杆(箱型截面□400×400×30)。同时，在跨层桁架对应8.4 m轴网的位置立柱，通过立柱支撑九层及以上楼屋面结构。为了使大跨度跨层桁架与两侧竖向构件相匹配，在七层跨层桁架支座两侧设置了400 mm厚剪力墙,并在剪力墙内藏一根型钢斜腹杆，由剪力墙和斜腹杆共同传递跨层桁架的水平剪力(该位置剪力墙一直向下延伸至基础面)。

建筑八层设置外挑的坡屋面，外挑长度沿东西和南北方向均为8.4 m，结构采用H型钢梁，钢梁截面采用变高度形式，根部高度约1200 mm，端部高度约900 mm，通过端部收小高度来达到建筑的屋面效果。典型建筑剖面及跨层桁架、长悬挑等如图4～图6所示。

图4 典型建筑剖面及跨层桁架、长悬挑示意

图5 跨层桁架立面图

图6 跨层桁架平面示意图

由于七层以上建筑存在大跨度楼面和长悬臂屋面，结构上采用强度更高的钢框架结构。钢柱位置与下部钢筋混凝土柱位置一一对应，主要钢柱截面为□600×600×20mm和□700×700×20mm的箱型截面，钢柱埋入下部楼层的钢筋混凝土柱内。钢梁截面采用H型钢梁，钢框架梁截面主要为HN700×300mm，次梁截面主要为HN500×200mm，次梁采用单向双次梁体系，每2.8 m设置一道次梁。钢结构楼面及屋面采用混凝土钢筋桁架楼承板。

图书馆钢筋混凝土框架梁、柱抗震等级三级，剪力墙抗震等级二级，钢框架抗震等级三级。

该工程整体结构计算采用盈建科(YJK)软件进行，结构整体计算模型如图7所示,主要计算结果如表1所示。

图7 YJK整体计算模型

表1 YJK与Midas主要计算结果

结构整体分析计算结果均符合规范要求。结构自振周期前两个周期均以平动为主，第一扭转周期与第一平动周期的比值约0.8，小于规范要求[1]。

4 结构设计重点、难点问题

4.1 不同结构材料阻尼比取值

该工程7层以下采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构(局部采用型钢混凝土梁柱)，七层以上采用钢框架结构。由于混凝土与钢的阻尼比不同，如果不能采用合适的阻尼比，将会影响地震作用的计算结果。现行的盈建科软件，可以根据不同的结构材料，分别输入阻尼比，然后根据各构件的应变能加权平均的方法来计算各阶振型阻尼比。据此，该工程混凝土和型钢混凝土的阻尼比取0.05，钢结构的阻尼比取0.03，具体参数如图8～图10所示。

图8 结构阻尼比计算参数

图9 X方向不同阻尼比模型基底剪力

图10 Y方向不同阻尼比模型基底剪力

为了保证以上阻尼比计算方法的正确性，该工程另外按全楼统一阻尼比为0.04建立模型计算结构的基底剪力，将该模型计算得到的基底剪力与不同材料阻尼比模型的基底剪力进行比较。经过比较可以看出，不同材料阻尼比模型的基底剪力均大于统一阻尼比的模型，说明采用不同材料阻尼比方法计算的地震作用没有减少，是可靠的。

4.2 大跨度桁架的抗震性能设计

如图11～图12所示，该工程七层～八层的跨层大跨度桁架，不但跨度达到了42 m，而且上部还支撑了3层的楼屋面重量，是全楼结构设计的重难点，为安全起见，应进行抗震性能设计。由于桁架跨度大，因此水平地震作用不是主要控制因素。恒载、活载和竖向地震作用，共同决定了桁架的受力和截面。

图11 大跨度桁架模型

图12 八层局部钢构件中震应力比

该工程竖向地震由程序按规范简化方法计算，抗震的性能设计目标为：大跨度桁架构件中震(以竖向地震为主)弹性，其支承剪力墙中震(以竖向地震为主)抗剪和抗弯均弹性。同时，应复核支承剪力墙边缘构件的受拉情况。

根据图13所示，经过计算，大跨度桁架构件和支承剪力墙在中震(以竖向地震为主)作用下，钢构件(桁架上弦和腹杆)的应力比均不超过0.85，型钢混凝土构件(桁架下弦)的配筋在合理范围，剪力墙及其短柱的抗剪承载力满足要求，配筋也未出现超筋的情况。

图13 八层局部钢构件中震应力比

大跨度桁架两侧支承剪力墙在中震(以竖向地震为主)作用下，边缘构件出现受拉的情况，最大拉力为1090 kN。边缘构件截面为900 mm×900 mm，混凝土强度等级C40(ftk=2.39N/mm2)，混凝土本身能够承受的拉力为2.39×900×900=1935 kN，大于最大拉力1090 kN。

4.3 大跨度桁架的楼盖舒适度

该工程七层和八层跨层桁架位置，由于跨度较大，有可能存在楼盖舒适度不满足要求的情况，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]3.7.7条“楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz”和《混凝土结构设计规范》[3]3.4.6条“大跨度公共建筑不宜低于3Hz”的要求，对这两层的楼盖舒适度进行分析。分析采用盈建科软件自带的楼板舒适度分析模块，经计算，七层和八层的频率如图14所示。

图14 七层和八层楼盖舒适度计算

由图14可以看出，七层和八层计算得到的楼板固有频率，均远大于规范规定的3Hz要求，说明大跨度跨层桁架的楼盖舒适度可以满足正常使用。

4.4 上部钢结构楼层的鞭梢效应

该工程七层以下为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，七层以上为钢结构，且上部最顶层钢结构为坡度(0.5)较陡的坡屋顶。由于上下结构材料的不同，上部钢结构楼层存在一定程度的鞭梢效应，在设计时应予以考虑。

为考虑上部钢结构的鞭梢效应，对结构进行弹性时程分析，将弹性时程分析得到的各层剪力，与CQC法计算得到的剪力进行比较，如果弹性时程的剪力大，则将CQC法计算的剪力按弹性时程的结果进行放大。

选取3组地震波进行弹性时程分析(1组人工，2组实际强震)，分别为ArtWave-RH4TG045、Northridge-01 NO 965和Manjil,Iran NO 1636，分析结果满足规范单条65%和平均80%的要求。将时程分析的包络值与CQC法比较，可以看出上部钢结构楼层确实存在鞭梢效应，时程分析的结果均大于CQC法，应对CQC法的剪力进行放大，如图15所示。