阜阳规划展示馆结构设计的若干思考

唐伟伟

0 引言

城市规划馆是一座城市的明信片，是人们了解一座城市的重要窗口，通常会和城市档案馆一同建设，这就要求建筑效果整齐划一。结构设计是实现建筑功能和建筑效果的重要支撑，显得尤为重要。

1 工程概况

阜阳规划展示馆项目位于安徽省阜阳市城南新区，建设内容包括：阜阳市规划展示馆、阜阳市档案馆、城建档案馆、国土局档案馆、房产局档案馆，项目总建筑面积50 400m，其中地上面积36 423m。项目主体采用钢筋混凝土结构（局部一个单体采用钢结构），共5 层，建筑结构高度为23.55m。阜阳规划展示馆实景图如图1 所示。

图1 阜阳规划展示馆实景图

2 结构概况

本工程有一层满堂布置的地下室（非人防，层高4.9m）。地面以上室外地面到主屋面的高度为23.55m，分为四个独立的抗震结构单元。其中三个结构单元采用钢筋混凝土框架结构，一个采用钢框架-中心支撑结构体系，不同抗震结构单元之间采用钢结构连廊连接，连接体采用可滑动的弱连接方式与两侧结构单元相连。

根据我国的抗震规范和地震区划图，本工程处于我国的7度（0.1g）抗震区域，设计地震分组为第一组，抗震设防分类标准为标准设防类。按照本工程《阜阳规划展示馆岩土工程勘察报告》揭示，所选的拟建建筑场地为抗震一般地段，场地类别为Ⅲ类。拟建场地下无液化土层。结构抗震设计中，按抗震规范采取了适合的抗震措施，建筑物抗震等级为混凝土框架三级（局部大跨框架为二级）、钢框架四级。

3 钢框架中心支撑结构

本工程西北侧档案馆地面以上采用钢框架-中心支撑结构体系，底部两层局部区域采用三根斜柱支撑上部结构，并在斜柱顶部于四层与五层之间设置了层间桁架，将上部结构的竖向荷载传递到斜柱。三根斜柱规格均采用φ1 000mm×60mm 的圆钢管，在顶板位置交会于一点。三根斜柱相交角度较小，斜柱壁厚大，相贯焊接难度极大，且不容易保证焊接质量，所以此处采用了铸钢节点，节点端部预留企口，与斜柱底部焊接，如图2 所示。

图2 层间桁架与斜柱

在结构选型过程中，开始考虑采用钢框架结构，建模计算后发现由于三根斜柱的存在，使纯框架体系的大部分地震力都集中到三根斜柱上，必须采用更大的斜柱截面才能满足要求，建筑观感不佳，并且这样的结构体系也不利于抗震。最终选择了钢框架-中心支撑结构体系，在竖向交通的两部楼梯四周采用中心支撑体系，用于抵抗主要的地震力等水平荷载，三根斜柱主要承受竖向荷载和少部分的水平荷载。如图3 所示。

图3 斜柱底部铸钢节点详图

斜柱汇交于地下室顶板后转为竖向钢柱，竖向钢柱延伸至地下室底板，相对应部位地下室框架柱采用型钢混凝土组合柱，钢柱柱脚设于地下室底板面即基础顶面。

4 铸钢节点有限元分析

三根斜交的柱支承上部三层较大区域的荷载，其底部支座对于结构的整体安全起非常重要的作用，同时该节点的受力情况比较复杂，所以有必要对该节点进行有限元分析，铸钢件节点的有限元实体模型见图4。

图4 铸钢有限元实体模型图

铸钢节点材质按《铸钢节点应用技术规范》（ZG310-570）中铸钢的规定，弹性模量取2.06×105 MPa，泊松比为 0.3，屈服强度为 300 MPa。铸钢节点与下部型钢混凝土柱相连接的截面施加完全固接的边界约束条件，顶部施加三根斜柱传递给节点的荷载。

各荷载工况从PKPM-SATWE 整体模型计算结果中得到，通过筛选，得到了8 种由X 向地震和Y 向地震参与的最不利工况组合单工况下杆件节点力如表1。

表1 基于整体坐标系下各工况下杆件的节点力

表1 续

通过有限元软件分析，得到节点在组合工况1.3×荷载+1.5×活载下的应力和变形最大，最大的应力为151.6 MPa，小于屈服强度300MPa，仍处于弹性阶段，最大变形为1.30mm，表明铸钢节点具有较大的刚度和结构安全储备。

5 大跨度屋顶花园

在城市规划展厅上方为34.8m×34.8m 的大跨度屋面，且此处屋面的使用功能为屋顶花园，屋面荷载较大，本工程采用3m×3m 双向井字有粘结预应力梁，预应力梁截面尺寸为600mm×2000mm，预应力筋延伸至少一跨。在西南侧有最长8.9m 的悬挑屋面，同样为屋顶花园，此处采用800mm×1600mm 的预应力框架梁。采用预应力技术有效地解决了大跨度、重荷载的问题，并为建筑内部提供了更大的展厅净空，充分实现建筑效果。

大跨度屋面梁也可以采用钢桁架组合梁，屋面采用桁架楼承板组合楼面，但支承钢桁架的柱需采用型钢混凝土柱。采用这个方案的优点是钢桁架比混凝土框架梁自重小，不足之处是组合结构梁柱节点区域型钢柱与型钢梁交接，与密布的柱筋和梁筋位置冲突，将造成节点区钢筋绑扎困难，混凝土浇筑困难等不利影响。综合以上因素，屋面大跨度和大悬挑梁均采用了有粘接钢筋混凝土梁。

6 大跨度钢结构连廊

本工程南侧的城市规划展馆和档案馆在五层设置了跨度为46.8m 的钢结构连廊（如图5 所示），连廊一侧与档案馆固定连接，一侧与展厅采用可滑动的抗震支座。钢连廊利用五层与屋面之间的空间高度，并结合连廊区域的使用功能，采用了平面钢桁架结构，房间门洞设置在斜腹杆的中间，桁架位置尽量与隔墙位置重叠。桁架上弦构件采用型钢H600mm×400mm×12mm×18mm，下弦构件采用型钢H600mm×400mm×12mm×18mm，斜腹杆构件采用方管400mm×400mm×30mm×30mm，共采用了两榀钢桁架，桁架之间联系钢梁false 采用型钢H600mm×300mm×12mm×30mm，以上构件均使用Q355B 材质。

图5 钢结构连廊示意图

图6 钢连廊立面图

参照《高层民用建筑钢结构技术规范》对楼面舒适度提出了明确的要求：楼盖结构的竖向振动频率不小于3Hz，办公功能区域的峰值加速度不能超过0.05m/s。经计算分析得到钢连廊的竖向振动第一周期为0.28s，对应的竖向振动频率为3.6 Hz，满足自振频率限值要求。同时在单人行走、跑步两个不同工况的激励条件下，钢连廊的峰值加速度分别为0.03m/s和0.04m/s，均满足最大峰值加速度限值的要求。钢连廊舒适度满足规范要求。通过计算分析的结果可以看出，采用钢桁架的大跨度连廊可以有效地控制连廊的挠度及舒适度。

7 结束语

阜阳规划展示馆项目通过合理的结构布局，采用不同的结构形式，在确保抗震安全的前提下，充分地实现了建筑的功能和效果。通过采用合理的有限元分析方法和有粘结预应力技术，解决了结构技术难点，对类似的工程具有一定的参考作用。