安阳曹操高陵本体保护与展示工程结构设计

2022-03-08马智刚贾振林田文静赵晓雷孟凡磊

工程建设与设计 2022年1期

关键词：屋盖安阳桁架

马智刚，贾振林，田文静，赵晓雷，孟凡磊

（1.清华大学建筑设计研究院有限公司，北京 100084;2.曹操高陵管委会，河南安阳 455000）

1 工程概况

安阳曹操高陵本体保护与展示工程位于河南省安阳市安丰乡西高穴村南侧。场地北侧为西高穴村，东南侧为东高穴村，西侧为取土坑及农田，南侧为农田。

安阳曹操高陵墓葬于2008 年12 月起开始抢救性发掘，依据考古出土文物、墓葬形制规模，并结合文献，判定墓主是东汉末年丞相、魏武王曹操。

2010 年6 月11 日，安阳曹操高陵入选“2009 年度全国十大考古新发现”之首，2013 年5 月成为“第七批全国重点文物保护单位”。考虑到曹操在中国历史上的影响力和唯一性，安阳曹操高陵遗址的重要性不言而喻。

安阳曹操高陵是以研究中国历史上著名政治家、军事家、文学家曹操为代表的三国历史人物以及宣传历史文化的重要载体，安阳曹操高陵及其周边区域也将被打造成为一个集社会效益、经济效益、生态效益为一体的三国文化遗址公园，成为安阳市文化旅游的新名片。

本保护工程建成后将成为研究三国文化及汉魏历史的一个重要平台。

安阳曹操高陵本体保护与展示工程地上1 层，局部地下1 层。地上为错台建筑，根据建筑功能划分为3 大部分：A 区遗址展馆、B 区遗址保护棚和C 区能源中心，总建筑面积32 500 m2（见图1）。

图1 曹操高陵建筑效果及分区图

安阳曹操高陵本体保护与展示工程采取对曹操墓遗址（M1 和M2）进行整体遮盖保护的设计理念，遮蔽与覆盖遗址及其周边必要的范围，最大程度上减少对遗址的潜在破坏与干扰，为遗址本体提供利于其保存的室内稳定环境，并在此基础上增加展示功能。为与后续遗址发掘及保护工作衔接，采用封闭与半开放结合的空间设计手法，既为参观人群提供充分的观赏条件，又有效保护遗址本体不受游客参观活动的负面影响。

2 结构设计

2.1 基本参数

本工程结构设计使用年限100 a，结构设计基准期5 a，结构设计耐久性年限100 a，结构安全等级一级，建筑抗震设防类别乙类。基本风压（100 a 一遇）为0.55 kN/m2，基本雪压（100 a 一遇）为0.45 kN/m2。拟建场地及附近区域地基土不液化，地下水埋深相对较深，不考虑地下水的影响。抗震设防烈度8 度，场地土类别为Ⅱ类，设计地震分组二组，场地特征周期0.4 s。

2.2 结构体系

A 区遗址展馆，地上1 层，局部地下1 层，建筑高度8.45 m，结构形式为钢框架结构；钢框架轴网间距8 m、10 m、6 m 等，主展厅局部大空间跨度最大达22 m，框架柱主要采用D300 mm×25 mm、D350 mm×30 mm、口300 mm×300 mm×25 mm×25 mm、口200 mm×200 mm×20 mm×20 mm 等截面，框架梁主要采用H450 mm×250 mm×18 mm×25 mm、H600 mm×300 mm×20 mm×25 mm、H950 mm×300 mm×25 mm×40 mm 等截面，基础采用独立基础。

B 区遗址保护棚，地上一层，外形为对称四坡矩形体，结构形式为周边混凝土柱（2 m×2 m）+119 m 跨度钢屋盖。钢屋盖结构形式为双向正交正放H 型钢桁架，长为160 m，宽为140 m，檐口高度为23.0 m，屋脊高度为25.6 m，屋盖室内吊顶高度为17.35 m，总建筑面积为20 397.00 m2，短向跨度119 m。钢屋盖为四坡顶形式，屋脊位置最大矢高达8 m，沿口矢高为4.3 m。整个建筑物四周分别对应设置30 根11 m 高混凝土独立柱作为支撑，室内全部区域无任何辅助支撑。独立柱下采用桩基础，桩径1 000 mm。

C 区能源中心，地上1 层，建筑高度8.45 m，结构形式为钢筋混凝土框架。轴网8 m×8 m，框架柱截面600 mm×600 mm，框架梁截面有300 mm×600 mm、400 mm×800 mm等，基础采用独立基础。

A、B、C 三区结构模型见图2～图4，B 区钢屋盖剖面图见图5。

图2 A区钢框架模型

图3 B区屋盖钢结构模型

图4 C区钢筋混凝土框架模型

图5 B区钢屋盖剖面图

2.3 结构设计关键点

A 区遗址展馆，地上1 层，局部地下1 层，建筑高度8.45 m，结构形式为钢框架结构；钢框架轴网间距主要为8 m 和10 m。

A 区、C 区采用Yjk 进行设计，B 区大跨度结构是本工程重点，采用Yjk 和Midas 进行设计。B 区钢屋盖跨度大，结构布置受现场条件限制，是本工程结构设计关键点和难点。

1）大跨屋盖对荷载比较敏感，准确确定本工程屋面及吊顶做法，考虑施工及使用过程中大跨度屋盖所受荷载大小是保证结构安全的关键。主体结构荷载包括：结构自重、外加恒荷载（吊顶、灯具、屋面做法）、雪荷载、风荷载、地震作用、温度荷载等。根据施工工期，确定合理合龙温度，尽量减小温度变化对主体结构受力影响。钢屋盖合龙温度10～154 ℃，计算温差±30 ℃[1，2]。

2）大跨度屋盖采用正交正放钢桁架，钢屋盖支撑在周边30 根混凝土柱上，由于现场条件及文物工程施工要求，混凝土支撑柱需尽量远离遗址本体，以降低施工振动对遗址本体的影响。混凝土柱基础采用人工挖矿桩，桩长18 m，根据受力不同，采用不同的扩底桩直径，桩基承台采用偏心设置方案，既有利于躲开遗址本体，又大大提高了基础的抗推抗弯能力。桩基水平承载力由理正工具箱中桩基础设计模块进行设计，为进一步加强桩基抗推能力，承台间加设拉梁，同时承台四周土体分层夯实回填以加强对承台的嵌固能力并进一步增强基础抗推力。

3）大跨屋盖为四坡屋顶，钢屋盖桁架上弦存在非常复杂的空间关系，通过Xsteel 软件进行精确放样、推敲构件连接关系，在满足焊接工艺和方便施工基础上，确定坡口尺寸。鉴于工程的重要性，屋盖杆件对接焊接均采用一级全熔透焊缝。由于工程焊接量大，根据结构受力对焊缝进行重要性区分，主桁架上与次桁架连接的加劲板三边全熔透，等级一级；其余主桁架上加劲板，当加劲板净距大于或等于150 mm，其与桁架弦杆翼缘的焊缝采用全熔透，等级一级，当净距小于150 mm，做等强焊缝（按全熔透要求开坡口）并按20%比例检测熔深是否符合要求，与桁架弦杆腹板的焊缝采用部分熔透焊。B 区钢屋盖典型节点见图6。

图6 B区钢屋盖典型节点

2.4 基础设计

本工程基础形式根据安阳市建筑设计研究院有限公司提供的《安阳曹操高陵本体保护与展示工程岩土工程勘察报告》进行设计，场地内未见对工程不利的埋藏物及不良地质作用。由于B 区支撑柱柱底反力非常大，岩土工程勘察报告建议B 区采用桩基础。为保护文物，桩基施工中尽量减少施工振动影响，采用人工挖孔桩，桩径1 000 mm，桩长18 m，根据桩受力大小，采用不同的扩底做法，扩底直径1 900 mm、2 900 mm。

A 区为钢框架、C 区为混凝土框架，柱底反力在正常范围，采用柱下独立基础形式，为增强基础整体性，在地面附近加设基础拉梁。