南充博物馆结构设计

2023-08-18卢挺,伍庶,邓鑫

建筑结构 2023年15期

卢挺, 伍庶, 邓鑫

(中国建筑西南设计研究院有限公司，成都 610081)

1 工程概况

南充博物馆位于四川省南充市,包括文化馆与博物馆,是集收藏、保护、展示、研究文物于一体的城市综合类大型博物馆。该建筑采用了垂直分区功能布局,文化馆位于底部,博物馆位于上部,两者通过中部24m通高的城市文化会客厅联系。在建筑北侧地下室设置下沉庭院,以延伸文化馆群众活动空间,作为多功能城市剧场。南充博物馆实景照片见图1。

图1 南充博物馆实景照片

南充博物馆总建筑面积49158m2,其中地上建筑面积为28802m2。临时展厅设置于1～3层,固定展厅位于4层。以2层中央大厅为枢纽,设置了五个大台阶,分别与1、3层及城市阳台互通,形成了若干错层空间。北侧紧挨1号筒体,利用地下空间,在城市阳台下面设置了一个585座的大木偶剧院。南充博物馆建筑剖面图见图2。

图2 南充博物馆建筑剖面图

项目地上4层,地下1层,采用钢筋混凝土筒体(内置钢框架-支撑)-钢桁架-钢筋混凝土框架组成的混合结构体系。建筑高度31.20m。4个钢筋混凝土筒体分别采用筏板基础,框架柱采用独立基础或桩基础,持力层为中风化砂质泥岩。地基基础设计等级为甲级,结构安全等级为一级,结构设计年限为50年,耐久年限为100年[1],抗震设防类别为重点设防类[2]。根据文献[3-4],南充市抗震设防烈度小于6度。根据文献[5],本项目按6度进行抗震设计和采取抗震措施。

2 主体结构设计

2.1 上部结构体系

南充博物馆的4个钢筋混凝土筒体对称分布于主平面四角,围合的平面长宽均为65.7m,从地下1层贯穿至屋顶,筒体为主要抗侧力构件,筒体内部空间用于人员垂直疏散及设备管线集中布设。利用4层层高,筒体之间采用钢桁架进行连接,跨度39.7～40.7m,钢桁架外挑15～17m,以满足博物馆固定展览对连续大空间的需要。东侧为文化馆入口,为实现15m大悬挑的效果,利用2层的高度空间设置悬挑桁架。依附在筒体上的框架部分仅到3层楼面标高,主要柱跨5.0～25.5m,北面城市阳台下部的剧院屋盖大跨度框架采用型钢混凝土结构。钢筋混凝土筒体抗震等级为二级,钢桁架抗震等级为三级,钢筋混凝土及型钢混凝土框架抗震等级为三级。

1～3层楼层标高错落,不宜按一般结构层的概念判断超限的程度。从整体结构体系来看,主要抗侧力构件为4个钢筋混凝土筒体,竖向抗侧力构件连续,屋盖为大跨钢桁架,主体结构体系可认为是单层的巨型结构,其余框架部分依附于巨型结构,结构整体计算模型如图3所示,4层结构平面布置如图4所示。

图3 结构整体计算模型

图4 4层结构平面布置图

基础、防水板、地下室侧墙采用强度等级为C35的防水混凝土,抗渗等级P6、P8;四个钢筋混凝土筒体及框架柱混凝土强度等级采用C40;梁、板混凝土强度等级为C30。钢桁架钢材采用Q420B,次桁架及型钢混凝土中的型钢采用Q345B。

2.2 结构设计特点及难点

南充博物馆结构设计的主要特点有:采用了暂未列入现行设计规范的混合结构体系,属于抗震设防超限高层建筑;体型较复杂,1～3层板面标高存在多个错层空间,无明确层概念,利用4层高度设置大跨度、大悬挑的钢桁架,在顶部形成整体抗侧力体系,钢桁架局部设有吊挂夹层;4号筒体2层设有局部悬挑钢桁架,钢桁架采用了超厚高强度钢材。

结构设计的难点主要有:筒体及主钢桁架组成的抗侧力体系采用性能化设计;采用可靠的措施确保主钢桁架与钢筋混凝土筒体的共同工作;钢筋混凝土筒体刚度大,该结构体系对温度较为敏感;大跨度大悬挑结构考虑使用舒适度的要求;钢桁架与钢筋混凝土筒体合拢连接后,与上下层楼盖形成整体受力,楼盖会产生较大的拉压应力。

2.3 整体计算分析

该项目属于结构类型及平面规则性超限的超限高层建筑工程,进行抗震性能化设计时,采用《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[6]所对应的性能目标C:1)多遇地震作用下结构满足抗震性能水准1;所有构件的抗震承载力满足弹性设计要求。2)设防地震作用下结构满足抗震性能水准3;钢筋混凝土筒体正截面承载力满足“屈服承载力设计”的要求,斜截面受剪承载力满足弹性设计要求;主钢桁架截面承载力满足“屈服承载力设计”的要求。3)罕遇地震作用下结构满足抗震性能水准4;钢筋混凝土筒体允许局部屈服,截面满足受剪承载力限制条件;主钢桁架截面承载力满足“屈服承载力设计”的要求。

整体计算时,选取满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[4]要求的2组天然波和1组人工波,该项目在不同地震工况下所采用的整体分析方法及计算软件见表1。

表1 整体分析方法及计算软件

各地震工况下不同分析方法所计算的主要结果见表2～4。由表2～4可得,结构在多遇地震作用下的扭转位移比和最大层间位移角均满足要求;在设防地震作用下,结构的层间位移角满足抗震性能水准要求;在罕遇地震作用下,结构的最大层间位移角满足抗震性能水准要求。

表2 多遇地震主要计算结果

表3 设防地震主要计算结果

表4 罕遇地震主要计算结果

2.4 抗震加强措施

除满足性能化设计计算要求外,本项目采用以下构造措施来保证其抗震性能。

(1)控制筒体剪力墙轴压比不大于0.45,筒体四角通高设置约束边缘构件,长度分别取筒体长宽的1/4。约束边缘构件配箍特征值不小于0.24。

(2)筒体四角通高设置箱形型钢柱,钢桁架在筒体内贯通设置,为方便混凝土浇筑,桁架弦杆及腹杆在筒体内转换为H形截面。

(3)筒体的外筒剪力墙墙身水平及竖向钢筋配筋率不小于0.4%,且在钢桁架上弦高度范围内墙身水平钢筋配筋率不小于1.0%。

(4)在连梁中设置交叉暗撑或型钢。

(5)控制大跨度主钢桁架构件应力比在多遇地震工况组合下不大于0.8,在设防地震和罕遇地震工况组合下主钢桁架截面承载力满足“屈服承载力设计”要求。主钢桁架及筒体内的延伸钢桁架按支承于筒体顶部(假定钢筋混凝土筒体退出工作)包络设计。

3 筒体设计

南充博物馆3层楼面以上空间由4个相似的钢筋混凝土筒体支承8榀主钢桁架。单个钢筋混凝土筒体外轮廓投影平面尺寸为13.2m×13.7m,筒体外墙厚度为700mm,内墙厚度为300mm和350mm。筒体四角设置截面为□400×400×50的箱形钢柱,1号筒体结构平面布置如图5所示。

图5 1号筒体结构平面布置图

3.1 筒体抗震性能验算

采用MIDAS Building软件对设防地震作用下筒体底层剪力墙正截面进行屈服承载力验算。结果表明,筒体各墙肢可满足正截面承载力在设防地震作用下不屈服的性能目标。在筒体剪力墙四角所配置的型钢除方便连接钢桁架外,亦可提高筒体正截面承载能力和延性。

对筒体底层剪力墙进行设防地震作用下斜截面受剪弹性承载力设计以及罕遇地震作用下截面受剪承载力限制条件验算,由振型分解反应谱分析计算所得筒体底层剪力墙在设防地震和罕遇地震作用下,截面剪力S与对应性能目标的剪力限值R之比见表5。由表可得,筒体底层剪力墙满足前文所述相应性能水准要求。

表5 底层筒体剪力墙截面抗剪验算

3.2 筒体应力分析

采用ANSYS软件对筒体混凝土剪力墙与钢桁架组合子结构进行有限元分析。其中桁架采用Beam188单元,剪力墙采用Shell63单元。分别用两个模型来模拟子结构受力,模型M1假定钢桁架和混凝土墙变形完全协调,模型M2假定钢桁架不受混凝土约束独立工作。两种有限元模型如图6所示。

图6 筒体有限元模型图

模型所加外力由整体分析结果得来,根据整体分析结果,钢桁架内力值在多遇地震及设防地震作用(已考虑竖向地震)下由荷载基本组合控制。裂缝验算时采用荷载准永久组合,取准永久组合值系数ψc=0.5。钢材的本构采用理想弹塑性应力-应变曲线。

荷载基本组合作用下,模型M1中剪力墙洞口上边缘至墙顶之间混凝土均出现较大面积拉应力区且洞口边角处出现应力集中;筒体下部四角和桁架竖杆相连处混凝土受压,大部分区域压应力小于混凝土轴心抗压强度设计值。模型M2中各杆件轴向应力均小于钢材抗拉强度设计值,说明不考虑混凝土作用时,钢桁架也可满足承载力要求。

荷载准永久组合作用下,考虑钢桁架和混凝土筒体变形协调,由于钢材和钢筋弹性模量基本相当,近似取混凝土墙内水平钢筋应力值同两个模型中上弦钢桁架轴向应力值。按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[7](简称混凝土规范)中7.1.2条计算混凝土裂缝宽度,计算结果均小于混凝土规范第3.4.5条限值。设计中通过提高墙内水平分布钢筋的配筋率来控制正常使用极限状态的混凝土裂缝宽度。

因罕遇地震作用下筒体剪力墙开裂而部分退出工作,分析时偏安全地不考虑混凝土的作用,采用模型M2。通过分析模型M2在罕遇地震作用下的受力情况可知,剪力墙内桁架各杆件应力值均小于钢材屈服强度值fy,满足屈服承载力要求。

3.3 典型节点设计

主钢桁架贯穿钢筋混凝土筒体,上下弦杆与筒体连接处,节点受力及构造复杂。为满足筒体混凝土浇筑的便利性,箱形弦杆及腹杆在筒体内需转换为H形钢。根据筒体应力分析,屋面筒体范围的桁架上弦杆拉应力较大,其应力随延伸于筒体长度的增加而逐渐减小。因此,将钢桁架上弦杆箱形截面段延伸进筒体剪力墙2m后再与H形上弦杆进行转接。筒体范围的桁架下弦杆为受压状态,其压力可直接传递于筒体混凝土内,故下弦杆进入筒体节点后可直接转换为H形钢。为保证钢桁架与筒体剪力墙更好地协同工作,筒体剪力墙内钢桁架上、下弦杆及腹杆的翼缘和腹板上均设置有间距不大于200mm的φ19抗剪栓钉。节点构造大样见图7。

图7 上、下弦杆与筒体连接节点构造大样

4 整体钢桁架设计

南充博物馆4层主要建筑功能为博物馆展厅,为满足展厅内部大空间的使用要求,4层空间由4个筒体及与其连接的钢桁架组成受力体系。主钢桁架净跨双向分别为39.7m及40.7m,外挑净跨15～17m,4层结构平面布置见图4。主钢桁架的弦杆及腹杆在筒体内延伸并连续设置,贯穿筒体,钢桁架立面图见图8,主钢桁架构件截面见表6。钢桁架范围内楼板采用钢筋桁架楼承板,筒体范围内楼板采用现浇钢筋混凝土楼板。

表6 主钢桁架构件截面/mm

图8 主钢桁架立面图

4层中间局部设置设备夹层,该夹层以下的环形走道采用悬挂结构。为满足展厅走道通透性效果,悬挂竖向构件按照《钢拉杆》(GB/T 20934—2007)[8]选用强度等级为GLG460的UU形钢拉杆,拉杆直径为60mm,布置间距为5m。为兼顾安全与美观,钢拉杆与桁架通过锚夹具形成铰接节点,走道钢拉杆效果图及节点构造大样见图9。

图9 钢拉杆效果图及节点构造大样图

4.1 桁架应力及变形分析

为考察桁架在多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下的受力状态,采用ETABS2013软件进行整体补充计算。该分析采用规范反应谱计算方法,通过调整地震影响系数最大值来近似模拟各地震工况作用下的效应,并按《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)要求考虑组合竖向地震工况。

由于桁架弦杆与楼板之间通过栓钉连接共同受力,桁架上下弦杆的楼板理论上可共同承担部分轴拉力或轴压力。实际施工时,钢筋桁架楼承板在钢桁架完成施工后进行铺设,楼板浇筑凝固时,钢桁架在自重下的变形已完成,因此在进行桁架设计时,不考虑楼板的刚度。

计算结果表明,桁架在设防地震下的内力值与在多遇地震下的内力值相当,且杆件的最大应力比为0.699,满足承载力要求,说明在这两种工况下桁架内力均由竖向荷载起控制作用,且处于弹性工作状态。而在罕遇地震下,桁架内力由地震工况组合起控制作用,杆件应力小于钢材屈服强度,但大于钢材强度设计值,即钢桁架在罕遇地震下可保持不屈服。

正常使用极限状态下主钢桁架的挠度计算取竖向荷载标准值,主钢桁架挠度见图10。由图可得,主钢桁架在正常使用极限状态下的挠度均小于规范限值L/400(L为主钢桁架计算跨度)。

图10 主钢桁架挠度

4.2 桁架温度作用分析

由于钢桁架屋盖在X、Y两个方向的长度均在95m左右,与4个筒体连为整体后,在温度作用下,桁架杆件将产生内力,所以计算时应考虑温度作用的影响。预估钢桁架合拢时温度约20℃,考虑南充市的气候条件,且屋面为保温屋面,计算时取温差±15℃。利用ETABS2013软件计算1榀桁架在升温、降温单工况作用下的轴力,见图11。

图11 局部桁架在升温、降温工况下轴力图/kN

由于筒体的约束,在两个筒体之间桁架在升温或降温单工况下产生的最大轴力约1900kN。根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[9],温度作用为可变荷载,其分项系数取1.4,组合系数取0.6。在设计桁架时,采用温度作用参与的荷载效应组合进行内力计算。

4.3 楼盖舒适度分析

楼面结构的自振特性与结构的舒适度有密切关系。在正常使用极限状态下楼板少量开裂不会引起楼板竖向刚度的明显下降,进行舒适度计算时可考虑楼板的刚度。应用ETABS2013软件对4层楼盖竖向振动自振特性进行分析,第一阶振型见图12。

图12 4层楼盖第一阶振型图

4层楼盖第一阶竖向自振频率大于3Hz,对4层楼盖竖向振动加速度进行分析,取频率为2Hz的单人步行激励荷载时程曲线,激励点取在楼盖第一阶竖向振动振幅最大点。楼盖结构阻尼比取0.02,步行荷载激励下的楼盖加速度时程曲线显示,楼盖结构竖向振动峰值加速度为0.022m/s2,小于规范限值0.196 m/s2,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)对楼盖舒适度的要求。

5 悬挑钢桁架设计

2层临时展厅区域下层为文化演艺中心主入口及下沉庭院式室外剧场,要求空间宽阔,视野通透。结构布置采用悬挑钢桁架体系,钢桁架出挑15m,由4榀支承于4号筒体的主悬挑钢桁架和2榀封边钢桁架组成。3号筒体东侧不允许设置钢桁架腹杆,因此布置钢框架柱来支撑边桁架。为控制构件截面尺寸,框架柱选用矩形钢管混凝土柱,管内浇筑掺入微膨胀剂的C40自密实混凝土。钢框架顺边桁架方向设置柱间支撑,该部分结构平面布置及钢桁架立面见图13。

图13 2层局部结构平面布置及钢桁架立面图

6 钢桁架整体提升施工

本工程屋盖钢桁架平面尺寸94.8m×99.6m,桁架总高度8.4～10.0m,由8榀主桁架+10榀次桁架及约700根H形钢次梁组成。钢桁架在-6.75m标高上整体拼装,利用计算机液压同步技术整体提升,在4个筒体顶部设置桁架提升支架,每个筒体设置8个提升点,提升高度约28m,提升总重约5500t。桁架提升到设计标高位置后,连接桁架上、下弦及桁架腹杆,待连体桁架结构形成受力体系后,再安装其他结构。尤其值得关注的是,采用该施工方案时,由于筒体顶部楼板先浇筑,桁架整体拼接完成后提升装置吊挂作用将释放,桁架开始形成整体,桁架上弦杆将产生较大的拉应力,并传递给筒体顶部楼板。设计上应针对施工方案进行验算,加强屋面楼板配筋,以防止楼板在双向拉应力作用下开裂。整体钢桁架提升照片见图14。