路县故城遗址保护展示工程——“三断”结构设计研究

孙 珂, 江 洋, 杨 勇, 耿海霞, 刘廷锴, 贺 阳, 季林涛

(1 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045；2 北京城市副中心投资建设集团有限公司，北京 101100)

1 工程概况

路县故城遗址保护展示工程位于北京市通州区路县故城考古遗址公园保护范围内。经各方论证后,遗址及考古现场在建筑范围内整体保留,作为原址展示区域,该项目设计及施工均需考虑对遗址区域的保护。项目总建筑面积约20 000m2,其中地上建筑面积8 500m2,地下建筑面积约12 000m2。建筑高度12m,包含博物馆和运营管理用房两部分。博物馆地上2层(首层层高9m,2层层高6.5m)、地下1层(层高5.5m),运营管理用房地下2层,建筑效果图见图1。

本项目建筑方案以“小而精、小而美、小而巧”为基本设计原则,为达到与公园场地融为一体的效果,将大部分功能置于覆土之下,仅最小体量的地上2层(一字展廊)置于覆土以上。同时遗址区域采取的保护措施为原址保护,屋顶保留覆土屋面的形式,形成室内的遗址展厅,覆土屋面跨度最大约为32m,如图2所示。

2 结构选型及设计重难点

博物馆与运营用房通过设置变形缝脱开。主楼建筑结构安全等级为一级,结构设计基准期为50年,结构重要性系数为1.1,抗震设防类别为重点设防类,抗震设防烈度为8度,设计基本加速度值为0.20g,设计地震分组为第二组。建筑场地类别为Ⅲ类,特征周期Tg为0.55s[1],结构阻尼比0.04。

根据地勘报告[2],项目场区现状地面下20m深度范围内土层会发生地震液化,液化指数为0.24～5.86,综合判定其液化等级为轻微。本项目为重点设防类项目(乙类),根据《建筑结构抗震规范》(GB 50011—2010)[1](简称抗规)要求,需采取措施部分消除液化沉陷或对基础及上部结构进行加强。

2.1 结构选型

博物馆结构最大长度约120m,本身未设置永久性变形缝。博物馆地下室部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,现浇主次梁楼板体系。考虑装配式要求,地上结构以钢框架为主,采用Q355C/B钢;钢材厚度不小于40mm时,采用Q345GJ钢,考虑钢材的Z向性能[3]。

由于博物馆首层置于覆土之下,首层整体采用钢框架结构,外围挡土墙处采用现浇混凝土,楼盖大部分采用钢筋桁架楼承板,“历史之眼”等特殊造型处采用现浇混凝土单层拱壳。首层大部分为大跨度(最大跨度约32m)及长悬挑(最大悬挑约12m)结构,上部为行人空间,需要同时满足承载力和舒适度要求。首层通廊钢梁典型截面为H(1 500～800)×500×28×35;遗址展厅屋面采用箱形钢梁,截面为□(1 500～1 150)×500×28×65;其余展厅屋面为钢桁架,典型钢桁架高度1 800mm。博物馆结构形式如图3～6所示。

图3 结构剖面示意图

图4 首层结构模型

图5 首层结构平面图

如图6所示,为了满足建筑通透效果,2层结构北侧大部分区域不设置竖向构件,仅南侧设置框架柱。2层梁悬挑最大长度约17m,典型钢梁截面为H(1 500～800)×500×28×35,典型钢管混凝土柱[4]截面为箱形,截面为□1 000×1 400×40×40。

图6 2层结构模型

根据地勘报告[2],拟建场区历史最高水位相对标高为-4.2m,基底相对标高为-11.1m,抗浮水位对地下室将产生较大浮力。基础采用桩基础,桩基抗拔兼作抗压。

2.2 结构设计重难点

2.2.1 “三断”式结构

遗址区域按文物保护要求需原址保护,无法设置底板,因此形成本项目的“第一断”——基础不连续,如图7所示。

图7 “第一断”区域

如图3所示,首层顶通廊区域因长扶梯及建筑效果,水平构件无法拉通,形成本项目的“第二断”——水平构件不连续,出现跃层悬挑柱。首层顶通廊悬挑最大约12m,基本结构单元如图8所示。为了保证北侧通透,首层柱无法伸至2层,形成本项目的“第三断”——单侧长悬挑。南侧悬挑构件无平衡段,仅靠南侧悬挑柱平衡,基本受力单元如图9所示。

图8 首层“第二断”区域示意

图9 2层“第三断”区域示意

综上,因建筑效果及遗址原址保护的原因,结构主体整体性较差,刚度偏弱,需从基础至主体结构进行分析及加强。

2.2.2 大跨度覆土屋面及其稳定性

因2层仅南侧设置柱,结构冗余度较低,且存在部分跃层悬臂柱,需考虑结构的二阶效应,该类结构自身稳定性分析是重中之重。

首层“历史之眼”处,由于造型及净高要求,采用现浇单层混凝土拱壳,跨度约26m,如图10所示。屋面上覆种植土,需确保构件具有可靠的稳定性。

图10 “历史之眼”现浇单层混凝土拱壳

首层大跨度屋面均为覆土种植屋面,荷载大,为提高经济性及安全性,采用结构找坡控制屋面覆土厚度约700mm,如图11所示。保证种植屋面需求的同时相较平屋顶减少钢材用量约150t。

图11 首层屋面找坡

3 整体计算分析及解决措施

博物馆高度为12m,虽不属于超限高层项目,但是结构存在较多不规则项,针对本项目“三断式”结构特点,对结构进行整体抗震、性能化设计分析,对结构基础、结构稳定性及楼盖舒适度进行分析。

3.1 整体抗震性能分析

采用基于不同力学模型的分析软件SATWE、MIDAS Gen进行对比校正,如图12所示。经过多轮论证,首层已置于覆土以下,整体结构按地下2层、地上1层分析,2层与首层刚度差别大,首层顶为嵌固端,考虑首层顶板楼板开洞情况,构件承载力计算包络嵌固在地下1层顶板情况,主要整体计算结果对比如表1所示。由表可得,两个软件的分析结果接近,均满足规范相关要求。

表1 结构指标两种软件分析结果对比

图12 整体分析模型

根据抗规5.1.2条,选取1组人工波(RH3TG055)和2组天然波(天然波1:BIGBEAR-01_NO_932和天然波2:CHI-CHI, TAIWAN-02 _NO_2203)进行补充多遇地震时程分析,时程分析波见图13。时程分析与反应谱分析底部剪力比值如表2所示,取其包络值进行设计。

表2 时程分析与反应谱分析底部剪力比值

图13 时程分析波

3.2 构件性能化设计

考虑到结构单侧长悬挑的冗余度低,并为了提高结构抗震承载力、变形能力[5-6],对2层关键构件及与其相连构件进行中震和大震性能目标设计,见表3。经分析,按抗规要求在均考虑竖向地震作用的情况下,关键构件满足性能目标需求。采用的相关加强措施有:首层顶板按嵌固端加强水平楼板配筋并增大楼板厚度;加强与跃层悬挑柱相连的地下1层顶梁板构造钢筋。

表3 关键构件性能目标

3.3 基础方面

基础设置需考虑下列因素的综合影响:地基轻微液化,竖向荷载集中,文保要求不得使用挤密式地基处理方式等,且原址处基础不连续,整体刚度差,故采用桩基础。桩基伸入液化土层深度以下,且考虑桩周土层液化时引起桩侧负摩阻力的影响。桩基抗拔兼作抗压,控制基础沉降差的同时消除地基轻微液化影响。

3.4 结构稳定性及楼盖舒适度

采用MIDAS Gen进行稳定性分析,保证关键构件及关键区域安全性,见第4.1、4.2节。采用MIDAS Gen进行首层顶楼盖舒适度分析,确保满足正常使用的舒适度,见第4.3、4.4节。

4 重难点分析

4.1 跃层悬挑柱稳定分析

表4 跃层悬挑柱相关参数

图14 跃层单侧柱第一阶屈曲模态

由表4可得:1)跃层悬挑柱弱轴的计算长度系数2.365与悬挑构件的长度系数2接近;2)最不利跃层悬挑柱长细比为70,小于钢管混凝土柱的限值80,满足规范要求;3)单排柱屈曲临界荷载系数为203.6,远大于1.0,可认为该柱不会发生失稳破坏。

4.2 现浇单层混凝土拱壳稳定分析

“历史之眼”的现浇单层混凝土拱壳的稳定性及配筋通过SATWE和MIDAS Gen来进行对比分析。SATWE整体模型通过弹性板6模拟壳体,分析其受力及抗震性能,采用MIDAS Gen的板单元来进行复核及稳定性分析。“历史之眼”结构模型见图15。

图15 “历史之眼”结构模型

如图10所示,壳体厚度从中间最薄处400mm过渡到根部最厚处1 200mm。上部覆土厚度控制在300～700mm,最厚处覆土位于壳体根部。图16为壳体一阶弹性内力云图,由图可得:壳体空间刚度大,受力以受压为主,仅根部弯矩较大,该壳体可充分利用混凝土抗压强度。

图16 壳体一阶弹性内力云图

对“历史之眼”的稳定性及二阶性能进行分析[8]。图17为壳体二阶屈曲模态及内力重分配图。由图可得,拱形壳体的整体屈曲为第5模态,屈曲临界荷载系数λ=56.1,表现为曲面板凹凸变形。较高的屈曲临界荷载系数表明“历史之眼”具有良好的整体刚度和稳定性能。考虑二阶效应的壳体弯矩幅值变化不大,可依此来校正壳体根部配筋。

图17 二阶屈曲模态及内力重分配图

图18为“历史之眼”考虑二阶效应的应力及变形云图。由图16～18可得,壳体受力变形主要以受压为主。同时经计算,使用MIDAS Gen与SATWE软件计算的壳体在恒载下最大竖向挠度相差不超过3%,计算结果可靠且满足规范要求。

图18 “历史之眼”应力及变形云图

综上,该单层壳体结构受力以受压为主,存在一定程度的二阶效应,二阶效应主要影响壳体根部的弯矩分布。“历史之眼”可利用整体SATWE模型及MIDAS Gen有限元模型,按压弯和拉弯受力状态进行板配筋设计。

4.3 结构挠度控制

因篇幅原因,仅对2层钢结构挠度进行介绍。图19为2层钢结构考虑性能目标包络下的应力此结果,图20为在1.0恒载+1.0活载下,2层钢结构的挠度结果。由图19、20可见,构件应力比均在0.8以下,需重点关注钢结构楼盖的变形:2层二次悬挑处为最不利点,挠度约为338.5mm。本项目最不利点按300mm起拱,标准组合下变形减去起拱值后,挠度为38.5mm,小于限值L/400=100mm;1.0活载下挠度为53mm,小于限值L/500=80mm,可满足《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)要求。

图19 2层钢结构应力比云图

图20 1.0恒载+1.0活载下挠度云图/mm

4.4 首层楼盖舒适度分析

本项目首层顶存在较多长悬挑、大跨区域,首层楼盖一阶频率示意图如图21所示,首层顶悬挑端竖向振动频率小于规范[9-10]建议值3Hz。根据《建筑楼盖振动舒适度技术标准》(JGJ/T 441—2019)[9],楼盖舒适度采用控制竖向加速度的方法,加速度限值为0.15m/s2。

图21 首层楼盖一阶频率示意图

图22 悬挑不利振动点处竖向加速度

5 结论

本工程结构设计重点解决“三断”式结构的抗震性能及稳定性。针对该类结构有以下建议:

(1)对于单侧受力构件,冗余度低,接近静定结构。通过对构件进行性能化设计来确保安全性;针对本项目特点,构件性能目标设定为设防地震下抗弯抗剪弹性、罕遇地震下抗弯抗剪不屈服,且均需考虑竖向地震作用。

(2)单侧悬挑且水平构件不连续时,要重点关注其稳定分析及构造要求,建议通过有限元软件进行稳定屈曲分析。

(3)当建筑主体建设范围内存在原址保护,同时存在液化土层或软土震陷的情况时,采用桩基础可兼顾沉降控制和液化处理。

(4)大跨、大悬挑结构刚度较弱,需采用有限元模型验算结构楼盖的舒适度。