温江区文体中心博物馆结构设计

吴玉全

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司成都分公司, 四川成都 610000 )

1 工程概况

温江区文体中心博物馆及图书馆，位于四川省成都市温江区，含一层地下室，单体在地上独立，分为博物馆、图书馆、报告厅，地下室连为一体，总建筑面积约为49 714.78 m2，地下室层高为5.4 m,局部为人防地下室；博物馆地上建筑面积约为15 628 m2，结构总高度为23.80 m,采用框架结构体系，一层层高6.6 m,二层层高6.15 m,三层层高6.25 m，四层层高4.25 m,下部楼层的主要功能为展示，屋顶层局部布置设备，其余部分为空中花园;博物馆的典型柱网尺寸为9.5 m×10.5 m;典型柱截面尺寸为900 mm×900 mm,梁截面尺寸为450 mm×1000 mm，桁架弦杆截面尺寸为H900×450×38×50,其中，悬挑桁架的最大出挑长度约为15 m,其结构布置图如图1所示，博物馆的整体结构三维模型如图2所示。

图1 悬挑桁架剖面

图2 结构三维模型及悬挑桁架构成

2 设计参数

2.1 安全等级

根据JGJ 66-2015《博物馆建筑设计规范》第1.0.4条博物馆建筑可按建筑规模划分为特大型馆、大型馆、大中型馆、中型馆、小型馆等五类，且建筑规模分类应符合表1的规定。

表1 博物馆建筑规模分类 m2

据此判定，此工程建筑规模类别为大中型博物馆，根据JGJ 66-2015《博物馆建筑设计规范》第10.1.1条博物馆设计使用年限为100 a，主体结构的安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。

2.2 抗震设防

工程所在地的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，Tg=0.45s。结构阻尼比取0.05，钢结构部分结构阻尼比取0.02。多遇地震作用下水平地震影响系数对应抗震设防三水准中的小震不坏，即50 a设计基准期内超越概率为63.2 %，而博物馆设计使用年限为100 a，多遇地震作用下的地震影响系数宜适当放大，参考文献《不同设计使用年限下地震作用的确定方法》[1]给出的不同设计使用年限对应地震作用调整系数如表2所示。

表2 不同设计使用年限对应的地震作用调整系数

多遇地震作用下，50 a设计基准期对应水平地震影响系数最大值为0.08，则按100 a设计基准期时，水平地震影响系数最大值为0.08×1.43=0.1144。

根据GB 50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》，本子项建筑抗震设防类别为乙类，抗震等级为：框架二级，大跨度框架一级。

2.3 保护层厚度

混凝土结构最外层钢筋保护层厚度应满足GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》中关于设计使用年限为100a的混凝土结构的相关要求，厚度取值如表3所示。

表3 混凝土保护层的最小厚度

2.4 荷载取值

恒载按建筑面层做法计算取值，活荷载参考JGJ 66-2015《博物馆建筑设计规范》第10.1.1条，风荷载根据《建筑结构荷载规范》按100 a重现期的风压取值，Wo=0.35kN/m2；根据《建筑结构荷载规范》成都地区温度取值最高气温34 ℃，最低气温-1 ℃，钢结构合拢温度暂定为10～25 ℃，最终考虑升温25 ℃，降温25 ℃。

2.5 材料

本工程各部位结构构件所采用的混凝土强度等级如表4所示。

表4 混凝土材料参数

受力钢筋均采用HRB400热轧带肋钢筋，钢材采用Q345、Q345GJ等级的结构钢材，其质量标准应符合现行中国标准GB/T 700-2006《碳素结构钢》和GB/T 1590-2008《低合金高强度结构钢》的规定。当钢材板厚大于或等于40 mm，尚应遵循现行GB 50313《厚度方向性能钢板》的规定。所有结构钢材应为B级或更高。

3 结构计算与分析

3.1 弹性计算结果

整体计算取地下室顶板作为上部结构的嵌固端，计算软件主要采用了YJK，计算模型中定义了竖向、水平荷载工况及温度工况。其中竖向工况包括结构自重、附加恒荷载、活荷载以及竖向地震作用。水平荷载工况包括水平地震作用和风荷载，温度工况考虑上部钢结构升降温25 ℃。计算结果如表5所示。

从表5中可以看出，结构扭转为主的第一自振周期T3与平动为主的第一自振周期T1之比0.885，水平地震剪力系数大于1.6 %，水平地震工况下最大层间位移角小于1/550，风荷载作用下最大层间位移角小于1/550，各项指标均满足规范要求,结构布置较为合理。

表5 小震作用下结构计算结果汇总

3.2 楼板应力分析

博物馆二层楼板存局部开洞情况，楼板宽度满足规范对楼板宽度的限值要求，为了解其在地震工况下的工作性能，对其在小震及中震作用下的楼板应力进行分析，楼板刚度面内面外按实际情况考虑,考虑实际组合工况较多，仅列出基本组合下水平向地震作用下计算结果，分析结果如图3及图4所示。

图3 中震楼板等效应力云图

图4 小震楼板等效应力云图

通过小震及中震工况下的楼板应力分析可以得出，开洞部位楼板在地震作用下工作性能良好，楼板除部分应力集中点外，均未超过混凝土抗拉强度设计值，设计时通过对洞口周边楼板配筋加强，双层双向配筋，应力集中部位配筋适当加大，角部设置放射筋等技术措施，可满足使用功能要求。

3.3 悬挑部位分析

悬挑构件无多余冗余度，本工程悬挑桁架出挑长度大，宜考虑对其进行性能化分析，参照JGJ 99-2015《高层民用建筑钢结构技术规程》中3.8节及其条文说明的相关要求，悬挑桁架抗震性能目标定义为C级，即在多遇地震、设防烈度地震及预估的罕遇地震下性能水准分别为1、3、4，具体构件实现要求详见表6及表7。

在设防烈度地震作用下，关键竖向构件在正截面满足“中震不屈服”要求，“中震不屈服”分析时，相对于多遇地震作用下的弹性分析，分析参数经以下调整：

(1)地震影响系数最大值按设防烈度取值，调整为0.23。

(2)不考虑与抗震等级相关的调整系数，取消组合内力调整。

(3)荷载作用分项系数取1.0。

(4)材料强度取标准值。

(5)抗震承载力调整系数取1.0。

(6)考虑到填充墙体开裂影响，周期折减系数调整为1.0，阻尼比增加至6 %。

依据JG J99-2015《高层民用建筑钢结构技术规程》中第3.8节相关规定，中震不屈服时构件承载力验算公式如式1和式2所示：

(1)

(2)

表6 结构抗震性能目标

表7 结构构件类型

为了满足“大震不倒”的性能目标，对关键构件进行预估的罕遇地震下内力分析，分析方法仍采用等效弹性分析法。按照《建筑抗震设计规程》要求，特征周期调整为0.50 s，地震影响系数最大值为0.5，同时考虑到部分耗能构件的屈服，将阻尼比调整为7 %，其他分析参数调整如下：

(1)不考虑与抗震等级相关的调整系数，取消组合内力调整。

(2)荷载作用分项系数取1.0。

(3)材料强度取标准值。

(4)抗震承载力调整系数取1.0。

(5)考虑到填充墙体开裂影响，周期折减系数调整为1.0。

采用YJK软件进行中震及大震作用下的性能化分析，桁架的分析结果如表8及表9所示。

表8 桁架在中震、大震工况下应力比

中震及大震工况作用下，结构基底剪力如表9所示。

表9 中震、大震工况下基底剪力

可以看出中震及大震作用下，悬挑桁架的性能均可达到预定的性能化目标，且两种工况下应力比基本一致，可以得出，在7度抗震设防区，对于大悬挑桁架，构件性能主要受恒、活工况控制，地震作用不是其主要控制因素，这也侧面印证了规范的相关要求。

大震最大地震影响系数0.5，中震最大地震影响系数0.23，大震/中震=2.18，故分析结果考虑了地震工况参与计算，结果可信。其次，桁架分析中已经考虑桁架竖向地震作用工况，悬挑桁架在中震及大震作用下，应力比基本一致，说明7度区，竖向地震作用对桁架不起控制作用，恒载及活载起控制作用，和规范条文规定吻合 。

4 对策与结论

4.1 对策

针对结构分析中可能存在的抗震不利因素，在设计中可考虑如下应对措施：

(1)针对扭转不规则，计算考虑双向地震作用，适当加大周边框架截面尺寸，加强角部框架柱及框架梁配筋。

(2)针对局部楼板开大洞的情形，加厚连接薄弱部位楼板厚度，并对楼板的配筋加强，按双层双向配筋，并控制楼板的最小配筋率为0.25 %；在阴角处配置附加双层斜向钢筋，拟通过以上措施，增强楼板的承载力，同时可以增强楼面构件与竖向构件的协同工作性能。

(3)对于大跨度悬挑部位，考虑竖向地震作用，并满足性能化目标C的要求，控制弦杆的应力比不超过0.9，保证其在对应性能水准下依然能正常工作。

(4)尽量采用轻质墙体材料，以有效地减轻建筑物的自重，进而减小作用于结构上的地震作用。

4.2 结论

通过线弹性分析、构件的验算，各层面分析结果表明目前的各项性能指标均符合国家现行规范要求，该工程结构体系成立，是安全可行的，主要的分析结论如下：

(1)该结构整体位移指标为地震控制，小震作用下最大层间位移角为1/741，满足规范小于1/550的要求。

(2)结构第一阶和第二阶振动为平动，周期分别为1.046 s和0.962 s，第一阶扭转周期为0.926 s，其与第一阶平动周期比值为0.885，满足规范扭平比不大于0.9的要求。

(3)性能化分析表明，悬挑桁架在设防烈度地震作用下的正截面承载力满足对应性能化目标的要求。在预估的罕遇地震作用下，桁架正截面承载力满足对应性能化目标的要求。