华安县“五馆一中心”复杂结构设计

陈跃辉，蓝鹏飞

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司， 厦门 361006)

1 工程概况

华安县“五馆一中心”(图1)位于漳州市华安县，共由东、西两个单体组成，西侧单体为科技馆、博物馆和图书馆，东侧单体为档案馆、文化馆和全民健身活动中心，各馆之间通过2层连廊和平台连接。各馆设1层地下室，地下室为车库(局部六级人防)及设备用房。本工程总建筑面积3.1万m2，场地总体呈现北高南低，北侧道路在建筑2层楼面附近，高程为103.3m；南侧道路在地下室底板面，高程为94.3m，南北地势高差9m。各馆建筑层数：科技馆、博物馆为4层，层高分别为6.5，6.0，5.5，4.8m；图书馆为3层，层高分别为5.8，6.0，4.8m；档案馆、文化馆为4层，层高分别为6.5，6.0，4.8，4.8m；全民健身活动中心为2层，层高分别为5.8，10.8m；地下室层高均为5m。

图1 建筑鸟瞰图

建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，所在地区的抗震设防烈度为7度(0.10g)，设计地震分组第二组，场地类别Ⅱ类，特征周期Tg=0.40s。基本风压0.4kN/m2，地面粗糙度B类。

全民健身活动中心2层的篮球馆采用钢框架体系，斜柱采用钢结构焊接矩形钢管柱，其截面为600×800×40，钢材为Q345B；屋面梁采用焊接H型钢梁，梁截面为H1 000×400×20×35，钢材为Q345B。其余各馆采用钢筋混凝土结构，主要框架柱截面为600×600,混凝土强度等级为C40；主要框架梁截面为300×800，混凝土强度等级为C30。主要结构布置平面图见图2、图3。

图2 西侧单体2层结构布置平面图

图3 东侧单体2层结构布置平面图

2 结构设计存在的难题及解决方案

2.1 建筑高度的判定

根据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)[1]附录A，建筑高度以各楼附近的室外道路起算。各馆建筑高度：科技馆、博物馆为23.50m，图书馆为22.35m，档案馆、文化馆为22.75m，全民健身活动中心为22.15m，各馆的建筑高度均在24m以下。但由于场地南北高差达9m，以最不利点即南侧室外消防车道标高起算，北侧单体建筑高度则需增加地下室层高5m，科技馆、博物馆、档案馆、文化馆的建筑高度>24m，应定性为高层结构，场地高差与建筑的关系见图4。同时主楼基础埋深应取相应位置室外地面最低点并满足《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[2]第5.1.4条规定。

图4 西侧单体南北方向剖面图

2.2 嵌固端的选择和多塔判定

本工程地下室北侧为全埋式，南侧为敞开式，直接邻路。结构计算时需要判定嵌固端所在的位置和上部多栋高层是否属于多塔。

由于南侧地下室外露，没有土体约束作用，而土体约束作用是限制上部结构位移和承受上部结构水平力的必备条件，因此非全埋式地下室顶板不能作为嵌固端[3]，本工程嵌固端应下移至地下室底板。但考虑地下室周边土体约束作用和地下室钢筋混凝土墙柱刚度影响，地下室总侧向刚度一般情况下不会小于上部结构的3倍[4]。因此对非全埋地下室上部多栋高层，类似于地下室刚体上的多塔，高层之间互相影响很小，计算上可以按嵌固端在地下1层的单栋高层计算，不必按考虑相互影响的多塔整体计算[3]。

2.3 结构防震缝的设置

本工程通过2层连廊和平台将各馆联系起来，连廊和平台作为各馆之间的共享空间和疏散通道。原设计拟在北侧2层平台中部设置一道南北向防震缝(图5)，从而使结构形成东、西两个单体，避免形成4塔结构，否则结构抗震分析过于复杂。由于东、西两侧室外道路从从地下1层延伸到地上2层，设缝后东、西两个单体会出现一侧有土一侧没土的情况，需解决东西向土推力不平衡的问题。

图5 2层平面断缝示意图

为避免东、西侧土推力不平衡，设计取消在北侧2层平台中部设置防震缝，各馆通过2层连廊和平台形成整体结构，东、西两侧土推力互相抵消。由于1层北侧有混凝土墙，同时南侧增设了一部分混凝土墙，整体刚度较大(层间位移角1/2 500左右),结构计算仍可划分为东、西两个计算单体。但应补充南北方向的分塔计算，并进行包络设计，连接处楼板应进行楼板应力分析。1层柱墙按框架和框剪两种模型包络设计。

2.4 南北方向土推力不平衡

由于场地地势北高南低，北侧室外道路在建筑地面2层，南侧室外道路在地下室底板面标高，南北场地高差达9m，结构设计应考虑南北方向土推力不平衡的问题。

结构计算时将北侧土推力施加于主体结构，发现北侧柱、墙配筋超筋严重，应考虑北侧土体推力由支护结构承担。北侧高边坡采用永久性挡土墙，支护桩采用桩径为900mm灌注桩+预应力管锚索的形式。

博物馆里采用直译法的有“华侨是革命之母”（“Overseas Chinese is the mother of the revolution.”）“中国现代军官的摇篮”（“the cradle of China's modern military officer”）等。在这两句话中，直译体现了汉语修辞的美感，并且更好地传达原文意义，保留原文风格。另外，“抗日战争”被直译成“Anti-Japanese War”，但经过笔者查询，翻译成“the War of Resistance Against Japan”会更加恰当。

2.5 结构不规则

本工程建筑以梯田为造型意向，外立面以横向曲线线条为构成元素，层层退台。结构存在平面不规则、竖向不规则、斜柱、穿层柱等多项不规则。本项目于2017年1月20日通过福建省住建厅组织的抗震专项审查，根据专家组意见采取如下抗震措施：

(1)性能目标：全民健身活动中心的篮球馆周边结构钢柱按中震弹性设计。

(2)每根穿层柱所承受的剪力应至少取相应楼层框架部分承受剪力平均值的1.2倍，且尚应进行稳定性验算。

(3)斜柱根部水平拉力应由相应连接的框架梁承担。

3 结构分析的主要结果汇总及比较

3.1 多遇地震作用下的计算

多遇地震作用下的计算结果(以东侧单体为例)见表1。由表1可见，PMSAP和YJK两种软件的计算结果基本吻合，各项指标基本满足规范要求。

东侧单体小震计算结果 表1

3.2 弹性时程分析

采用七条地震波(两条人工波RH2TG04，RH4TG04；五条天然波USER1～USER5)进行弹性时程分析，作为多遇地震下的补充计算，以东侧单体为例，计算结果见图6。结果显示：每条时程曲线计算所得的结构底部剪力大于振型分解反应谱法的结果的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力大于振型分解反应谱法的结果的80%[5]，振型分解反应谱法底部剪力及楼层剪力计算结果大于多条时程曲线计算结果的平均值。

图6 楼层剪力包络图

4 关键构件的设计

4.1 斜柱根部水平拉力计算

根据超限专审意见，斜柱根部水平拉力应由相应连接的框架梁承担。以科技馆、博物馆框架柱底内力最大的斜柱为例进行计算，此斜柱柱底轴力NK=4 713kN、水平方向拉力Nx=2 636kN, 与此斜柱相梁的框架梁按偏心受拉构件复核需要的受拉钢筋，受拉钢筋面积为3 110mm2。即此斜柱根部的框架梁截面上下侧每侧应至少配置622钢筋以承担此斜柱水平拉力。结构计算时，与斜柱连接的框架梁相邻楼板按弹性板考虑，梁按拉弯构件进行设计[6]。斜柱拉力示意见图7。

图7 斜柱拉力示意图

4.2 2层连廊楼板应力计算

图8 连廊楼板楼板应力分析云图/(N/mm2)

5 篮球馆钢结构设计

全民健身活动中心的篮球馆屋面为大跨度钢结构，东西方向跨度32m，南北方向跨度40m，四周为单跨内斜柱，柱高10.8m。结构跨度大，节点受力复杂，设计应对该部分的受力认真分析，确保结构的安全性。

5.1 结构体系

篮球馆采用大跨度钢结构，梁柱刚接以形成钢框架整体结构。在竖向相邻斜柱顶端设置刚接拉梁，减小其计算长度，同时提高框架抗侧刚度[7]，以加强结构整体性，形成双向刚接钢框架结构体系。结构布置见图9。

图9 篮球馆BIM模型透视图

5.2 斜柱设计

斜柱层高10.8m，斜柱大部分为穿层柱，同时作为屋面大跨梁支承钢柱，考虑斜柱的重要性，作为篮球馆整体结构的关键承重构件，斜柱抗震等级按提高一级考虑，为三级，并按照中震弹性进行性能化设计。斜柱稳定验算采用屈曲分析方法确定斜柱计算长度。屈曲分析方法采用的是整体模型法，从而得到计算杆件的临界承载力。然后通过欧拉公式来反算杆件的计算长度，再将计算长度指定给计算模型中的对应杆件，从而完成杆件的稳定分析[8]。

5.3 大跨屋面梁设计

大跨屋面梁采用焊接H型钢梁，考虑屋面大跨结构重要性，屋面钢梁挠度按照L/400控制(其中L为屋面梁跨度)，同时考虑屋面为压型钢板屋面，水平结构刚度较弱，在结构上增设水平支撑，以加强屋盖刚度，从而提高结构整体稳定性。钢梁应补充舒适度计算。

5.4 结构屈曲稳定分析

由于篮球馆屋面为大跨屋面，外围框架跃层斜柱为主体结构重要的承重构件，为确保斜柱屈曲稳定性满足结构受力要求，对整体结构模型进行屈曲稳定分析。经YJK软件屈曲分析计算，结构前10阶线性屈曲模态的临界荷载系数见表2。

屈曲模态临界荷载系数 表2

经分析各阶结构屈曲模态，得出：1)斜柱等主要构件屈曲均滞后于结构整体屈曲；2)整体结构的线性屈曲临界荷载系数均大于10，第1阶临界荷载系数为46.121，整体结构具有较好的稳定性。

5.5 连接节点

上部钢结构焊接矩形钢管柱与下部混凝土结构采用劲性钢骨混凝土柱过渡，使下部混凝土结构层过渡到上部纯钢结构，并提高下部混凝土柱的受拉承载力及延性。节点做法见图10。

图10 钢管柱与劲性混凝土柱过渡节点做法

5.6 典型钢结构连接节点有限元分析

本工程中篮球馆屋顶节点为大跨钢结构焊接H型钢梁与斜钢管框架柱连接节点，节点中存在多角度钢梁与钢管斜柱汇交，连接节点受力性能复杂且对整体结构稳定性和刚度影响至关重要[9]。为保证钢结构连接节点设计的安全可靠性，本文选取典型节点(图11)，采用有限元软件ABAQUS建立该节点的有限元模型并进行数值分析。分析时钢材本构采用韩林海建议的5段式模型[10]。

图11 钢构节点模型示意图

分析模型梁长取为钢梁截面高度的3倍，斜钢柱长度从节点区往下取1m，钢柱底部为固定约束。按照三种工况荷载作用进行加载分析对比：工况一，取主体结构小震计算模型(YJK)相应杆件包络设计内力施加在钢梁上；工况二，取杆件在大震作用下的内力值(经对比约为工况一内力值的1.5倍)施加在钢梁上；工况三，按考虑极限破坏荷载施加(约为工况一内力值的2倍)。有限元分析计算结果如下：

(1)连接节点域的柱身应力分布见图12。最大应力出现在柱底固定支座的受压区，工况一至工况三作用下柱身最大应力分别为113.1,169.9，227.5MPa。连接构件的强度均处于弹性阶段，节点区的应力更小，强度储备大于柱子，符合“强节点、弱构件”的结构设计要求。

图12 柱身应力示意图/MPa

(2)梁柱连接处节点应力云图见图13，在工况一作用下，节点的应力均处于弹性阶段，最大应力一般出现在主梁下翼缘处，节点连接满足受力要求；在工况二作用下，主梁的下翼缘局部出现屈服进入塑性；在工况三作用下，主梁下翼缘的塑性屈服区范围继续增大。综上所述，在设计时应对钢梁下翼缘梁柱连接端部进行构造加强处理，以保证梁柱连接节点受力安全可靠。

图13 梁柱连接处节点应力云图/MPa

6 结论

(1)山地建筑的建筑高度的判定在结构设计上应按最不利点起算，基础埋深应取相应位置室外地面最低点。

(2)部分露出地面的非全埋地下室顶板不能作为结构计算的嵌固端，需下移至四周有土体约束的地下室楼板位置才能作为上部结构的嵌固部位。

(3)非全埋地下室上部有多栋塔楼时，考虑地下室整体刚度相对上部高层的刚度大得多，多塔之间相互影响较小，可不必按多塔整体计算。

(4)地势高差造成的土推力由边坡支护结构承担，建筑主体结构不宜承担过大的土侧推力。

(5)对超限结构的关键构件，应进行结构性能化设计，确保关键构件安全可靠。

(6)对复杂钢构连接节点应采用有限元分析，确保实现“强节点、弱构件”的设计要求。