甘肃简牍博物馆结构选型与设计

刘 锋, 董凯利, 贾俊明, 吴翔艳, 龙 婷, 刘 涛

(中国建筑西北设计研究院有限公司，西安 710018)

1 工程概况

甘肃简牍博物馆位于甘肃省兰州市,建筑面积37 988m2,建筑高度23.65m(室外地面算至坡屋面屋脊与屋檐中点处),地下一层,主要功能为人防兼停车库;地上四层,主要功能为展示陈列及办公,建筑鸟瞰图见图1。

图1 建筑鸟瞰图

结构设计使用年限为100年,地震作用的调整系数为1.35[1]。建筑结构安全等级为一级(γ0=1.1)[2];钢筋保护层厚度加厚;抗震设防类别为乙类,抗震设防烈度为8度,设计地震分组为第三组,场地类别为Ⅱ类,设计基本地震加速度为0.20g,场地特征周期为0.45s。风压w0=0.35kN/m2(重现期100年),地面粗糙度类别为B类。

二层建筑平面布置图、结构平面布置图见图2、3,建筑剖面图、隔震沟示意见图4、5。

图2 二层建筑平面布置图

图3 二层结构平面布置图

图4 建筑剖面图

图5 隔震沟示意

本工程位于高烈度区,结构设计使用年限为100年,地震作用大;建筑物布局呈高低错落状布置,为了便于建筑功能布局、使用及后期维护,不设置防震缝,刚度及质量分布不均匀,扭转问题突出;局部大开洞,存在较多联系薄弱部位,局部存在大跨、大悬挑,主体与交通核之间为大跨连廊,采用钢桁架连体连接,基于以上抗震不利因素,对比层间隔震+钢筋混凝土框架与屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架两种结构方案。

2 层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案

地下室顶板(-2.100m标高)至±0.000m楼面间设置隔震层,兼做管道夹层用。±0.000m楼面梁板结构体系采用宽扁梁+大板,柱网为8.4m×8.1m,梁截面尺寸为800mm×500mm,板厚为250mm,管道夹层净高为1.6m,为后期橡胶隔震支座维护、管道安装、检修创造了有利条件[3]。

2.1 隔震结构设计性能目标

隔震层以上结构抗震性能目标:1)上部结构按本地区抗震设防烈度降低一度(7度,0.10g)进行设计,与抵抗竖向地震作用有关的抗震措施按照8度(0.2g)设计;2)大震时结构层间位移角小于1/100。

隔震层以下结构抗震性能目标:1)橡胶隔震支座在本地区罕遇地震作用时,不破坏;2)橡胶隔震支座支墩在罕遇地震作用时仍处于弹性阶段。

2.2 隔震层以上结构布置

为弱化桁架对建筑立面效果的影响,设置了双层桁架,上侧设置斜腹杆,下侧不设置斜腹杆,为空腹式桁架,从而形成了一种新型的复合式桁架。为控制桁架中间弦杆失稳,设置了面内支撑,下弦杆稳定性由楼板保证。桁架腹杆均布置成使腹杆处于受拉模式,以避免桁架腹杆受压失稳;吊柱均处于受拉应力状态,悬挑桁架立面示意见图6。桁架端头与角部交通核通过防震缝脱开,缝宽600mm。

图6 悬挑桁架立面示意

2.3 橡胶隔震支座布置原则

橡胶隔震支座布置原则:1)刚度较大的铅芯橡胶隔震支座(LRB)沿外框架周边布置,其余部位尽量布置刚度较小的天然橡胶隔震支座(LNR)或无水平刚度的弹性滑板支座;2)根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[4](简称《抗规》)第12.2.3条,同一隔震层内各个橡胶隔震支座的竖向压力宜均匀,在竖向荷载代表值作用下(考虑竖向地震)的平均压应力不超过乙类建筑的限值12MPa;3)在罕遇地震作用下,橡胶隔震支座不宜出现拉应力时,其拉应力不超过1MPa;4)在罕遇地震作用下,橡胶隔震支座的极限水平位移应小于其有效直径的0.55倍和各层橡胶层总厚度的3倍二者的较小值;5)隔震层刚度中心宜与质量中心重合,偏心率不应大于3%。

本工程采用一柱一支座布置方式,选用了天然橡胶隔震支座和铅芯橡胶隔震支座两种类型支座,根据以上原则,使用LNR800(84个)、LRB900(58个)、LNR1000(10个)共152个橡胶隔震支座,布置示意见图7。

图7 橡胶隔震支座布置示意图

通过轴网定位的方式标注橡胶隔震支座,橡胶隔震支座位置及长期面压(重力荷载代表值)作用下的竖向压应力见表1。由表1可知,橡胶隔震支座在重力荷载代表值作用下的压应力均小于12MPa,满足《抗规》第12.2.3条的要求。

表1 橡胶隔震支座长期面压(重力荷载代表值)作用下的竖向压应力/MPa

依据《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408—2021)第4.6.2条,隔震层刚度中心宜与质量中心重合,偏心率应不大于3%,经计算,均满足规范要求。

2.4 隔震分析计算结果

隔震结构与非隔震结构的前三阶振型振动特性及周期对比见表2。由表2可以看出,隔震后结构周期明显延长。《叠层橡胶支座隔震技术规程》(CECS 126∶2001)[5]第4.1.3条规定:隔震房屋在两个方向的如果差别过大,将导致两个方向隔震效果也差别较大,所以有必要限定两者相差不宜超过较小值的30%。采用隔震技术后,两个方向隔震后与隔震前周期比基本一致,表明橡胶隔震支座布置合理,刚度分布均匀,未改变结构整体的振动特性。如果周期比改变较大,说明橡胶隔震支座的刚度分布与上部结构不一致,此时可在建筑物周圈设置阻尼器或在建筑物中部设置弹性滑板支座以调整隔震层与上部结构刚度分布,使其基本一致,避免支座扭转导致的位移过大。

表2 隔震与非隔震结构前三阶周期/s

2.5 水平向减震系数

根据《抗规》第12.2.5条规定,对于多层建筑,结构水平向减震系数β取隔震与非隔震各层层剪力最大比值。计算选取了7条地震波,地震波的频谱特性、有效峰值和持续时间均符合《抗规》规定,在设防地震(中震)作用下,各时程波隔震与非隔震各层层剪力最大比值及其平均值见表3。隔震与非隔震层剪力最大比值的平均值最大为0.30(一层)。

表3 各时程波隔震与非隔震各层层剪力最大比值及其平均值

依据《叠层橡胶支座隔震技术规程》(CECS 126∶2001)第4.1.7条,并考虑到剪重比以及水平向减震系数β大于0.3时隔震层以上结构竖向地震作用可能起控制作用等因素,取β=0.4。根据《抗规》第12.2.5条,水平地震作用可以降低一度进行设计,确定隔震后水平地震影响系数最大值αmax1=βαmax/ψ=0.4×0.16/0.8=0.08,式中αmax为非隔震结构的水平地震影响系数最大值,ψ为调整系数。

2.6 罕遇地震橡胶隔震支座剪力和位移

《叠层橡胶支座隔震技术规程》(CECS 126∶2001)第4.3.5条规定,各橡胶隔震支座在罕遇地震作用下的最大水平位移不应大于55%支座直径和3倍支座厚度的较小值,本工程罕遇地震作用下橡胶隔震支座位移为340mm,小于405mm(直径800mm橡胶隔震支座的最大允许变形为405mm)。支座选取满足结构在罕遇地震作用下的水平变形要求。

2.7 罕遇地震橡胶隔震支座短期面压验算

《抗规》第12.2.4条规定:隔震橡胶支座在水平和竖向罕遇地震同时作用下,拉应力不应大于1.00MPa。

本工程罕遇地震橡胶隔震支座最大、最小轴力标准值分别选取以下两种组合工况下的较大和较小值:工况1为0.9恒载-1.0水平地震-0.5竖向地震,工况2为0.9恒载-0.5水平地震-1.0竖向地震,其中,竖向地震作用按《抗规》第12.2.1条要求,取重力荷载代表值的20%。得到罕遇地震作用下橡胶隔震支座的极小面压分析结果,见图8。由图8可知,橡胶隔震支座在罕遇地震作用下均受压,满足《抗规》第12.2.4条相关要求。

图8 不同工况下短期极小面压

2.8 抗风验算

《抗规》第12.1.3条规定,隔震结构风荷载和其他非地震作用的水平荷载标准值产生的总水平力不宜超过结构总重力的10%。

风荷载作用下隔震层的水平剪力标准值Vwk=1 819kN,结构总重力的10%即0.1×48 855×9.81=47 926kN,另外,本工程抗风装置的水平承载力设计值VRw=203.5×58=11 803kN,屈重比为2.46%。

1.4Vwk=2 546.6kN

图9 隔震层抗风验算结果

2.9 大震弹塑性时程分析

《抗规》第5.5.2条规定,隔震设计的结构应进行罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形验算。

对按照上述要求设计的上部结构进行大震弹塑性分析,其中梁、柱采用集中塑性铰模型,普通橡胶支座假定为弹性,铅芯橡胶支座选用无刚度退化的标准二折线恢复力模型[6],得到结构弹塑性层间位移角分布,如图10所示。由图10可以看出,罕遇地震作用下结构弹塑性层间位移角最大值X向为1/220,Y向为1/181,远小于限值1/100,满足规范及预设性能目标要求。

图10 弹塑性层间位移角

2.10 下部结构及基础设计

《抗规》第12.2.9条规定:隔震层的支墩、支柱及相连构件,应采用隔震结构罕遇地震作用下橡胶隔震支座底部的竖向力、水平力和力矩进行承载力验算;隔震层以下的结构(地下室、基础等)中直接支承隔震层以上结构的相关构件,应满足嵌固的刚度比和隔震后设防地震的抗震承载力要求,并按罕遇地震进行抗剪承载力验算。

橡胶隔震支座底部传递的内力包括:重力荷载和地震作用产生的轴力最大值N;橡胶隔震支座产生的剪力V(橡胶隔震支座最大位移乘以橡胶隔震支座刚度);轴力N在橡胶隔震支座最大位移下产生的偏心弯矩以及剪力V产生的弯矩之和。相对于橡胶隔震支座而言,上下结构的刚度较大,可将支座看作两端固定的柱,橡胶隔震支座上下表面由轴力N和剪力V引起的弯矩M1可以采用下式计算:M1=(N×Δ+V×H)/2,根据下柱墩顶部荷载计算得到下柱墩根部附加弯矩M2=[N×Δ/2+V×(H/2+H1)],其中Δ为支座位移,H为橡胶隔震支座高度,H1为下支墩高度。设计内力计算时,应取各种荷载组合下的最不利工况组合进行计算。

与防屈曲约束支撑相连框架柱罕遇地震作用下的轴力、附加弯矩均较大,另外,地基基础的抗震验算和地基处理按8度(0.20g)抗震设防烈度进行。

3 屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案

与层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案相比,可以取消隔震层(管道夹层),一层地面采用1 200mm厚回填土,砌筑管沟供设备管道、管线铺设;建筑功能布局决定了结构布置呈高低错落状,存在局部一层、局部二层、局部三层及局部夹层,局部大开洞等情况,从而使主体结构的刚心与质心的偏心率、扭转位移比均较大,为克服这一天然不利因素,设置屈曲约束支撑提高结构的抗侧刚度和承载力,通过计算,结构各项指标满足《抗规》要求;另外交通核与主体结构可以通过钢桁架进行刚性连接,便于建筑立面和平面处理,提高了建筑使用性能,结构计算模型见图11。

3.1 结构不规则情况及加强措施

采用屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案时,结构存在以下不规则项:1)坡屋面角部框架柱在X+偶然偏心地震作用下最大位移与层平均位移的比值为1.29;2)四层中庭大开洞,楼板有效宽度为26.5%,小于50%;二～四层均存在错层;3)交通核与主体结构之间连体采用了大跨度桁架,不设置防震缝,属于连体类;4)多处存在穿层柱及构件错层。

根据以上分析结果,结构不规则项较多,为保证其良好的抗震性能,采取了一系列构造加强措施:

(1)中庭大开洞周圈框架梁加宽至500mm,板厚加厚至220mm,并进行温度应力、混凝土收缩徐变、地震作用工况下的楼板应力分析,保证楼板刚度的同时避免薄弱部位的楼板发生破坏。

(2)连体两侧一跨范围内框架柱采用型钢混凝土柱,框架梁采用型钢混凝土梁,连体部位采用钢结构,进行性能化设计,以保证中震正截面弹性,罕遇地震时正截面、斜截面不屈服;连体部位钢结构桁架延伸进主体内一跨,立面示意见图12。

图12 连体处钢桁架立面布置示意

钢结构部分楼板采用钢筋桁架楼承板,无需高架支模。上弦杆处楼板加厚至200mm,并复核楼板在竖向荷载作用下的拉应力,计算中考虑竖向地震的影响,对其进行性能化设计,要求在竖向荷载作用下楼板拉应力不大于混凝土抗拉强度标准值。

(3)错层处、与屈曲约束支撑相连处框架柱均采用型钢混凝土柱,进行性能化设计,保证中震正截面弹性,罕遇地震时正截面、斜截面不屈服。

3.2 偏心设置的屈曲约束支撑

为不影响建筑使用功能,门洞处设置偏心布置的屈曲约束支撑,耗能梁段采用型钢混凝土梁,并设置加劲肋。性能目标为型钢混凝土梁不先于屈曲约束支撑发生破坏[6]。

3.3 屈曲约束支撑与型钢混凝土柱、钢筋混凝土梁的连接

采用一种新型的屈曲约束支撑连接节点,不仅可以保证大吨位屈曲约束支撑与型钢混凝土柱、钢筋混凝土梁连接节点的承载力[7],方便钢筋混凝土梁钢筋在节点处的锚固,而且将主体结构施工工序与屈曲约束支撑安装工序分开,不影响施工进度。屈曲约束支撑通过缀板、预埋板与型钢混凝土柱内型钢连接,缀板空隙可以方便型钢混凝土柱箍筋穿过及混凝土浇筑。屈曲约束支撑与梁连接时,钢筋混凝土梁内设置型钢牛腿,在梁端部,型钢牛腿腹板亦按照缀板设置,方便梁箍筋穿过及混凝土浇筑。钢筋混凝土梁底筋与型钢牛腿下翼缘板搭接连接,并伸至型钢混凝土柱内型钢翼缘;顶筋第二排钢筋亦按照搭接考虑,面筋第一排钢筋与钢筋混凝土梁内型钢牛腿进行焊接连接,连接示意见图13。

图13 屈曲约束支撑与型钢混凝土柱、混凝土梁连接构造

4 结构方案比选

经过结构计算分析,层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案、屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案均满足规范、标准、规程设计要求。从冗余度,建筑外立面处理难易程度,功能布局的适用性,施工周期,后期维护、检修及更换的便利性,经济性等方面进行对比。

4.1 冗余度

层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案可将地震作用降低一度,大幅度提高结构抗震性能;钢筋混凝土框架+屈曲约束支撑结构方案通过加大框架柱截面、增加屈曲约束支撑数量、设置部分型钢混凝土柱,亦可大幅度提高结构的抗震性能。屈曲约束支撑按照小震弹性,中震、大震塑性变形耗能的性能目标进行设计,并进行大震弹塑性分析,针对薄弱部位进行加强以满足大震作用下的抗震性能[8]。

层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案中,交通核高宽比大,柱在地震作用下承受拉力,常规橡胶隔震支座不能满足抗拉要求,须采用抗拉橡胶隔震支座专利产品。故结构方案选型时,考虑到交通核仅为造型设置的楼梯间核心筒,不采用隔震设计,采用钢筋混凝土剪力墙结构体系。交通核与主体结构进行脱开,主楼可通过三榀钢桁架进行悬挑、悬挂等方式实现连体,最大悬挑跨度达11.95m。舒适性及安全性虽满足相关规范要求,但属于静定结构,冗余度低。而屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案可通过两榀钢桁架实现两塔之间的刚性连接,属于超静定结构,冗余度较高。

层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案及屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案在抗震方面不相上下,在竖向荷载(结构自重、建筑面层自重、活荷载及竖向地震作用)下,屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案较层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案优。

4.2 建筑外立面处理、功能布局的适用性

层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案中交通核与主楼之间设置防震缝,根据罕遇地震作用下弹塑性位移核算,缝宽达600mm,极大地破坏了全楼通长幕墙的完整性,同时坡屋面转折处设置防震缝,建筑施工极为复杂,不易保证施工质量,容易产生渗水、漏水等质量问题。屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案可将主楼、交通核连为一体,对幕墙毫无影响,屋面施工一体化,故推荐采用屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案。

另外楼电梯间、管线穿越隔震层时构造处理复杂,特别是电梯井道须采用下挂处理,与外围建筑或结构构件预留隔震缝。隔震沟亦对建筑布局有一定影响[9]。

4.3 施工周期

采用层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案时,增加一层隔震层;橡胶隔震支座采购、安装以及机电管线穿越隔震层的特殊处理等相较于屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案增加了施工周期。

4.4 后期维护、检修及更换的便利性

遭遇地震作用时,部分橡胶隔震支座或屈曲约束支撑可能发生破坏,须进行检修及更换。层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案中隔震层净高紧张,更换检修时机械设备操作空间局促,相较于屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案的后期维护、检修及更换费用更高且不便利。两者维护、检修及更换均不影响建筑功能的正常使用[10]。

4.5 经济性

层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案相比屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案,隔震方案增加橡胶隔震支座、隔震层及基础埋深,增加投资731.8万元。对比两种结构方案的建造费用见表4。

表4 经济性对比/万元

4.6 结构方案比选结果

综合考虑结构冗余度,建筑外立面处理、功能布局的适用性,施工周期,后期维护、检修及更换的便利性,经济性等各方面因素,最终选取了钢筋混凝土框架+屈曲约束支撑结构方案。

项目于2019年7月开始奠基,现场克服新冠疫情等的不利影响,经过2年的紧张施工,于2021年7月初主体封顶,屈曲约束支撑安装到位。建成后实景图见图14。

5 结论

(1)采用层间隔震+钢筋混凝土框架结构方案,隔震层以上楼层地震力计算可以按照降低一度考虑。

(2)采用屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案,进行性能化设计,亦可达到良好的抗震性能。

(3)综合考虑结构冗余度,建筑外立面处理、功能布局的适用性,施工周期,后期维护、检修及更换的便利性,经济性等各方面因素,最终选取了屈曲约束支撑+钢筋混凝土框架结构方案。