顺昌博物馆结构设计

南晶晶, 周建炉, 谢为时, 潘加富, 胡 波

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概况

顺昌博物馆(图1)位于福建省顺昌县,紧邻美丽的富屯溪,总建筑面积10 138.2m2,是一座既具有深厚历史文化底蕴,又有现代功能的“城市客厅与城市阳台”,也将成为研究顺昌历史文化的重要场所。接近60m的拱形架空空间形成可供大量人流停留的城市灰空间,打造城市客厅,组织城市人流,塑造大气现代的城市氛围;同时,该馆基地位于顺昌沿江景观慢行道重要节点,建成后的可上人屋顶将成为遥望顺昌江北的城市阳台。

图1 建筑鸟瞰

建筑整体平面尺寸约173m×49m,东侧为两层的城市展览馆,西侧为三层博物馆,博物馆一侧局部设置一层地下室。位于两馆中间的休闲文化展厅是以城市客厅为景观核心布置的开放过渡型休闲展示空间,并通过坡道逐渐向上行进至城市阳台,为整个建筑空间构成方式的一大特色。中庭范围不允许柱子落地,建筑屋面为弧形,屋面最高点标高19.275m,结构高度根据建筑屋面高度变化逐渐变化。建筑功能分区见图2。

图2 建筑功能分区

本工程的抗震设防标准根据博物馆建筑规模确定。博物馆部分建筑面积8 271.56m2,为中型馆［1］。建筑设计基准期和设计使用年限均为50年,结构安全性等级为二级,结构重要性系数为1.0,抗震设防类别为标准设防类(丙类),抗震设防烈度为6度［2］,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.35s。基本风压0.35kN/m2,地面粗糙度B类,不考虑基本雪压。

基础采用钻孔灌注桩［3］,桩端持力层选为碎块状强风化云母石英片岩,桩端阻力特征值为3 000kPa,有效桩长约23m。

结构主体为框架-剪力墙结构,框架抗震等级为四级,剪力墙抗震等级为二级(剪力墙抗震等级可与框架的抗震等级相同,取四级,考虑大跨度框架,剪力墙的抗震等级提高一级,再考虑剪力墙为抵抗桁架水平推力的关键构件,其抗震等级再提高一级)。

2 结构选型及结构体系

本工程主体包括东侧城市展览馆、西侧博物馆两栋建筑,两栋建筑通过一个由两片曲面桁架及中心圆环构建的中庭空间相连,建筑要求中庭空间不能有落地柱。初步设计时,设置四榀桁架(GHJ1～GHJ4)连接建筑东、西两侧,为抵抗大跨度曲面桁架产生的水平推力,在外侧桁架(GHJ1、GHJ2)端部结合建筑功能设置剪力墙,而中部的两榀桁架(GHJ3、GHJ4)与东、西两侧建筑的连接处因建筑空间要求,不能设置剪力墙,桁架支撑于框架柱上,为提高该柱的抗侧刚度,采用型钢混凝土柱,见图3。此初步设计方案结构布置合理,传力路径清晰,能够实现建筑中庭没有落地柱的构想。但中间两榀桁架的腹杆会切断二层的使用空间,如图4所示,因此施工图设计时对此方案进行了改进。

图3 二层结构平面布置图(初步设计)

图4 桁架三维轴测图(初步设计)

施工图设计时,仅保留了初步设计的外侧两榀曲面钢桁架(HJ1、HJ2)和西侧建筑的型钢混凝土柱(截面尺寸为800×1 000),并对外侧桁架端部的剪力墙进行加强,在墙体两侧设置型钢混凝土柱使其形成带端柱剪力墙,如图5所示。

图5 二层结构平面布置图(施工图设计)

中庭位置楼面及屋面均有大开洞,洞口位置的上、下圆环钢梁(截面□800×500×30×30,牌号为Q345B)与其周边钢斜柱(截面φ500×18,牌号为Q345B)连接形成一个整体刚性中心圆台。由东侧一层的4根钢斜柱(截面□500×500×30×30,牌号为Q345B)和西侧的短钢桁架HJ3、HJ4支撑起中心圆台。东侧的4根斜柱所受水平力通过一层梁板均匀传递至基础;西侧的两榀短桁架(HJ3、HJ4)利用楼层平面刚度大的特点,其上、下弦分别支撑于屋面和二层楼面,而短桁架的第一道斜腹杆则支撑于三层楼面,杆件传递的水平拉、压力均由各层楼面承担。结构整体模型见图6,曲面桁架及中心圆台支撑见图7。该方案在休闲展示空间内,只有两道贴近幕墙的斜柱,能够在最大程度上减小结构构件对建筑空间布置的影响,实现建筑对山水轴线的构想。

图6 结构整体模型

图7 曲面桁架和中心圆台结构支撑布置图

3 结构整体计算

采用SATWE软件对结构在风荷载及多遇地震作用下的各工况进行弹性分析,并对整体模型及东、西两个建筑单体模型进行包络设计,结构在多遇地震下的阻尼比取为0.04［4-7］。在规定水平力作用下,结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值大于50%(Y向为65%),按框架-剪力墙结构进行设计,框架部分的抗震等级和轴压比限值按照框架部分的规定取四级。整体计算结果如表1、2所示。从计算结果看,结构体型较细长,扭转位移比最大值1.49,大于1.2,为扭转不规则,但小于1.5,满足规范要求。结构体系及受力合理,其他各项指标均满足规范要求。

表1 考虑扭转耦联周期

表2 规定水平力作用下楼层两端抗侧力构件最大位移比

4 结构设计的关键问题分析

4.1 关键构件计算

建筑外侧的两榀钢桁架节点均为满焊连接,不同杆件多角度交汇,受力复杂,上、下弦杆根据建筑标高弯曲,并深入两侧钢板剪力墙内,桁架布置见图8、9(图中未注明的腹杆均为FG1),桁架的杆件截面见表3。

表3 桁架HJ1、HJ2各杆件截面尺寸

图8 桁架HJ1+钢板剪力墙

图9 桁架HJ2+钢板剪力墙

计算结果显示,桁架HJ1、HJ2杆件大部分依然遵循一般平行桁架的上弦受压、下弦受拉的受力状态,但因为下弦起拱影响,使得支座位置的下弦杆会承受较大压力;因为设置了与基础直接连接的FG3杆,FG2杆连接的左侧上弦杆则表现为受拉。以桁架HJ1为例,桁架各杆件轴力见图10,其中拉力为正,压力为负。

图10 桁架HJ1在正常使用阶段各杆件轴力/kN

当不考虑FG3杆时,对桁架及整体模型进行计算。与原模型比较,桁架东端下弦杆的轴力增大了4倍,西端下弦杆轴力增大了11%。取消FG3杆后,整个桁架的应力分布更加对称均匀,见图11。但桁架下弦的应力增加,会使其截面加大,综合考虑后选择设置FG3杆的桁架方案。

图11 取消FG3杆后桁架HJ1在正常使用阶段各杆件轴力/kN

FG3杆的设置能有效地减小桁架的计算跨度,对降低桁架各杆件的应力起到了很重要的作用。单独桁架计算结果基本与结构整体计算的结果一致。桁架各杆件强度应力比及稳定应力比均满足规范要求。整体计算时桁架杆件的最大应力比0.86,出现在桁架HJ1西端下弦杆处。

在正常使用状态下,中庭钢梁挠度计算值为32.27mm,满足规范要求。但施工过程中,中庭两侧的框架结构先施工,再搭建中庭钢构件,然后浇筑中庭楼板混凝土(混凝土楼板浇筑完成,但强度还未达到初凝强度),复核施工阶段仅考虑楼板自重,不考虑中庭楼板与钢梁共同作用时钢梁变形。施工阶段,中庭钢梁挠度计算值为51.79mm,比正常使用状态下钢梁挠度计算结果有较大增加,但仍小于《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)［5］中要求的挠度限值L/400(95mm),其中L为受弯构件跨度,满足规范设计要求。另外,在楼板自重和施工荷载作用下,桁架及其连接构件的强度满足规范要求,且与正常使用状态下的计算结果差异不大。

配合建筑造型,桁架的上、下弦杆需根据建筑要求弯折,各杆件放样加工难度大,因此为确保桁架加工、安装的准确性,要求桁架的各节点杆件按照图纸整体下料(图12)。在桁架的安装过程中,此做法能够以桁架节点为安装控制点,最大程度地保障施工安装的正确性,杆件加工在工厂完成,也减小了现场钢结构施工的难度,还能够避免多杆件交汇节点处多条焊缝交叉对构件受力带来的不利影响。

整体计算结果表明,桁架HJ1、HJ2两侧的剪力墙不仅承受了桁架传来的水平荷载,也因其抗侧刚度大,在地震作用下也会承受很大的水平剪力。在桁架与剪力墙连接位置会出现应力集中,因此选择在该段剪力墙中增加钢板,在端柱中设置钢骨［8］,并将桁架上、下弦杆深入剪力墙内与端柱中钢骨连接,形成封闭钢框(图8、9),以提高钢板剪力墙抗侧刚度［9］,并有效地传递桁架弦杆中传来的轴向力,避免应力集中。

桁架HJ1西侧钢板剪力墙水平剪力最大,以此段墙(该段墙体长度7.56m(斜长,且不包括端柱)、宽度0.4m)为例对其进行受力分析,结果见图13,图中数值以X正向同向为正,反向为负。

图13 钢板剪力墙墙体剪力/kN

由图13可见,在正常使用阶段,三层墙体所受剪力为-4 425.8kN,一层墙体所受剪力为4 780.1kN,墙体所受剪力与桁架传递力的方向一致。在地震作用下,墙体所受剪力最大值为20 095.1kN,已超出《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)［7］6.3.20条中混凝土剪力墙承载力限值10 238.8kN,因此在剪力墙中设置钢板。根据《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)［4］表10.2.2,钢板混凝土剪力墙水平和竖向分布钢筋最小配筋率不应小于0.4%,钢板剪力墙中配筋采用14@150,并根据《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)10.1.5条计算,在剪力墙中附加钢板厚度取16mm。墙体所受剪力基本由钢板承受,其两侧混凝土板作为钢板的加强措施,通过抗剪键与钢板连接,充分发挥钢与钢筋混凝土两者的优势,提高钢板-混凝土组合剪力墙的抗剪能力。

4.2 楼板应力分析

本项目楼板存在以下问题:有较大的楼板开洞,易形成楼板弱连接;中庭位置楼板为后浇板,位于短桁架(HJ3、HJ4)范围内的楼板会受到较大的拉力作用。博物馆屋面板及楼板需考虑短桁架传来的杆件轴向集中力,受力复杂,短桁架与楼板连接示意见图14。基于诸多不利影响,采用YJK软件计算楼板在重力荷载作用下的应力分布,对楼板进行应力分析。本项目一、二层与中庭连接的第一跨楼板厚度为150mm,其他范围楼板厚度为120mm;屋面板厚度为150mm。混凝土强度等级均为C30。一层楼板、二层楼板在重力荷载标准组合下的应力分布如图15所示。

图14 短桁架与楼板连接示意

图15 楼板在重力荷载标准组合下应力/(N/mm2)

由应力云图(图15)可知,楼板应力值较大的区域主要集中在斜柱柱脚位置、短桁架腹杆与楼板连接位置、剪力墙与楼板连接位置、楼板洞口角部位置等。对斜柱柱脚区域(柱基础范围内的板)楼板加厚,能提高斜柱与基础连接强度,有利于斜柱的水平力向楼板内扩散。根据计算结果,对相应位置(图15(a)中圈起的位置)的楼板配筋进行加强,增加大开洞位置的楼板板厚(楼板厚度150mm),以保证楼板在平面内的刚度;中庭范围内楼板后浇,减小楼板因为结构变形引起的板内拉应力。

4.3 桩水平承载力计算

本项目地下室范围较小,对上部结构传来的水平推力非常不利。基础采用桩径800mm的钻孔灌注桩,持力层为碎块状强风化云母石英片岩,桩端进入持力层不小于1m,有效桩长约为23m。设计中未考虑地下室底板与土体之间的摩擦力以及承台高度范围内土体消耗水平剪力减小桩身受剪的有利作用。

根据2019年6月份提供的《单桩水平静载试验检测报告》(报告编号:YZHJJ1900081)(简称静载试验检测报告),确定单桩水平承载力特征值为357.00kN,与初算时330kN设计值接近,满足设计要求。

4.4 考虑桩的弯曲刚度对上部结构的影响分析

根据静载试验检测报告,计算出桩的弯曲刚度并带入YJK基础模型中,对上部模型按照考虑基础结构重新计算。整体计算的计算结果满足规范要求,钢桁架构件最大应力比0.93。

将考虑基础侧移刚度的计算结果与不考虑时的计算结果比对后发现:桁架HJ1、HJ2内力增加,腹杆内力增加6%～10%,越接近支座增加越多,弦杆端部最大应力增加约14%;与桁架HJ1、HJ2连接的剪力墙水平剪力减小,减小7%左右;支撑中心圆环的4根斜柱内力减小,减小6%左右;短桁架内力增加,增加14%左右。剪力墙为确保桩顶水平承载力的可靠性,提出如下施工要求:1)桩顶嵌入承台内长度100mm,保证桩与承台的半刚性连接;2)基础部分施工完成后,基础及地下室外墙周边采用砂土或粉质黏土回填,并分层夯实,每层厚度不小于250mm,回填土压实系数不小于0.94,采用砂土时干密度不应小于16.2kN/m3。

5 结语

本文对顺昌博物馆项目的结构方案进行了详细的介绍,针对结构特点,采取了如下合理的处理方式:

(1)设置钢板剪力墙,与剪力墙周边的型钢混凝土柱、型钢梁共同组成强抗侧力结构,承担大跨度曲面桁架传来的水平推力。

(2)利用楼板平面内刚度大的特点,通过支撑于不同楼层标高的钢桁架和斜柱支撑起中庭钢结构圆环,将结构对建筑室内空间的影响降到最低。

(3)考虑水平荷载长期作用,基础位移对弧形结构的影响很大。对于此类建筑设计时若不考虑基础侧移刚度,上部结构存在安全隐患,需留有足够的安全储备。

该项目于2020年5月封顶,并完成了对主体结构的验收。目前,该建筑已投入使用,成为当地市民消夏、散步的重要场所。