溫江區文體中心博物館結構設計

吳玉全

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司成都分公司, 四川成都 610000 )

1 工程概況

溫江區文體中心博物館及圖書館，位于四川省成都市溫江區，含一層地下室，單體在地上獨立，分為博物館、圖書館、報告廳，地下室連為一體，總建筑面積約為49 714.78 m2，地下室層高為5.4 m,局部為人防地下室；博物館地上建筑面積約為15 628 m2，結構總高度為23.80 m,采用框架結構體系，一層層高6.6 m,二層層高6.15 m,三層層高6.25 m，四層層高4.25 m,下部樓層的主要功能為展示，屋頂層局部布置設備，其余部分為空中花園;博物館的典型柱網尺寸為9.5 m×10.5 m;典型柱截面尺寸為900 mm×900 mm,梁截面尺寸為450 mm×1000 mm，桁架弦桿截面尺寸為H900×450×38×50,其中，懸挑桁架的最大出挑長度約為15 m,其結構布置圖如圖1所示，博物館的整體結構三維模型如圖2所示。

圖1 懸挑桁架剖面

圖2 結構三維模型及懸挑桁架構成

2 設計參數

2.1 安全等級

根據JGJ 66-2015《博物館建筑設計規范》第1.0.4條博物館建筑可按建筑規模劃分為特大型館、大型館、大中型館、中型館、小型館等五類，且建筑規模分類應符合表1的規定。

表1 博物館建筑規模分類 m2

據此判定，此工程建筑規模類別為大中型博物館，根據JGJ 66-2015《博物館建筑設計規范》第10.1.1條博物館設計使用年限為100 a，主體結構的安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。

2.2 抗震設防

工程所在地的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，Tg=0.45s。結構阻尼比取0.05，鋼結構部分結構阻尼比取0.02。多遇地震作用下水平地震影響系數對應抗震設防三水準中的小震不壞，即50 a設計基準期內超越概率為63.2 %，而博物館設計使用年限為100 a，多遇地震作用下的地震影響系數宜適當放大，參考文獻《不同設計使用年限下地震作用的確定方法》[1]給出的不同設計使用年限對應地震作用調整系數如表2所示。

表2 不同設計使用年限對應的地震作用調整系數

多遇地震作用下，50 a設計基準期對應水平地震影響系數最大值為0.08，則按100 a設計基準期時，水平地震影響系數最大值為0.08×1.43=0.1144。

根據GB 50223-2008《建筑工程抗震設防分類標準》，本子項建筑抗震設防類別為乙類，抗震等級為：框架二級，大跨度框架一級。

2.3 保護層厚度

混凝土結構最外層鋼筋保護層厚度應滿足GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》中關于設計使用年限為100a的混凝土結構的相關要求，厚度取值如表3所示。

表3 混凝土保護層的最小厚度

2.4 荷載取值

恒載按建筑面層做法計算取值，活荷載參考JGJ 66-2015《博物館建筑設計規范》第10.1.1條，風荷載根據《建筑結構荷載規范》按100 a重現期的風壓取值，Wo=0.35kN/m2；根據《建筑結構荷載規范》成都地區溫度取值最高氣溫34 ℃，最低氣溫-1 ℃，鋼結構合攏溫度暫定為10～25 ℃，最終考慮升溫25 ℃，降溫25 ℃。

2.5 材料

本工程各部位結構構件所采用的混凝土強度等級如表4所示。

表4 混凝土材料參數

受力鋼筋均采用HRB400熱軋帶肋鋼筋，鋼材采用Q345、Q345GJ等級的結構鋼材，其質量標準應符合現行中國標準GB/T 700-2006《碳素結構鋼》和GB/T 1590-2008《低合金高強度結構鋼》的規定。當鋼材板厚大于或等于40 mm，尚應遵循現行GB 50313《厚度方向性能鋼板》的規定。所有結構鋼材應為B級或更高。

3 結構計算與分析

3.1 彈性計算結果

整體計算取地下室頂板作為上部結構的嵌固端，計算軟件主要采用了YJK，計算模型中定義了豎向、水平荷載工況及溫度工況。其中豎向工況包括結構自重、附加恒荷載、活荷載以及豎向地震作用。水平荷載工況包括水平地震作用和風荷載，溫度工況考慮上部鋼結構升降溫25 ℃。計算結果如表5所示。

從表5中可以看出，結構扭轉為主的第一自振周期T3與平動為主的第一自振周期T1之比0.885，水平地震剪力系數大于1.6 %，水平地震工況下最大層間位移角小于1/550，風荷載作用下最大層間位移角小于1/550，各項指標均滿足規范要求,結構布置較為合理。

表5 小震作用下結構計算結果匯總

3.2 樓板應力分析

博物館二層樓板存局部開洞情況，樓板寬度滿足規范對樓板寬度的限值要求，為了解其在地震工況下的工作性能，對其在小震及中震作用下的樓板應力進行分析，樓板剛度面內面外按實際情況考慮,考慮實際組合工況較多，僅列出基本組合下水平向地震作用下計算結果，分析結果如圖3及圖4所示。

圖3 中震樓板等效應力云圖

圖4 小震樓板等效應力云圖

通過小震及中震工況下的樓板應力分析可以得出，開洞部位樓板在地震作用下工作性能良好，樓板除部分應力集中點外，均未超過混凝土抗拉強度設計值，設計時通過對洞口周邊樓板配筋加強，雙層雙向配筋，應力集中部位配筋適當加大，角部設置放射筋等技術措施，可滿足使用功能要求。

3.3 懸挑部位分析

懸挑構件無多余冗余度，本工程懸挑桁架出挑長度大，宜考慮對其進行性能化分析，參照JGJ 99-2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》中3.8節及其條文說明的相關要求，懸挑桁架抗震性能目標定義為C級，即在多遇地震、設防烈度地震及預估的罕遇地震下性能水準分別為1、3、4，具體構件實現要求詳見表6及表7。

在設防烈度地震作用下，關鍵豎向構件在正截面滿足“中震不屈服”要求，“中震不屈服”分析時，相對于多遇地震作用下的彈性分析，分析參數經以下調整：

(1)地震影響系數最大值按設防烈度取值，調整為0.23。

(2)不考慮與抗震等級相關的調整系數，取消組合內力調整。

(3)荷載作用分項系數取1.0。

(4)材料強度取標準值。

(5)抗震承載力調整系數取1.0。

(6)考慮到填充墻體開裂影響，周期折減系數調整為1.0，阻尼比增加至6 %。

依據JG J99-2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》中第3.8節相關規定，中震不屈服時構件承載力驗算公式如式1和式2所示：

(1)

(2)

表6 結構抗震性能目標

表7 結構構件類型

為了滿足“大震不倒”的性能目標，對關鍵構件進行預估的罕遇地震下內力分析，分析方法仍采用等效彈性分析法。按照《建筑抗震設計規程》要求，特征周期調整為0.50 s，地震影響系數最大值為0.5，同時考慮到部分耗能構件的屈服，將阻尼比調整為7 %，其他分析參數調整如下：

(1)不考慮與抗震等級相關的調整系數，取消組合內力調整。

(2)荷載作用分項系數取1.0。

(3)材料強度取標準值。

(4)抗震承載力調整系數取1.0。

(5)考慮到填充墻體開裂影響，周期折減系數調整為1.0。

采用YJK軟件進行中震及大震作用下的性能化分析，桁架的分析結果如表8及表9所示。

表8 桁架在中震、大震工況下應力比

中震及大震工況作用下，結構基底剪力如表9所示。

表9 中震、大震工況下基底剪力

可以看出中震及大震作用下，懸挑桁架的性能均可達到預定的性能化目標，且兩種工況下應力比基本一致，可以得出，在7度抗震設防區，對于大懸挑桁架，構件性能主要受恒、活工況控制，地震作用不是其主要控制因素，這也側面印證了規范的相關要求。

大震最大地震影響系數0.5，中震最大地震影響系數0.23，大震/中震=2.18，故分析結果考慮了地震工況參與計算，結果可信。其次，桁架分析中已經考慮桁架豎向地震作用工況，懸挑桁架在中震及大震作用下，應力比基本一致，說明7度區，豎向地震作用對桁架不起控制作用，恒載及活載起控制作用，和規范條文規定吻合 。

4 對策與結論

4.1 對策

針對結構分析中可能存在的抗震不利因素，在設計中可考慮如下應對措施：

(1)針對扭轉不規則，計算考慮雙向地震作用，適當加大周邊框架截面尺寸，加強角部框架柱及框架梁配筋。

(2)針對局部樓板開大洞的情形，加厚連接薄弱部位樓板厚度，并對樓板的配筋加強，按雙層雙向配筋，并控制樓板的最小配筋率為0.25 %；在陰角處配置附加雙層斜向鋼筋，擬通過以上措施，增強樓板的承載力，同時可以增強樓面構件與豎向構件的協同工作性能。

(3)對于大跨度懸挑部位，考慮豎向地震作用，并滿足性能化目標C的要求，控制弦桿的應力比不超過0.9，保證其在對應性能水準下依然能正常工作。

(4)盡量采用輕質墻體材料，以有效地減輕建筑物的自重，進而減小作用于結構上的地震作用。

4.2 結論

通過線彈性分析、構件的驗算，各層面分析結果表明目前的各項性能指標均符合國家現行規范要求，該工程結構體系成立，是安全可行的，主要的分析結論如下：

(1)該結構整體位移指標為地震控制，小震作用下最大層間位移角為1/741，滿足規范小于1/550的要求。

(2)結構第一階和第二階振動為平動，周期分別為1.046 s和0.962 s，第一階扭轉周期為0.926 s，其與第一階平動周期比值為0.885，滿足規范扭平比不大于0.9的要求。

(3)性能化分析表明，懸挑桁架在設防烈度地震作用下的正截面承載力滿足對應性能化目標的要求。在預估的罕遇地震作用下，桁架正截面承載力滿足對應性能化目標的要求。