莆田學(xué)院圖書(shū)館綜合大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

楊 平

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

1 工程概況

莆田學(xué)院遷建工程位于莆田主城區(qū)北部，莆田大學(xué)城新校區(qū)的西北區(qū)域，橫跨莆田市荔城區(qū)和涵江區(qū)。圖書(shū)館綜合大樓位于莆田學(xué)院遷建工程“一主四從”建筑組團(tuán)北側(cè)，上部建筑共10層，建筑高度44.3 m～57.8 m(坡屋頂)，其中一至六層主要建筑功能為學(xué)術(shù)報(bào)告廳、圖書(shū)借閱區(qū)、書(shū)庫(kù)、自習(xí)室和多功能學(xué)習(xí)區(qū)等，七層以上主要為行政辦公和會(huì)議室。該工程設(shè)一層地下室，主要用作停車庫(kù)和設(shè)備用房使用，局部設(shè)人防工事，人防抗力等級(jí)為：防核武器六級(jí)、防常規(guī)武器六級(jí)，采取平戰(zhàn)結(jié)合設(shè)計(jì)。圖書(shū)館總建筑面積約為61 190 m2，其中地上建筑面積50 263 m2，地下建筑面積10 927 m2。建筑效果圖如圖1～圖2所示。

圖1 圖書(shū)館建筑效果圖一

圖2 圖書(shū)館建筑效果圖二

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

該工程建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo=1.0。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。

風(fēng)荷載取值：基本風(fēng)壓按50年重現(xiàn)期取0.7kN/m2(承載力設(shè)計(jì)不放大)，舒適度計(jì)算風(fēng)壓取0.4kN/m2，地面粗糙度為B類，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.3。

地震場(chǎng)地信息：建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，設(shè)防烈度7度(0.10 g)，場(chǎng)地類別Ⅱ類，結(jié)構(gòu)特征周期0.45 s，鋼筋混凝土和型鋼混凝土部分阻尼比0.05，鋼結(jié)構(gòu)部分阻尼比0.04，計(jì)算嵌固端取地下室頂板。

建筑防火分類等級(jí)為一級(jí)，耐火等級(jí)為一級(jí)。耐火極限：鋼柱、鋼支撐、樓面桁架為3 h，鋼梁為2 h，鋼筋桁架樓承板及疏散樓梯為1.5 h。

溫度作用：鋼結(jié)構(gòu)考慮 ±30℃的溫度作用。

主要結(jié)構(gòu)活荷載取值：辦公室2.0kN/m2；普通教室2.5kN/m2；階梯教室3.0kN/m2；閱覽區(qū)、借閱區(qū)、檔案室5.0kN/m2；空調(diào)機(jī)房8.0kN/m2；室外觀景平臺(tái)3.5kN/m2。

基礎(chǔ)形式：預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PHC500-125-AB，樁基持力層砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。

典型建筑平面及核心筒布置如圖3所示。

圖3 典型建筑平面及核心筒布置

3 結(jié)構(gòu)體系及整體計(jì)算結(jié)果

上部建筑柱網(wǎng)尺寸規(guī)則，為8.4 m×8.4 m，一至七層采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在8.4 m×8.4 m軸網(wǎng)交點(diǎn)設(shè)置鋼筋混凝土柱，主要柱截面尺寸為900 mm×900 mm和1000 mm×1000 mm?；谠摴こ躺喜扛叨冗_(dá)到約60 m，超出框架結(jié)構(gòu)的適用高度范圍，故，在建筑平面4個(gè)角點(diǎn)的樓電梯間位置設(shè)置剪力墻核心筒，形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，以提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度。二至七層樓蓋體系，采用鋼筋混凝土十字梁板體系，主梁截面為400 mm×800 mm，十字次梁截面為250 mm×600 mm，樓板厚度120 mm。

在建筑平面二～七層中間位置，設(shè)置一個(gè)30 m×42 m鏤空中庭；七層及以上建筑平面在對(duì)應(yīng)下部中庭位置的南北兩側(cè)，各設(shè)置了一跨行政辦公空間；由于下部中庭不能設(shè)置柱子，造成七層及以上樓層此處為42 m的大跨度結(jié)構(gòu)。為了解決大跨度問(wèn)題，在七層和八層樓面之間設(shè)置了跨層桁架，七層樓面梁為桁架的下弦桿(型鋼混凝土梁，混凝土截面700×1200，型鋼截面H800×400×24×34)，八層樓面梁為桁架的上弦桿(H型鋼梁H1000×400×20×35)，七～八層之間設(shè)置豎腹桿和斜腹桿(箱型截面□400×400×30)。同時(shí)，在跨層桁架對(duì)應(yīng)8.4 m軸網(wǎng)的位置立柱，通過(guò)立柱支撐九層及以上樓屋面結(jié)構(gòu)。為了使大跨度跨層桁架與兩側(cè)豎向構(gòu)件相匹配，在七層跨層桁架支座兩側(cè)設(shè)置了400 mm厚剪力墻,并在剪力墻內(nèi)藏一根型鋼斜腹桿，由剪力墻和斜腹桿共同傳遞跨層桁架的水平剪力(該位置剪力墻一直向下延伸至基礎(chǔ)面)。

建筑八層設(shè)置外挑的坡屋面，外挑長(zhǎng)度沿東西和南北方向均為8.4 m，結(jié)構(gòu)采用H型鋼梁，鋼梁截面采用變高度形式，根部高度約1200 mm，端部高度約900 mm，通過(guò)端部收小高度來(lái)達(dá)到建筑的屋面效果。典型建筑剖面及跨層桁架、長(zhǎng)懸挑等如圖4～圖6所示。

圖4 典型建筑剖面及跨層桁架、長(zhǎng)懸挑示意

圖5 跨層桁架立面圖

圖6 跨層桁架平面示意圖

由于七層以上建筑存在大跨度樓面和長(zhǎng)懸臂屋面，結(jié)構(gòu)上采用強(qiáng)度更高的鋼框架結(jié)構(gòu)。鋼柱位置與下部鋼筋混凝土柱位置一一對(duì)應(yīng)，主要鋼柱截面為□600×600×20mm和□700×700×20mm的箱型截面，鋼柱埋入下部樓層的鋼筋混凝土柱內(nèi)。鋼梁截面采用H型鋼梁，鋼框架梁截面主要為HN700×300mm，次梁截面主要為HN500×200mm，次梁采用單向雙次梁體系，每2.8 m設(shè)置一道次梁。鋼結(jié)構(gòu)樓面及屋面采用混凝土鋼筋桁架樓承板。

圖書(shū)館鋼筋混凝土框架梁、柱抗震等級(jí)三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)二級(jí)，鋼框架抗震等級(jí)三級(jí)。

該工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用盈建科(YJK)軟件進(jìn)行，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型如圖7所示,主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖7 YJK整體計(jì)算模型

表1 YJK與Midas主要計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算結(jié)果均符合規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)自振周期前兩個(gè)周期均以平動(dòng)為主，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期的比值約0.8，小于規(guī)范要求[1]。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題

4.1 不同結(jié)構(gòu)材料阻尼比取值

該工程7層以下采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)(局部采用型鋼混凝土梁柱)，七層以上采用鋼框架結(jié)構(gòu)。由于混凝土與鋼的阻尼比不同，如果不能采用合適的阻尼比，將會(huì)影響地震作用的計(jì)算結(jié)果?，F(xiàn)行的盈建科軟件，可以根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)材料，分別輸入阻尼比，然后根據(jù)各構(gòu)件的應(yīng)變能加權(quán)平均的方法來(lái)計(jì)算各階振型阻尼比。據(jù)此，該工程混凝土和型鋼混凝土的阻尼比取0.05，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.03，具體參數(shù)如圖8～圖10所示。

圖8 結(jié)構(gòu)阻尼比計(jì)算參數(shù)

圖9 X方向不同阻尼比模型基底剪力

圖10 Y方向不同阻尼比模型基底剪力

為了保證以上阻尼比計(jì)算方法的正確性，該工程另外按全樓統(tǒng)一阻尼比為0.04建立模型計(jì)算結(jié)構(gòu)的基底剪力，將該模型計(jì)算得到的基底剪力與不同材料阻尼比模型的基底剪力進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)比較可以看出，不同材料阻尼比模型的基底剪力均大于統(tǒng)一阻尼比的模型，說(shuō)明采用不同材料阻尼比方法計(jì)算的地震作用沒(méi)有減少，是可靠的。

4.2 大跨度桁架的抗震性能設(shè)計(jì)

如圖11～圖12所示，該工程七層～八層的跨層大跨度桁架，不但跨度達(dá)到了42 m，而且上部還支撐了3層的樓屋面重量，是全樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)，為安全起見(jiàn)，應(yīng)進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)。由于桁架跨度大，因此水平地震作用不是主要控制因素。恒載、活載和豎向地震作用，共同決定了桁架的受力和截面。

圖11 大跨度桁架模型

圖12 八層局部鋼構(gòu)件中震應(yīng)力比

該工程豎向地震由程序按規(guī)范簡(jiǎn)化方法計(jì)算，抗震的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)為：大跨度桁架構(gòu)件中震(以豎向地震為主)彈性，其支承剪力墻中震(以豎向地震為主)抗剪和抗彎均彈性。同時(shí)，應(yīng)復(fù)核支承剪力墻邊緣構(gòu)件的受拉情況。

根據(jù)圖13所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算，大跨度桁架構(gòu)件和支承剪力墻在中震(以豎向地震為主)作用下，鋼構(gòu)件(桁架上弦和腹桿)的應(yīng)力比均不超過(guò)0.85，型鋼混凝土構(gòu)件(桁架下弦)的配筋在合理范圍，剪力墻及其短柱的抗剪承載力滿足要求，配筋也未出現(xiàn)超筋的情況。

圖13 八層局部鋼構(gòu)件中震應(yīng)力比

大跨度桁架兩側(cè)支承剪力墻在中震(以豎向地震為主)作用下，邊緣構(gòu)件出現(xiàn)受拉的情況，最大拉力為1090 kN。邊緣構(gòu)件截面為900 mm×900 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40(ftk=2.39N/mm2)，混凝土本身能夠承受的拉力為2.39×900×900=1935 kN，大于最大拉力1090 kN。

4.3 大跨度桁架的樓蓋舒適度

該工程七層和八層跨層桁架位置，由于跨度較大，有可能存在樓蓋舒適度不滿足要求的情況，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]3.7.7條“樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3Hz”和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]3.4.6條“大跨度公共建筑不宜低于3Hz”的要求，對(duì)這兩層的樓蓋舒適度進(jìn)行分析。分析采用盈建科軟件自帶的樓板舒適度分析模塊，經(jīng)計(jì)算，七層和八層的頻率如圖14所示。

圖14 七層和八層樓蓋舒適度計(jì)算

由圖14可以看出，七層和八層計(jì)算得到的樓板固有頻率，均遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的3Hz要求，說(shuō)明大跨度跨層桁架的樓蓋舒適度可以滿足正常使用。

4.4 上部鋼結(jié)構(gòu)樓層的鞭梢效應(yīng)

該工程七層以下為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，七層以上為鋼結(jié)構(gòu)，且上部最頂層鋼結(jié)構(gòu)為坡度(0.5)較陡的坡屋頂。由于上下結(jié)構(gòu)材料的不同，上部鋼結(jié)構(gòu)樓層存在一定程度的鞭梢效應(yīng)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。

為考慮上部鋼結(jié)構(gòu)的鞭梢效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，將彈性時(shí)程分析得到的各層剪力，與CQC法計(jì)算得到的剪力進(jìn)行比較，如果彈性時(shí)程的剪力大，則將CQC法計(jì)算的剪力按彈性時(shí)程的結(jié)果進(jìn)行放大。

選取3組地震波進(jìn)行彈性時(shí)程分析(1組人工，2組實(shí)際強(qiáng)震)，分別為ArtWave-RH4TG045、Northridge-01 NO 965和Manjil,Iran NO 1636，分析結(jié)果滿足規(guī)范單條65%和平均80%的要求。將時(shí)程分析的包絡(luò)值與CQC法比較，可以看出上部鋼結(jié)構(gòu)樓層確實(shí)存在鞭梢效應(yīng)，時(shí)程分析的結(jié)果均大于CQC法，應(yīng)對(duì)CQC法的剪力進(jìn)行放大，如圖15所示。

圖15 地震剪力放大系數(shù)

5 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)中存在混凝土、型鋼混凝土以及鋼等不同材料時(shí)，結(jié)構(gòu)整體阻尼比可通過(guò)在電算模型中定義的各自材料阻尼比后加權(quán)計(jì)算得到。

(2)對(duì)于大跨度跨層桁架等重要構(gòu)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行抗震性能分析，確保構(gòu)件中震(以豎向地震為主)彈性；同時(shí)，對(duì)支承大跨度桁架的剪力墻或柱子，也應(yīng)進(jìn)行抗震性能分析，確保中震(以豎向地震為主)抗剪和抗彎均彈性。

(3)對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)，除了進(jìn)行強(qiáng)度分析外，還應(yīng)確保樓蓋正常使用的舒適度。

(4)結(jié)構(gòu)上部和下部材料不同時(shí)，由于剛度的差異，上部樓層存在一定程度的鞭梢效應(yīng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)彈性時(shí)程分析并與CQC法進(jìn)行比較，然后對(duì)CQC法的剪力進(jìn)行放大來(lái)考慮鞭梢效應(yīng)的影響。