蘇州第二圖書館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

韓重慶， 陶健雄， 傅 強(qiáng)， 孫 遜， 張 鵬

(1 東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 南京 210096； 2 東南大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 210096)

1 工程概況

蘇州第二圖書館為蘇州圖書館的新館，位于蘇州市相城區(qū)核心地段。總占地面積約2.34萬(wàn)m2，總建筑面積約4.53萬(wàn)m2。項(xiàng)目已建成投入使用，建筑效果圖和建成后的實(shí)景圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖和建成實(shí)景圖

本項(xiàng)目場(chǎng)地狹小，建筑形體上大下小雖然解決了內(nèi)部功能的整合問(wèn)題，卻給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)不少難點(diǎn)。項(xiàng)目建筑高度34.3m，地上6層，層高均為5.7m，滿鋪1層地下室，層高6.0m。首層平面尺寸90m×98.2m，柱網(wǎng)尺寸為8.4m×8.4m，外圍框架柱外傾，平面尺寸由下向上逐層放大。東、南立面柱雙向傾斜，呈扇形排列，角柱與垂線夾角達(dá)34°，角部最大懸挑26.5m，外懸部位形成了視野極佳的閱覽空間。平面布局為內(nèi)院式，北側(cè)為書庫(kù)，南側(cè)為圖書館，南、北兩側(cè)樓面在3，4層完全斷開，在5，6層樓面圍合呈口字形，通過(guò)兩側(cè)連廊連通，連廊最大跨度31.9m。北側(cè)1～3層是智能書庫(kù)，采用了國(guó)內(nèi)首個(gè)自動(dòng)化高架倉(cāng)庫(kù)圖書存儲(chǔ)系統(tǒng)，凈高15m，設(shè)備運(yùn)行時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)變形要求極為嚴(yán)格。

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)。設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度為6度，根據(jù)《蘇州第二圖書館工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》[1]建議，地震動(dòng)參數(shù)按7度取值，抗震等級(jí)也按照7度選取。設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地特征周期為0.45s。50年一遇的基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，基本雪壓為0.35kN/m2，考慮到結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載的敏感程度，承載力計(jì)算時(shí)取基本風(fēng)壓的1.1倍[2]。

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 基礎(chǔ)及地下室

本工程各部位豎向荷載分布特別不均勻，場(chǎng)地淺部也無(wú)適宜的天然地基基礎(chǔ)持力層，基礎(chǔ)形式采用預(yù)制樁加防水底板。樁型選用φ600預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80。以⑥粉土夾粉質(zhì)黏土層為樁端持力層，有效樁長(zhǎng)22m。地下室范圍與上部結(jié)構(gòu)基本一致，功能為人防地下室和設(shè)備用房，地下室頂板整體性好，可以對(duì)上部結(jié)構(gòu)形成良好的嵌固，地下室頂板結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 地下室頂板結(jié)構(gòu)平面布置圖

本項(xiàng)目的智能書庫(kù)設(shè)置在人防地下室頂板上，對(duì)地下室頂板的局部?jī)A斜提出了很高的要求。智能書庫(kù)建成后實(shí)景如圖3所示，書架沿南北向排列，南北向柱距3 310mm，東西向柱距1 354mm，書架間距766mm。每根立柱豎向荷載100kN，沿東西向折算成線荷載為94kN/m。書庫(kù)中堆垛機(jī)的運(yùn)行總重量約70kN，工藝要求滿載時(shí)地面變形導(dǎo)致的地下室頂板局部?jī)A斜不應(yīng)超過(guò)1/1 000。

為滿足工藝要求，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)普通混凝土井字梁、預(yù)應(yīng)力混凝土單向梁、預(yù)應(yīng)力混凝土井字梁三種樓面布置方案進(jìn)行了比選。由于層高限制，框架梁允許高度1 500mm，主框架梁截面取500mm×1 500mm，在書架立柱對(duì)應(yīng)位置下設(shè)次梁，次梁截面300mm×1 400mm，平均每柱間設(shè)2道次梁，井字梁方案在垂直方向每柱間均布兩根相同斷面的次梁。計(jì)算出三種方案在滿載情況下的樓面變形及局部?jī)A斜如表1所示。

三種樓蓋體系的變形計(jì)算結(jié)果 表1

書庫(kù)建造后的沉降差按照總沉降差的50%估算，跨中與支座的沉降差約1.5mm。將沉降差與樓面變形疊加得到支座與跨中的總變形差，將總變形差除以跨中與支座的距離得到樓面的總傾斜，三種方案中預(yù)應(yīng)力混凝土井字梁方案的總傾斜最小，為1/1 120，滿足不大于1/1 000的工藝要求。預(yù)應(yīng)力混凝土單向梁方案在滿載時(shí)雖然也可以滿足變形要求，但書庫(kù)荷載出現(xiàn)不利分布時(shí)，如堆垛機(jī)沿垂直于次梁方向運(yùn)行等情況，相鄰次梁間的變形差大于滿載工況，因此同時(shí)采用井字梁和預(yù)應(yīng)力兩個(gè)撓度控制措施更為穩(wěn)妥。最終選定雙向預(yù)應(yīng)力井字梁為實(shí)施方案，目前書庫(kù)已正常運(yùn)行一年，效果良好。

2.2 上部結(jié)構(gòu)

建筑外圍有多處大懸挑和大跨連廊，尺度很大，外立面部分斜柱布置見(jiàn)圖4。若采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外懸部分的自重過(guò)大，傾覆問(wèn)題突出，為保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和降低施工難度，建筑外圍應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu)[3]?？紤]到結(jié)構(gòu)體系的一致性，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)或鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)[4]是可行的。

圖4 外立面扇形斜柱實(shí)景

但建筑內(nèi)部柱網(wǎng)規(guī)則，上部懸挑偏于角部，結(jié)構(gòu)傾覆和扭轉(zhuǎn)問(wèn)題比較突出。從提高抗傾覆和抗扭轉(zhuǎn)的需求考慮，內(nèi)部采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)更為有效[5]?？紤]到混凝土結(jié)構(gòu)建造和維護(hù)成本低，防火性能好，經(jīng)分析比選，最終采用了內(nèi)部鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，外圍斜柱鋼框架的混合結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖5 3層樓面和屋面結(jié)構(gòu)平面布置圖

內(nèi)部的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，抗扭轉(zhuǎn)能力強(qiáng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗震性能起控制作用，能夠?yàn)橥鈬匿摽蚣芴峁┓€(wěn)定的支點(diǎn)。外圍鋼框架結(jié)構(gòu)貼合建筑的外傾造型及幕墻網(wǎng)格，自重輕、抗側(cè)剛度小，主要解決大跨、大懸挑部位的豎向荷載傳遞，并依附于內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)上。兩種結(jié)構(gòu)體系剛?cè)嵯酀?jì)、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，很好地實(shí)現(xiàn)了建筑造型與結(jié)構(gòu)受力的統(tǒng)一。

針對(duì)樓板缺失嚴(yán)重的特點(diǎn)，在建筑周邊豎向交通核設(shè)置了6組混凝土剪力墻，保證了各區(qū)域地震力可以就近傳遞。各部位剪力墻根據(jù)整體和區(qū)域的質(zhì)量分布及剛度需求確定，四角的剪力墻較多，可有效控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，東南角大懸挑部位的剪力墻負(fù)擔(dān)最重，設(shè)置的墻體也最多，形成了完整的筒體。

東南角斜鋼柱最大截面為φ700×40，其余鋼柱為φ600×28，主要框架柱截面為800mm×800mm，東南角框架柱截面放大為1 000mm×1 000mm，并設(shè)置了700mm高型鋼加強(qiáng)。主要框架梁截面為400mm×700mm，外圍鋼框架梁截面采用H700×300×13×24。1～4層重要部位剪力墻厚400mm，5層至頂層的剪力墻厚300mm。

智能書庫(kù)位于北側(cè)的1～3層，外立面采用傾斜的現(xiàn)澆清水混凝土墻。將清水混凝土外墻作為剪力墻建模分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布均嚴(yán)重不規(guī)則，抗震性能無(wú)法滿足規(guī)范要求。經(jīng)與建筑師協(xié)商后決定，這部分墻體吊掛在外懸的封邊梁下，墻厚取150mm，墻底與樓面脫開，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)構(gòu)超限計(jì)算分析

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[6]進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)則性的判別，本工程共有如下五項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)：

1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：X向考慮偶然偏心的最大位移與層平均位移的比值最大值為1.31；2)偏心布置：2層偏心率為16%；3)樓板不連續(xù)：南北兩側(cè)樓面在3，4兩層完全斷開；4)尺寸突變：東南角屋面最大外挑26.5m；5)構(gòu)件間斷：底部?jī)蓪訛榧訌?qiáng)層，5，6層通過(guò)兩側(cè)連廊連通。結(jié)構(gòu)屬于A級(jí)高度復(fù)雜性超限的高層建筑。

3.2 抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)與措施

本工程建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及超限情況[7]，并經(jīng)過(guò)超限項(xiàng)目的抗震專項(xiàng)審查，確定本結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，為實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，初步確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的具體性能設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表2。

針對(duì)各類構(gòu)件的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用多種分

結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)的具體要求 表2

析軟件，進(jìn)行了以下分析：

(1)結(jié)構(gòu)在小震作用下的響應(yīng)，采用SATWE和MIDAS Gen兩種分析軟件，按反應(yīng)譜方法分別計(jì)算，并對(duì)主要分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以保證計(jì)算結(jié)果的一致性；再利用SATWE軟件采用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，與反應(yīng)譜方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

(2)結(jié)構(gòu)在中震作用下的響應(yīng)，采用SATWE軟件按反應(yīng)譜方法進(jìn)行彈性計(jì)算，針對(duì)具體構(gòu)件的性能化指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而滿足設(shè)定的性能目標(biāo)。

(3)結(jié)構(gòu)在大震作用下的響應(yīng)，采用SAUSAGE軟件進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)考察整體結(jié)構(gòu)的薄弱部位和彈塑性變形。

3.3 小震與中震下的彈性分析

地震分析時(shí)采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解法(CQC法)，并考慮偶然偏心的影響，小震下混凝土阻尼比取0.05，鋼材阻尼比取0.02，水平地震影響系數(shù)αmax=0.08，周期折減系數(shù)取0.8；中震下混凝土阻尼比取0.06，水平地震影響系數(shù)αmax=0.225，周期折減系數(shù)取1.0，并考慮二階效應(yīng)。

SATWE，MIDAS Gen兩種軟件對(duì)于結(jié)構(gòu)基本特性的計(jì)算結(jié)果基本一致，前三階周期的誤差也均小于5%，各方向的振型質(zhì)量參與系數(shù)也比較接近，SATWE分析得到的結(jié)構(gòu)周期為：T1=1.16s(X向平動(dòng))，T2=1.10s(Y向平動(dòng))，T3=1.04s(扭轉(zhuǎn))。T3/T1≈0.896 6，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[8](簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)對(duì)A級(jí)高度高層建筑周期比不大于0.90的要求。

小震與中震作用下結(jié)構(gòu)主要計(jì)算指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表3。小震下SATWE，MIDAS兩種軟件計(jì)算結(jié)果的基本規(guī)律一致，X,Y向地震作用下，樓層豎向構(gòu)件最大層間位移與平均層間位移之比為1.31，滿足《高規(guī)》關(guān)于最大層間位移與平均層間位移之比不大于1.4的要求。兩個(gè)方向地震作用下最大的層間位移角均小于《高規(guī)》規(guī)定的限值1/800，最小剪重比也大于規(guī)范規(guī)定的最小剪重比1.6%，且該工程無(wú)剛度突變的現(xiàn)象。

主要計(jì)算指標(biāo) 表3

中震下結(jié)構(gòu)的主要響應(yīng)指標(biāo)為：X向基底剪力是小震下的2.10倍，Y向是小震下的2.14倍。中震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/586，底部加強(qiáng)區(qū)少量墻肢最大拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土ftk=2.64MPa。設(shè)計(jì)時(shí)在這些墻肢中設(shè)置了材質(zhì)為Q345的焊接H型鋼，來(lái)承擔(dān)中震標(biāo)準(zhǔn)組合工況下的全部拉力。對(duì)于其余出現(xiàn)拉應(yīng)力但拉應(yīng)力小于ftk的墻肢，也加強(qiáng)了其邊緣構(gòu)件縱筋和墻肢豎向鋼筋的配置。

3.4 小震下的彈性時(shí)程分析

采用了5組天然地震波和2組人工波進(jìn)行小震下的彈性時(shí)程分析，地震波包括X，Y，Z三個(gè)方向，峰值加速度按照1.0(主方向):0.85(次方向):0.65(豎向)的比例輸入，有效持續(xù)時(shí)間均大于5倍結(jié)構(gòu)基本周期。各條地震波分析所得到的最大層間位移角均小于1/800。2層和屋面彈性時(shí)程分析得到的層間剪力大于反應(yīng)譜分析結(jié)果(超出比例小于15%)，施工設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這兩層結(jié)構(gòu)的地震作用進(jìn)行了放大，按反應(yīng)譜和時(shí)程分析進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，各層間剪力結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。

彈性時(shí)程分析層間剪力結(jié)果對(duì)比 表4

3.5 大震下的彈塑性分析

采用SAUSAGE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力計(jì)算分析，選用了與彈性時(shí)程分析相同的5組天然波和2組人工波，每組波峰值加速度為220gal。對(duì)結(jié)構(gòu)在各組波作用下的彈塑性分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，如表5所示。主體結(jié)構(gòu)在地震波作用下的最大彈塑性層間位移角X向?yàn)?/204，Y向?yàn)?/210，在罕遇地震下均滿足小于規(guī)范限值1/100的要求。各組地震波下首層剪重比最小值X向?yàn)?0.76%，Y向?yàn)?0.44%，屬合理范圍。

對(duì)7組波分別進(jìn)行地震主方向?yàn)閄,Y向的14個(gè)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷分析后，發(fā)現(xiàn)地震主方向?yàn)閄向時(shí)，人工波2產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷最嚴(yán)重；地震主方向?yàn)閅向時(shí)，人工波1產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷最嚴(yán)重，剪力墻損傷情況如圖6所示。

大震下主要計(jì)算指標(biāo) 表5

圖6 地震作用下剪力墻的損傷情況

結(jié)構(gòu)損傷分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重破壞，連梁在大震下?lián)p傷明顯，連梁起到了很好的耗能作用。部分剪力墻底部出現(xiàn)輕度損傷，其余剪力墻基本完好，表明通過(guò)在剪力墻上合理開洞，將剪力墻分成較短的墻肢，形成各墻肢間跨高比較大的連梁，可顯著降低墻肢在地震作用下的拉力，改善剪力墻的抗震性能。而框架及斜撐在大震作用下未出現(xiàn)明顯的損傷，表明結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的抗震薄弱部位，在罕遇地震作用下具有較高的安全儲(chǔ)備，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)能夠滿足預(yù)定的性能化目標(biāo)。

4 外圍斜柱鋼框架相關(guān)設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)超限分析結(jié)果表明，外圍斜柱鋼框架與內(nèi)部鋼筋混凝土框架-剪力墻這一混合結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定和抗震性能良好，結(jié)構(gòu)體系是成立的。但仍需對(duì)斜柱的局部抗傾覆，外圍樓面的施工與使用階段受力，斜柱鋼框架與內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)的連接等問(wèn)題采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)措施，才能夠讓項(xiàng)目安全落地。

4.1 斜柱抗傾覆設(shè)計(jì)

建筑東、南兩個(gè)方向外傾明顯，東南角斜柱與垂線夾角最大達(dá)34°，平面上最大懸挑達(dá)26.5m，斜柱抗傾覆立面示意如圖7(a)所示，斜柱傾覆問(wèn)題突出。而整體抗傾覆起主要作用的剪力墻在建筑內(nèi)部，斜柱最遠(yuǎn)端距剪力墻角點(diǎn)有38m。如何通過(guò)樓面系統(tǒng)將外圍斜柱的傾覆力矩可靠地傳遞至內(nèi)部混凝土筒[9]，是保證結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。

圖7 角部斜柱抗傾覆示意圖

斜柱地上部分的抗傾覆力在樓板平面內(nèi)產(chǎn)生了很大的水平拉力，為保證該拉力在樓面系統(tǒng)中的可靠傳遞，在樓板平面內(nèi)，外圍樓承板范圍設(shè)置沿柱子傾斜方向的鋼拉桿，內(nèi)部混凝土框架范圍內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力斜梁。如圖7(b)所示，使得水平拉力沿預(yù)應(yīng)力斜梁方向，通過(guò)混凝土框架和樓板傳至剪力墻。

斜柱地面處的抗傾覆力由地下室頂板處的水平推力提供，角柱的最大水平推力設(shè)計(jì)值為1 573kN，入口大連廊一側(cè)的斜柱水平推力最大，為2 717kN。對(duì)于角部推力較大的斜柱，沿推力方向在斜柱下方設(shè)置與地下室外墻整澆的長(zhǎng)條形混凝土柱，確保柱和墻將推力可靠傳遞至筏板，如圖8(a)，(b)所示。地下室頂板處斜柱周邊混凝土局部承壓，在柱腳周邊設(shè)置了混凝土柱帽進(jìn)行加強(qiáng)，如圖8(c)所示。

圖8 斜柱柱腳及柱帽示意圖

4.2 斜柱鋼框架施工模擬分析

斜柱鋼框架外傾，如果外圍鋼結(jié)構(gòu)與內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)施工，為保持施工期間的穩(wěn)定性，需在外傾部分設(shè)置35m高的支架，造價(jià)高且施工難度大。設(shè)計(jì)時(shí)按照先施工內(nèi)部鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，再施工外圍斜柱鋼框架，最后進(jìn)行樓承板澆注的施工順序，進(jìn)行了施工模擬分析。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工模擬分析發(fā)現(xiàn)，屋面角點(diǎn)處樓板及混凝土框架梁拉應(yīng)力較大，但擴(kuò)散至一個(gè)柱網(wǎng)外即可降低至0.4MPa左右，屋面板拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9所示。根據(jù)分析結(jié)果，在角部設(shè)置了預(yù)應(yīng)力混凝土拉梁，在混凝土邊框梁內(nèi)增設(shè)抗拉H型鋼，將混凝土板的拉應(yīng)力控制在ftk以下，至今裂縫控制效果良好。

圖9 屋面板施工模擬分析拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果/MPa

4.3 正常使用階段樓板應(yīng)力分析

在正常使用階段，斜柱與混凝土筒體間樓板受力比較復(fù)雜，對(duì)各層樓面進(jìn)行了考慮施工順序影響的應(yīng)力分析，得到正常使用階段的樓板應(yīng)力分布，其中5層樓面拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，右下角大懸挑部位樓板拉應(yīng)力最大，在豎向荷載作用下，斜柱周圍樓板拉應(yīng)力值約1.0MPa，距離斜柱較遠(yuǎn)的樓板受到比較均勻的拉應(yīng)力，應(yīng)力值約0.5MPa，遠(yuǎn)小于C40混凝土樓板的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39MPa。內(nèi)跨樓板厚度150mm，每柱跨間樓板承受的水平力約630kN，與斜柱水平分力分布基本一致。這部分樓板在雙面雙向配筋基礎(chǔ)上，增設(shè)了U形φs15.2@600的雙向預(yù)應(yīng)力鋼筋。

圖10 正常使用階段5層樓面拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果/MPa

4.4 斜柱柱腳設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目外圍的斜柱傾角和受力各不相同，柱腳處的水平推力也相差極為懸殊。大推力斜柱應(yīng)優(yōu)先保證傳力可靠，小推力斜柱傳力容易滿足，應(yīng)重點(diǎn)考慮制作的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便，因此采用了兩種形式的柱腳節(jié)點(diǎn)。

斜柱傾角較小時(shí)，柱腳主要傳遞豎向力。采用在混凝土頂面設(shè)置過(guò)渡板的做法，將各種角度的斜柱直接轉(zhuǎn)換成豎直柱，如圖11(a)所示。

圖11 斜柱腳做法及分析結(jié)果

當(dāng)斜柱傾斜角大時(shí)，懸挑距離也遠(yuǎn)，混凝土基礎(chǔ)頂面處的推力和彎矩均很大，采用傳力最直接的埋入式做法。斜柱插入基礎(chǔ)頂面2.5倍柱徑后，待柱內(nèi)軸力充分?jǐn)U散至周邊混凝土后，再轉(zhuǎn)成壁厚較薄的豎直柱落至承臺(tái)頂面，如圖11(b)所示。

采用有限元軟件對(duì)推力較大的柱腳進(jìn)行了分析，以東南角柱為例簡(jiǎn)要介紹分析結(jié)果?；炷敛捎萌S實(shí)體單元，考慮塑性損傷。鋼管與混凝土界面按照剪力完全傳遞的要求設(shè)置了焊釘，采用Tie約束近似模擬兩者的共同工作。模型底面施加三個(gè)方向位移約束以模擬基礎(chǔ)對(duì)柱的嵌固，混凝土柱頂樓板處施加水平約束以模擬地下室頂板對(duì)柱頂?shù)乃郊s束。

在設(shè)計(jì)荷載作用下，鋼管應(yīng)力最大值約79MPa。鋼管推力一側(cè)混凝土有小部分區(qū)域壓應(yīng)力達(dá)到10MPa，小于C40混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。即柱腳在設(shè)計(jì)荷載作用下，仍處于彈性階段。柱腳節(jié)點(diǎn)的承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全。

將柱子荷載增加至設(shè)計(jì)荷載的4.6倍時(shí)，柱腳節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力，混凝土和鋼管的應(yīng)力分布如圖11(c)，(d)所示。在地下室頂板和斜鋼管之間，即云圖中應(yīng)力集中的區(qū)域，混凝土損傷嚴(yán)重，主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.71MPa，表明該區(qū)域混凝土相對(duì)薄弱，采用在柱頂周邊設(shè)置混凝土柱帽進(jìn)行加強(qiáng)是有必要的。

4.5 斜柱屈曲分析

豎向荷載作用下，外圍斜柱是否會(huì)出現(xiàn)明顯的二階效應(yīng)，是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。根據(jù)前文的整體分析結(jié)果，內(nèi)部的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力遠(yuǎn)高于斜柱鋼框架，外圍斜柱鋼框架可判定為無(wú)側(cè)移框架[10]。采用MIDAS軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了屈曲分析，驗(yàn)證斜柱的穩(wěn)定性能。

取荷載標(biāo)準(zhǔn)組合為初始荷載(1.0恒載+1.0活載，為不變量)，在斜柱端施加單位力(1kN)進(jìn)行屈曲分析，求出穿層斜柱的屈曲模態(tài)，如圖12所示。

圖12 穿層斜柱的屈曲模態(tài)

斜柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ 表6

4.6 抗連續(xù)性倒塌分析

本工程采用了鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系[12]，外圍斜鋼柱是關(guān)鍵構(gòu)件，按照《高規(guī)》中的相關(guān)要求，采用拆除構(gòu)件法對(duì)轉(zhuǎn)角處受力最大的斜柱進(jìn)行了抗連續(xù)性倒塌分析，選取的關(guān)鍵桿件位置如圖13所示。

圖13 關(guān)鍵桿件位置示意圖

撤去角柱后，桿件的最大應(yīng)力比為0.879，2層結(jié)構(gòu)懸挑端最大位移為133mm，小于限值472mm(11 800/25=472mm)，結(jié)構(gòu)未發(fā)生倒塌。

撤去邊柱1后，桿件的最大應(yīng)力比為0.877，2層結(jié)構(gòu)跨中最大位移為61mm，遠(yuǎn)小于限值417mm(20 850/50=417mm)，結(jié)構(gòu)未發(fā)生倒塌。

撤去邊柱2后計(jì)算可得桿件的最大應(yīng)力比為0.916，未發(fā)生失效情況，2層結(jié)構(gòu)懸挑端最大位移為126mm，小于限值388mm(9 700/25=388mm)，5層大跨連廊部位的最大位移為125mm，也小于限值790mm(39 500/50=790mm)，結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌。此時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比接近限值，雖可滿足規(guī)范要求，但承載力儲(chǔ)備不足。因此采用表面附加偶然作用的方法對(duì)邊柱2進(jìn)行了補(bǔ)充驗(yàn)算，在邊柱2的不利方向附加80kN/m2側(cè)向偶然作用設(shè)計(jì)值后，構(gòu)件的應(yīng)力比滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

蘇州市第二圖書館上大下小的體型和復(fù)雜的內(nèi)部功能，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很高的要求，通過(guò)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)和對(duì)外圍斜柱鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于外圍造型復(fù)雜、內(nèi)部相對(duì)規(guī)則的建筑，采用內(nèi)部鋼筋混凝土框架-剪力墻、外圍鋼框架的混合結(jié)構(gòu)體系經(jīng)濟(jì)合理。

(2)作為自動(dòng)化高架倉(cāng)庫(kù)圖書儲(chǔ)存系統(tǒng)的地面，地下室頂板采用預(yù)應(yīng)力井字梁體系，在不顯著增加造價(jià)的情況下，地面的局部?jī)A斜能夠滿足不超過(guò)1/1 000的工藝要求。

(3)角部外懸的造型導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，在建筑四角設(shè)置剪力墻可有效控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，靠近懸挑部位的剪力墻還會(huì)承受外懸部位的傾覆力矩，需要進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)。

(4)斜柱鋼框架會(huì)在樓面中產(chǎn)生很大的拉力，在地面柱腳處也會(huì)產(chǎn)生很大的推力，通過(guò)在樓面中設(shè)置鋼拉桿、預(yù)應(yīng)力框架梁，在柱腳設(shè)置柱帽等措施，可有效抵抗斜柱引起的傾覆力。

(5)鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)剛度遠(yuǎn)高于斜柱鋼框架，斜柱計(jì)算長(zhǎng)度可按無(wú)側(cè)移框架取值，但角部斜柱在樓面處僅與兩道框架梁相連，且梁的夾角小于90°，角柱屈曲因子明顯小于邊柱或中柱，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)角部斜柱的穩(wěn)定性進(jìn)行專項(xiàng)分析。