黃石地質(zhì)館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

邵興宇，周 翔，陳 興，許肖卓

（中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司 武漢 430071）

1 工程概況

某項(xiàng)目用地位于黃石大冶湖生態(tài)新區(qū)核心區(qū)商業(yè)片區(qū)。項(xiàng)目總用地面積為33 691 m2，總建筑規(guī)模60 800 m2，地上建筑面積49 000 m2，地下建筑面積11 800 m2。主要由地質(zhì)館、實(shí)物資料館、科研辦公、綜合配套用房以及地下室組成。本文僅以地質(zhì)館為例進(jìn)行分析。

建筑鳥(niǎo)瞰圖如圖1 所示，地質(zhì)館建筑平面為正方形，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)72 m，寬72 m，地下1層地上5層，檐口標(biāo)高為23.60 m，頂層為42 m×33.6 m 大跨度無(wú)柱空間。地質(zhì)館典型剖面圖如圖2所示，8.650 m 標(biāo)高結(jié)構(gòu)布置圖如圖3所示。

圖1 建筑鳥(niǎo)瞰圖Fig.1 Aerial View of the Building

圖2 地質(zhì)館典型剖面圖Fig.2 Typical Section of Geological Museum

圖3 8.650 m標(biāo)高結(jié)構(gòu)布置圖Fig.3 8.650 m Elevation Structure Layout

地質(zhì)館的設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)［2］。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》［3］，本工程抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。其中，鋼框架抗震等級(jí)為四級(jí)，混凝土筒體抗震等級(jí)為三級(jí)。采用重現(xiàn)期為50 年［4］的基本風(fēng)壓和雪壓，基本風(fēng)壓取0.35 kN∕m2，雪壓取0.50 kN∕m2，地面粗糙度為B類。

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告建議，采用樁徑為800 mm旋挖成孔灌注樁，樁端持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

1.1 結(jié)構(gòu)體系及布置

地質(zhì)館地上5層，主體下部采用鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)。柱、剪力墻以及梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，鋼筋均采用熱軋鋼筋HRB400，筒體外壁厚度為400 mm，內(nèi)部為250 mm；筒體角部鋼框架柱截面為600 mm×600 mm×25 mm，鋼材采用Q345B，地質(zhì)館的整體模型如圖4所示。

圖4 地質(zhì)館整體模型Fig.4 Overall Model of Geological Museum

展廳部分采用跨層鋼桁架［5］，形成42 m×33.6 m大跨度無(wú)柱空間，鋼材采用Q345B，桁架弦桿為矩形截面1 000 mm×400 mm×20 mm×25 mm，腹桿為矩形截面400 mm×400 mm×20 mm?？鐚愉撹旒芰⒚嫒鐖D5所示。

圖5 跨層鋼桁架立面Fig.5 Elevation Span Steel Truss

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 動(dòng)力特性分析

通過(guò)模態(tài)分析，可以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)探究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性具有一定的意義。采用YJK 建立有限元模型并進(jìn)行模態(tài)分析，得到：結(jié)構(gòu)主體第一階振型如圖6?所示，T1=0.340（X方向），結(jié)構(gòu)主體第二階振型如圖6?所示，T2=0.340（Y方向），結(jié)構(gòu)主體第三階振型如圖6?所示，T3=0.270（扭轉(zhuǎn)），周期比T3∕T1=0.79＜0.85，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 年版）：GB 50011—2010》［6］要求。

圖6 結(jié)構(gòu)振型Fig.6 Structural Mode

2.2 彈塑性時(shí)程分析

地質(zhì)館因建筑功能需求，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、豎向收進(jìn)等不規(guī)則項(xiàng)。根據(jù)文獻(xiàn)［6］，當(dāng)存在多項(xiàng)不規(guī)則時(shí)屬于特別不規(guī)則建筑，應(yīng)采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法對(duì)建筑物的薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。結(jié)合建筑物的功能設(shè)定性能4作為建筑物性能目標(biāo)，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件不嚴(yán)重破壞，承載力達(dá)到極限值后基本維持穩(wěn)定，降低少于10%，同時(shí)最大層間位移角限值1∕110。

選取滿足地震動(dòng)三要素的7 條地震波（5 條天然波、2 條人工波）對(duì)地質(zhì)館進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析［7-10］，由于地震作用具有不確定性和離散性，分析著重于發(fā)現(xiàn)薄弱部位并提出相應(yīng)措施。

⑴樓層剪力分析

選取基底剪力較大的3 條地震波進(jìn)行對(duì)比分析，彈性工況和彈塑性工況各樓層剪力分別如圖7所示。

圖7 樓層剪力Fig.7 Storey Shear Curve

計(jì)算結(jié)果可以看出，各條波在彈性和彈塑性分析下的層剪力曲線變化形式一致。剪力沒(méi)有出現(xiàn)突變，彈塑性分析的剪力曲線均小于彈性分析的剪力曲線，表明結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)整體阻尼增大，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)減小。

⑵層間位移角分析

3 條地震波作用下，彈性工況和彈塑性工況各樓層層間位移角如圖8所示。

圖8 樓層層間位移角Fig.8 Direction Interstory Displacement Angle

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在各組地震波的作用下，各樓層的層間位移角沿豎向分布的分布形式基本上一致，只因地震波不同而稍有差異。頂層位移角小主要因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)屋蓋質(zhì)量較輕，樓層地震作用下剪力小，同時(shí)桁架斜腹桿為結(jié)構(gòu)提供較好的側(cè)向剛度。各樓層層間位移角均能滿足1∕110 的性能水準(zhǔn)4 的限值要求。

⑶動(dòng)力彈塑性頂點(diǎn)位移時(shí)程分析

以TRB1 為例，罕遇地震彈性時(shí)程與彈塑性時(shí)程工況下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線如圖9所示。

圖9 TRB1作用下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程Fig.9 Structure Vertex Displacement Time History under the Action of TRB1

由圖9可知：在地震波剛輸入時(shí)，彈性時(shí)程分析的位移與彈塑性時(shí)程分析的位移基本一致，曲線基本重合；隨著時(shí)間的發(fā)展，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性階段，兩者的位移時(shí)程曲線出現(xiàn)差異。塑性階段彈塑性計(jì)算的絕對(duì)位移大于彈性位移。

⑷罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件情況

以基底剪力最大的RGB2 為例，在罕遇地震作用下，首先框架梁端出現(xiàn)塑性鉸，然后剪力墻和框架柱出現(xiàn)一定損傷。剪力墻損傷以及混凝土梁和桁架構(gòu)件塑性鉸情況如圖10～圖12所示。

圖10 剪力墻應(yīng)變損傷Fig.10 Strain Damage of Shear Wall

圖11 混凝土梁彎矩鉸Fig.11 Concrete Beam Bending Moment Hinge

圖12 鋼桁架軸力鉸Fig.12 Axial Hinge of Steel Truss

由圖10～圖12 可知：罕遇地震作用下，剪力墻僅在局部劃分較小單元應(yīng)力集中處出現(xiàn)比較嚴(yán)重?fù)p壞，但僅為較少單元，對(duì)于墻體整體性能并未有影響?；炷亮憾顺霈F(xiàn)裂縫少量梁端屈服形成充分的塑性鉸；鋼桁架未出現(xiàn)塑性鉸，處于彈性狀態(tài)。

表明罕遇地震作用下，筒體承擔(dān)較大地震作用，所以出現(xiàn)一定損傷，因處于6 度區(qū)，結(jié)構(gòu)總高度不高，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體性能良好。結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足性能水準(zhǔn)4的要求。設(shè)計(jì)中將混凝土筒體厚度設(shè)置為400 mm，重點(diǎn)區(qū)域配筋率不小于0.4%，鋼筋間距不大于150 mm。

2.3 樓板應(yīng)力分析

由于本工程存在二層樓板大開(kāi)洞及屋面層跨層桁架，需對(duì)主體結(jié)構(gòu)樓板進(jìn)行溫度作用及大震作用下的受力分析。本文通過(guò)YJK 采用有限元算法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行樓板應(yīng)力分析，以保證結(jié)構(gòu)在溫度應(yīng)力及大震作用下不失效［11］，頂層樓板應(yīng)力結(jié)果圖13所示。

圖13 屋頂樓板應(yīng)力云圖Fig.13 Stress Cloud of Roof Slab

由圖13 可知：在溫度效應(yīng)和大震作用下，絕大部分樓板產(chǎn)生的應(yīng)力為-3～3 MPa之間，主要拉應(yīng)力分布均在3 MPa 以內(nèi)，而在極少部分樓板由于樓板開(kāi)洞和板面單元不規(guī)則產(chǎn)生局部應(yīng)力集中效應(yīng)，拉應(yīng)力較大。設(shè)計(jì)中樓板采用120 mm，雙層雙向配筋且單層最小配筋率不小于0.3%，鋼筋直徑不小10 mm，間距不大于150 mm。保證樓板在溫度和罕遇地震作用下的完整性。

2.4 樓板舒適度分析

大跨度樓面在人行荷載下易產(chǎn)生較大的豎向振動(dòng)，引起人的不適，本文針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行舒適度分析，用模態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)樓面混凝土彈性模量取1.3Ec，有效均布活荷載取0.3 kN∕m2，樓蓋阻尼比采用0.03。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)增加桁架弦桿與腹桿截面，提高結(jié)構(gòu)剛度。結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)自振頻率f=3.15 Hz＞3 Hz，滿足規(guī)范樓蓋結(jié)構(gòu)豎向頻率不宜小于3 Hz 要求，結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)模態(tài)如圖14所示。

圖14 樓面豎向振動(dòng)模態(tài)（Midas Gen結(jié)果）Fig.14 Vertical Floor Vibration Modes（Midas Gen Results)

采用穩(wěn)態(tài)分析方法對(duì)樓面在人行激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，考慮一人行走（荷載取值為0.7 kN）時(shí)，單足落步曲線選用Bishop 所得出的名義單足落步曲線，人行走步行頻率在1.5～2.8 Hz 之間。經(jīng)計(jì)算，樓面在人行荷載頻率下最大加速度響應(yīng)約為0.011 m∕s2（見(jiàn)圖15），小于規(guī)范對(duì)展廳的限值0.15 m∕s2，可滿足舒適度要求。

圖15 人行激勵(lì)下跨中監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)分布Fig.15 Acceleration Response Distribution of Mid-span Monitoring Points under Pedestrian Excitation

本層為陳列展覽區(qū)，舒適度計(jì)算時(shí)人員數(shù)量應(yīng)根據(jù)展廳容納觀眾人數(shù)合理限值進(jìn)行分析。將樓面的人數(shù)設(shè)置為238 人（均布）（見(jiàn)表1），人員活動(dòng)考慮為工況1 和工況2。同時(shí)考慮到部分人員可能集中于懸挑端處，設(shè)置工況3 和工況4。監(jiān)測(cè)點(diǎn)處計(jì)算結(jié)果如圖16和表2所示，均滿足規(guī)范限值，同時(shí)可以得出，當(dāng)人員較多且集中于懸挑端監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)在人行激勵(lì)下會(huì)引起較大的峰值加速度。

表1 人群荷載工況Tab.1 Load Conditions of Crowd

圖16 各工況加速度時(shí)程曲線Fig.16 Time History Curves of Acceleration under Various Working Conditions

表2 各工況峰值加速度Tab.2 Peak results of Each Working Condition（m/s2）

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)黃石地質(zhì)館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了模態(tài)分析，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析和樓板應(yīng)力分析，主要結(jié)論如下：

⑴各條波在彈性和彈塑性分析下的層剪力曲線變化形式一致，且結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)整體阻尼增大，周期變長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)減小。各條波采用彈塑性分析的剪力曲線均小于彈性分析的剪力曲線；

⑵罕遇地震作用下，彈塑性時(shí)程分析結(jié)構(gòu)層間位移角均滿足1∕110的限值要求，滿足預(yù)期的性能目標(biāo)；

⑶罕遇地震作用下，剪力墻僅在局部劃分較小單元應(yīng)力集中處出現(xiàn)比較嚴(yán)重?fù)p壞，但僅為較少單元，對(duì)于墻體整體性能并未有影響。混凝土梁梁端出現(xiàn)裂縫，少量梁端屈服形成充分的塑性鉸；鋼桁架未出現(xiàn)塑性鉸，處于彈性狀態(tài)。

⑷在溫度作用和罕遇地震作用下，絕大部分樓板應(yīng)力滿足要求，僅有極少數(shù)樓板由于樓板開(kāi)洞和板面單元不規(guī)則產(chǎn)生局部應(yīng)力集中效應(yīng)，拉應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)中樓板采用120 mm，雙層雙向配筋且單層最小配筋率不小于0.3%，鋼筋直徑不小10 mm，間距不大于150 mm，保障結(jié)構(gòu)水平力的傳遞。

⑸通過(guò)模態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析，表明結(jié)構(gòu)舒適度可以滿足規(guī)范要求。穩(wěn)態(tài)分析中人員的分布及激勵(lì)方式不同對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的峰值加速度結(jié)果會(huì)有差異，應(yīng)選取較為不利的情況進(jìn)行分析。

綜上所述，本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在大震下能滿足預(yù)期的性能目標(biāo)。