中國共產(chǎn)黨歷史展覽館結(jié)構(gòu)設(shè)計

束偉農(nóng), 陳 林, 李偉強(qiáng), 卜龍瑰

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

中國共產(chǎn)黨歷史展覽館工程主體坐落于北京奧林匹克中心文化區(qū)內(nèi)(圖1),用地西側(cè)為紀(jì)念廣場,南側(cè)為文化景觀大道,展館展示了中國共產(chǎn)黨百年奮斗史,兼具文物展藏功能,為廣大共產(chǎn)黨員提供了黨史學(xué)習(xí)的教育基地。展覽館建筑采取將展廳平面標(biāo)高逐級提升、循環(huán)向上的組織方式,寓意螺旋上升的革命道路,不斷走向新高度,造型上盡最大可能突出展覽空間。展館地上7層,建筑高度為51.5m,總建筑面積9萬m2,地下3層,深度為21m,總建筑面積約5.5萬m2,平面尺寸81m×200m,地上1～3層為基本展陳,4層為特展展廳,4層以上為多功能廳、過廳、教育用房等,地下1層為臨展展廳。地下1層、地上1層層高均為10m;地上2、3層層高均為9.0m,地上4層層高為7.0m,5～7層層高分別為4、4、4.5m。地下2、3層層高均為5.5m,柱網(wǎng)尺寸為9m×9m、9m×27m等。

圖1 建筑效果圖

主體西側(cè)為純地下室配套,埋深25.8m,共地下4層,平面尺寸65m×250m,地下2～4層功能為人防,層高為3.8m,地下1層為影院、商業(yè)等公共空間(圖2),層高為15m,含一個夾層,兩側(cè)向東延伸,主體兩側(cè)部位寬度各20m。配套面積約8.7萬m2,配套地下室頂板以上是平面尺寸為60m×250m的展覽館廣場。

圖2 地下1層主體和配套總平面圖

本工程抗震設(shè)防類別為乙類,設(shè)防烈度為8度(0.2g),Ⅲ類場地土,設(shè)計使用年限為100年。建筑±0.00m標(biāo)高高度較室外高2.5m。

2 重點(diǎn)難點(diǎn)分析

除建設(shè)周期緊、文物對抗震要求高之外,結(jié)構(gòu)還存在結(jié)構(gòu)超限[1]等重點(diǎn)、難點(diǎn):

(1)展廳層高高,樓蓋跨度大,跨度達(dá)27m,展廳自下而上層高突變較大,且建筑功能從展陳功能轉(zhuǎn)換為設(shè)備及文化教育用房,導(dǎo)致柱網(wǎng)尺寸變化大、豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換。

(2)西側(cè)序廳為90m×29m×28m(長×寬×高)的高大空間,序廳上層為尾廳,建筑功能上需要序廳和尾廳開間盡量寬、盡量高,由于場地及建筑模數(shù)等原因,建筑尺寸不能擴(kuò)大,要求相關(guān)的柱廊柱、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)等構(gòu)件厚度盡量薄、構(gòu)件高度盡量小,連接構(gòu)造又要求與建筑檐口匹配,對結(jié)構(gòu)要求苛刻。

(3)場地基底南北側(cè)土層性質(zhì)差異大,為不均勻地基,柱網(wǎng)大小跨兼存,柱底荷載差異大,地下室埋深較深,導(dǎo)致建筑差異沉降、抗浮問題較大。

針對上述特點(diǎn),分別從結(jié)構(gòu)體系、專項(xiàng)設(shè)計、分析驗(yàn)證等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 結(jié)構(gòu)體系

對于展覽館工程東側(cè)主體部分,針對工程建設(shè)周期緊、文物展藏抗震要求高、地下埋深較深等特點(diǎn),提出鋼筋混凝土框架-核心筒+隔震(方案1)、鋼筋混凝土核心筒-型鋼混凝土柱-鋼梁+隔震(方案2)、鋼框架-BRB支撐純鋼結(jié)構(gòu)(方案3)三種結(jié)構(gòu)方案,建立±0.00m標(biāo)高以上主體模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算比較(表1),其中方案1與方案2按地震作用降低一度考慮,分別從耐久性、經(jīng)濟(jì)性、施工可行性三方面進(jìn)行比較分析,得出較為適合的方案選型。

表1 三種方案計算結(jié)果對比

由表1可見,方案1混凝土方量大,結(jié)構(gòu)自重大,方案3型鋼用量大,成本高,底部剪力大,剛度小;方案2剛度較好,與方案1相比,底部剪力較小,安全性更好,且因?yàn)樽灾剌^輕,采取的隔震措施成本較少,施工便利性較好,經(jīng)濟(jì)性較方案3為優(yōu)。

三個方案相比,方案1耐久性較好,缺點(diǎn)是高大空間施工支模難度大,結(jié)構(gòu)自重大、施工工期長;方案2施工相對方便,不存在高大空間支模難度大的問題,同時由于豎向構(gòu)件主要采用混凝土墻、柱,安全性也較好;方案3施工速度快,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)防腐、防火要求、造價較高。

隔震與消能減震相比,隔震減小地震效應(yīng)效果很明顯,次生災(zāi)害小[2],大震隔震層水平塑性變形較大,較為安全;消能減震主要采用BRB支撐,底部剪力較隔震方案大,減震效果不明顯,變形大,次生災(zāi)害較大。

型鋼混凝土柱與鋼結(jié)構(gòu)鋼管混凝土柱相比,型鋼混凝土柱耐久性、防撞擊性能好,型鋼用量小,維護(hù)方便,鋼骨架與鋼梁形成框架可提前安裝從而加快結(jié)構(gòu)封頂進(jìn)度;鋼管混凝土柱不需支模,外露鋼管需要維護(hù),由于受混凝土承擔(dān)壓力比例限制,型鋼用量大。

綜上所述,方案2具有較高的安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工可行性等優(yōu)點(diǎn),為本項(xiàng)目的最終實(shí)施方案,結(jié)構(gòu)的主要平面、剖面圖如圖3～5所示。

圖3 平面圖

圖4 縱向剖面圖

圖5 橫向剖面圖

樓蓋采用150mm厚鋼筋桁架樓承板組合樓板,鋼梁上翼緣設(shè)栓釘與樓板形成組合梁。地下1層地面及以下采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓板。

展廳柱為1.2m×1.2m的型鋼混凝土柱,內(nèi)置□700×700×25×25的箱形鋼柱,展廳樓面27m大跨采用H1 600×550×30×50等截面鋼梁,鋼梁開過風(fēng)管洞,展廳橫向9m跨鋼梁高度為700mm,從大跨高梁穿過的風(fēng)管正好從橫向鋼梁下穿過,尾廳地面29m跨鋼梁采用H型鋼折梁,自地上3層夾層跨向地上4層,尾廳上方為轉(zhuǎn)換層,轉(zhuǎn)換層以上托起大廳、過廳及兩側(cè)的辦公教育用房,上部用房9m跨梁高為550mm,樓層鋼框架梁與核心筒為鉸接連接,核心筒墻厚度為500、600mm不等。主體中部為臺階過渡設(shè)置夾層展廳,相對周圍展廳產(chǎn)生了局部錯層,局部錯層四角部設(shè)置了核心筒及周圍設(shè)置型鋼混凝土柱以抵抗水平地震剪力。配套采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

4 專項(xiàng)設(shè)計

重點(diǎn)部位如基礎(chǔ)、隔震、序廳、柱廊及轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計既保證結(jié)構(gòu)安全,也要契合建筑細(xì)節(jié)。

4.1 基礎(chǔ)設(shè)計

為解決南北側(cè)地層差異、荷載差異導(dǎo)致地基不均勻沉降的問題,主體采用樁筏基礎(chǔ),配套采用筏板基礎(chǔ),抗浮樁兼做減沉降樁。

主體筏板厚度2.0m,抗壓樁樁徑800mm,樁長30m,樁端持力層為中砂⑨層,北側(cè)單樁抗壓承載力特征值取4 000kN,南側(cè)單樁抗壓承載力特征值取5 000kN。

配套筏板厚度1.0m,采用樁徑600mm的抗拔樁,兼做減沉降樁,樁長約18m,單樁抗拔承載力特征值取1 500kN。樁側(cè)樁端后注漿,采用旋挖鉆孔工藝施工。配套西側(cè)與鄰近建筑相貼,地下1層公共空間地下室外墻靠近建筑紅線,與護(hù)坡樁疊合,此處基礎(chǔ)設(shè)計采用護(hù)坡樁兼做上部地下室外墻的抗壓樁方案,護(hù)坡樁檢測要求增加按工程樁標(biāo)準(zhǔn)。

通過差異沉降分析判斷總沉降量、筏板變形、主體與配套差異沉降計算值與《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[3]規(guī)定是否相符。采用PLAXIS3D軟件進(jìn)行沉降計算分析,考慮抗壓與抗浮工況下變形差異,見表2,沉降計算結(jié)果云圖見圖6。結(jié)果表明,采用的基礎(chǔ)形式滿足地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范要求。

表2 差異沉降分析結(jié)果

圖6 沉降計算結(jié)果/mm

4.2 隔震設(shè)計

本工程非隔震結(jié)構(gòu)模型自振周期與場地周期接近,在地震作用下將產(chǎn)生較大的地震響應(yīng),采用隔震技術(shù)可大幅延長結(jié)構(gòu)周期,大大減小加速度響應(yīng),所以隔震技術(shù)較適合本工程。

4.2.1 隔震部位選擇

隔震部位選擇綜合考慮造價、功能布局因素[4-6]。將主體隔震部位設(shè)置于地下2層柱頂(圖7),斷開柱及核心筒等豎向構(gòu)件,于頂部設(shè)置隔震支座,結(jié)構(gòu)主體放置在支座上。這種層間隔震方式保證了地下1層至地上4層展廳的完整性,柱頂層間隔震也避免了設(shè)置隔震層,減小了結(jié)構(gòu)埋深,滿足了建筑功能需求,不利之處在于支承隔震支座的豎向構(gòu)件為懸臂柱或懸臂核心筒,懸臂構(gòu)件需要滿足支座大震時的水平剪力及支座變形之后對其產(chǎn)生的偏心力作用。

圖7 地下2層柱頂層間隔震

4.2.2 隔震支座布置及分析

隔震支座布置需要滿足豎向承載力、減震目標(biāo)需求以及盡量避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)[7]。需要上部結(jié)構(gòu)及隔震支座布置力求均勻?qū)ΨQ。

采用彈性滑板支座承載大噸位柱壓力。本工程展廳大跨柱壓力最大達(dá)26 060kN,常用的橡膠支座承載力最大為21 190kN,不足以承擔(dān)柱壓力,而若柱頂采用雙支座將導(dǎo)致支撐柱截面過大,影響建筑功能。經(jīng)考察,2018年直徑1.5m的彈性滑板支座允許承載力達(dá)44 150kN,本工程可以采用,缺少的水平剛度則通過在附近的核心筒底部布置相應(yīng)的橡膠支座解決。

采用彈性滑板支座以滿足小直徑支座柱頂?shù)拇笳鹱冃螀f(xié)調(diào)。為減少地下1層展廳地面結(jié)構(gòu)跨度,在梁下設(shè)柱,由于該柱只承擔(dān)本層荷載,壓力小,采用小直徑的橡膠支座又不滿足隔震部位大震變形要求,而滑板支座的允許滑移量大,該部位可以采用較小直徑滑板支座。

綜上所述,主要采用了直徑1、1.2、1.5m的隔震橡膠支座及鉛芯橡膠支座,在受力較小位置采用直徑0.4m的彈性滑板支座,受力最大處采用直徑1.5m的彈性滑板支座。在周圈核心筒附近設(shè)置1 200kN阻尼器控制隔震部位在大震下的支座位移,圖8為隔震支座布置圖。

圖8 隔震支座布置圖

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[7]第12.2.2條的規(guī)定,采用時程分析方法進(jìn)行隔震設(shè)計相關(guān)的計算分析,地震波按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時程,其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3,多組時程的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符,地震波反應(yīng)譜對比見圖9。采用MIDAS軟件進(jìn)行分析[8],分析模型包括地下室混凝土結(jié)構(gòu)、隔震裝置以及上部結(jié)構(gòu),隔震裝置考慮為非線性特性,上部結(jié)構(gòu)考慮為彈性。分析結(jié)果表明,和隔震前模型對比,隔震后模型周期大幅延長。

圖9 地震波反應(yīng)譜對比圖

中震作用下,最大減震系數(shù)為0.354,隔震目標(biāo)定為上部結(jié)構(gòu)降低一度設(shè)計,即地震作用及構(gòu)造措施均由8度(0.2g)降至7度(0.1g)進(jìn)行設(shè)計。

4.2.3 隔震設(shè)計構(gòu)造

本工程隔震構(gòu)造不同于常規(guī)的做法是除了考慮將柱斷開,還要考慮將核心筒剪力墻、貼外墻的汽車坡道等都要斷開。

(1)核心筒斷開隔震構(gòu)造見圖10。核心筒隔震縫上下設(shè)置封閉圈梁安裝隔震支座,電梯筒在隔震縫以下部位采用鋼筒吊掛在上核心筒保障電梯運(yùn)行,下部核心筒寬出一段距離以滿足鋼筒安裝及地震效應(yīng)產(chǎn)生的變形,簡化了核心筒的隔震構(gòu)造。對于貼外墻汽車坡道,見圖11,與隔震主體分開歸為“靜的部分”,便于隔震縫設(shè)置及隔震構(gòu)造,坡道與主體斷開部位需要設(shè)置支撐,從不影響建筑功能方面考慮,自附近柱底位置設(shè)置斜柱支撐坡道斷開處,斜柱頂與外墻附壁柱由框架梁連接形成斜柱框架以類似拱架的受力方式支撐上部坡道,同時斜柱框架與上部坡道形成整體抵抗外墻土側(cè)壓力,將“動的部分”與“靜的部分”清晰劃分開。

圖10 核心筒隔震構(gòu)造

圖11 外墻坡道隔震構(gòu)造

(2)主體結(jié)構(gòu)與二次結(jié)構(gòu)、機(jī)電附屬結(jié)構(gòu)的隔震縫寬度有所區(qū)別:主體結(jié)構(gòu)及市政水管等按大震標(biāo)準(zhǔn)、幕墻隔墻變形縫按小震標(biāo)準(zhǔn)、電梯吊掛鋼筒適應(yīng)中震變形。

4.3 柱廊及上部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計

建筑外立面采用傳統(tǒng)柱廊式布局,四角為厚實(shí)的墻面,之間為柱廊,東西立面柱廊各14根柱,南北立面柱廊各6根柱,柱間隔9m,柱廊凈寬2.1m,內(nèi)側(cè)為展廳和過廳外玻璃幕墻,柱廊高度28m,柱廊頂上層對應(yīng)為2.8m寬室外長廊庭院,庭院外側(cè)柱廊柱變?yōu)檩^小直徑的鋼柱向上延伸至37.5m再變截面至38.85m支撐3.55m高的外檐口,外檐口頂標(biāo)高40.3m,庭院內(nèi)側(cè)上層往內(nèi)3.6m周圈為兩層高頂冠,頂冠檐口高度49m,頂冠之上內(nèi)側(cè)為大廳、過廳及設(shè)備區(qū)屋頂,屋面高度為54m。

4.3.1 結(jié)構(gòu)布置

外立面造型豐富,結(jié)構(gòu)隨之逐級內(nèi)收,分別于柱廊柱頂、長廊庭院頂、屋頂周圈設(shè)鋼柱。鋼柱由轉(zhuǎn)換層空腹桁架轉(zhuǎn)換,空腹桁架局部設(shè)斜撐,其他轉(zhuǎn)換還包括上部結(jié)構(gòu)加密柱、大廳兩側(cè)支撐大跨屋蓋柱及尾廳大臺階頂部二次轉(zhuǎn)換,見圖12、13。上部空間增加的柱或斜腹桿均遵循建筑模數(shù)布置在軸線或剪力墻處,大幅減小了上部結(jié)構(gòu)梁高。隔震技術(shù)大幅降低了地震作用,優(yōu)化了抗震構(gòu)造措施,轉(zhuǎn)換層可以通過適當(dāng)加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件壁厚、減小外輪廓尺寸進(jìn)行優(yōu)化,獲得凈空。

圖13 尾廳、上層轉(zhuǎn)換層局部空間模型

序廳頂采用H型鋼折梁,自地上3層夾層跨向地上層,梁高1.6m,跨度29m,柱廊柱頂部橫向與鋼折梁剛接,縱向在柱廊上層采用通高縱向桁架將柱廊柱連接起來,保證了柱廊柱兩個方向穩(wěn)定,縱向桁架同時也作為上層橫向轉(zhuǎn)換桁架的支撐,上層轉(zhuǎn)換桁架另一端則支撐于展廳樓面鋼梁或框架柱上。

柱廊柱采用1.5m直徑的型鋼混凝土柱,以滿足穩(wěn)定需求[9],柱廊柱上方尾廳范圍縮小為0.9m直徑的偏心鋼管柱,作為縱向桁架豎腹桿,縱向桁架隨柱偏心,空腹轉(zhuǎn)換桁架高度為整層高度,局部設(shè)斜撐,轉(zhuǎn)換桁架下弦桿采用800mm高箱形截面。

4.3.2 節(jié)點(diǎn)分析

因?yàn)橥饬⒚婕爸壬蠈觾?nèi)部庭院空間需求,柱廊頂縱向桁架厚度允許為900mm,且與下層柱廊柱偏心外皮齊平,柱頂節(jié)點(diǎn)既要保證桁架與柱廊柱固接,同時也要滿足支撐轉(zhuǎn)換桁架的受力。柱廊柱頭節(jié)點(diǎn)分析模型及應(yīng)力分析結(jié)果見圖14。從圖14可知,除計算加載點(diǎn)因應(yīng)力集中為392MPa,節(jié)點(diǎn)范圍最大應(yīng)力約300MPa,小于Q355鋼材強(qiáng)度值325MPa,滿足節(jié)點(diǎn)受力要求。

圖14 柱廊柱頭節(jié)點(diǎn)分析模型及應(yīng)力分析結(jié)果/MPa

4.4 序廳幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

幕墻結(jié)構(gòu)一般作為荷載作用在主體結(jié)構(gòu)上,其邊界與主體為鉸接。本工程由于建筑尺寸不能過大,為獲得盡量多的序廳凈寬度,對序廳90m×28m(寬×高)幕墻面的結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行壓縮,使結(jié)構(gòu)豎龍骨厚度為600mm,截面尺寸為300mm×600mm,從而序廳獲得24m的結(jié)構(gòu)凈寬。

為滿足28m高幕墻結(jié)構(gòu)的受力需求,采取以下措施:

(1)將結(jié)構(gòu)豎龍骨柱腳與首層地面鋼梁固接,加強(qiáng)龍骨平面外嵌固剛度,減小龍骨平面外長細(xì)比。龍骨頂部仍由主體鋼梁提供垂直于幕墻面的水平向連桿約束。幕墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)見圖15。

圖15 幕墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)圖

(2)沿豎向間距2.5m布置橫向龍骨(圖16),橫向龍骨與豎龍骨固接,貼在豎龍骨外側(cè),橫向龍骨截面采用150mm×200mm(高×寬),橫龍骨對豎龍骨平面外位移起到一定幫助作用。

(3)各層橫向龍骨承擔(dān)相等幕墻玻璃重量,壓力沿豎龍骨高度方向均勻分布,改變了在頂部集中加載的荷載作用形式,有利于柱穩(wěn)定。

(4)通過上述方法,使豎龍骨在幕墻壓力作用下第一階失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為沿龍骨強(qiáng)軸方向失穩(wěn)(圖17),從而達(dá)到截面充分利用。

(5)考慮第一階失穩(wěn)模態(tài)作為初始缺陷計算幕墻豎龍骨的臨界力,其特征值為17.3。再通過隔震技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)化龍骨的抗震構(gòu)造等級,提高了龍骨允許長細(xì)比[10],使龍骨截面輪廓和受力安全均達(dá)到較優(yōu)狀態(tài)。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目針對文物抗震要求高、結(jié)構(gòu)超長特點(diǎn),經(jīng)過方案比較,采用隔震技術(shù)方案,通過詳細(xì)分析比較,合理布置了隔震支座,保證了結(jié)構(gòu)安全,滿足了建筑功能。采用了與建筑結(jié)合較為緊密的空腹桁架、高梁等轉(zhuǎn)換方式,并采用隔震技術(shù),實(shí)現(xiàn)建筑功能轉(zhuǎn)換。采用樁基礎(chǔ)方案,解決了主樓南北地層差異大的問題。采用抗浮樁兼做減沉降樁,滿足了主體和配套之間的地基變形協(xié)調(diào)。