路縣故城遺址保護(hù)展示工程
——“三斷”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

孫 珂, 江 洋, 楊 勇, 耿海霞, 劉廷鍇, 賀 陽, 季林濤

(1 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045；2 北京城市副中心投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 101100)

1 工程概況

路縣故城遺址保護(hù)展示工程位于北京市通州區(qū)路縣故城考古遺址公園保護(hù)范圍內(nèi)。經(jīng)各方論證后,遺址及考古現(xiàn)場在建筑范圍內(nèi)整體保留,作為原址展示區(qū)域,該項(xiàng)目設(shè)計(jì)及施工均需考慮對遺址區(qū)域的保護(hù)。項(xiàng)目總建筑面積約20 000m2,其中地上建筑面積8 500m2,地下建筑面積約12 000m2。建筑高度12m,包含博物館和運(yùn)營管理用房兩部分。博物館地上2層(首層層高9m,2層層高6.5m)、地下1層(層高5.5m),運(yùn)營管理用房地下2層,建筑效果圖見圖1。

本項(xiàng)目建筑方案以“小而精、小而美、小而巧”為基本設(shè)計(jì)原則,為達(dá)到與公園場地融為一體的效果,將大部分功能置于覆土之下,僅最小體量的地上2層(一字展廊)置于覆土以上。同時(shí)遺址區(qū)域采取的保護(hù)措施為原址保護(hù),屋頂保留覆土屋面的形式,形成室內(nèi)的遺址展廳,覆土屋面跨度最大約為32m,如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

博物館與運(yùn)營用房通過設(shè)置變形縫脫開。主樓建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1,抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類,抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本加速度值為0.20g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅲ類,特征周期Tg為0.55s[1],結(jié)構(gòu)阻尼比0.04。

根據(jù)地勘報(bào)告[2],項(xiàng)目場區(qū)現(xiàn)狀地面下20m深度范圍內(nèi)土層會發(fā)生地震液化,液化指數(shù)為0.24～5.86,綜合判定其液化等級為輕微。本項(xiàng)目為重點(diǎn)設(shè)防類項(xiàng)目(乙類),根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》(GB 50011—2010)[1](簡稱抗規(guī))要求,需采取措施部分消除液化沉陷或?qū)A(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

2.1 結(jié)構(gòu)選型

博物館結(jié)構(gòu)最大長度約120m,本身未設(shè)置永久性變形縫。博物館地下室部分采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),現(xiàn)澆主次梁樓板體系?？紤]裝配式要求,地上結(jié)構(gòu)以鋼框架為主,采用Q355C/B鋼;鋼材厚度不小于40mm時(shí),采用Q345GJ鋼,考慮鋼材的Z向性能[3]。

由于博物館首層置于覆土之下,首層整體采用鋼框架結(jié)構(gòu),外圍擋土墻處采用現(xiàn)澆混凝土,樓蓋大部分采用鋼筋桁架樓承板,“歷史之眼”等特殊造型處采用現(xiàn)澆混凝土單層拱殼。首層大部分為大跨度(最大跨度約32m)及長懸挑(最大懸挑約12m)結(jié)構(gòu),上部為行人空間,需要同時(shí)滿足承載力和舒適度要求。首層通廊鋼梁典型截面為H(1 500～800)×500×28×35;遺址展廳屋面采用箱形鋼梁,截面為□(1 500～1 150)×500×28×65;其余展廳屋面為鋼桁架,典型鋼桁架高度1 800mm。博物館結(jié)構(gòu)形式如圖3～6所示。

圖3 結(jié)構(gòu)剖面示意圖

圖4 首層結(jié)構(gòu)模型

圖5 首層結(jié)構(gòu)平面圖

如圖6所示,為了滿足建筑通透效果,2層結(jié)構(gòu)北側(cè)大部分區(qū)域不設(shè)置豎向構(gòu)件,僅南側(cè)設(shè)置框架柱。2層梁懸挑最大長度約17m,典型鋼梁截面為H(1 500～800)×500×28×35,典型鋼管混凝土柱[4]截面為箱形,截面為□1 000×1 400×40×40。

圖6 2層結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)地勘報(bào)告[2],擬建場區(qū)歷史最高水位相對標(biāo)高為-4.2m,基底相對標(biāo)高為-11.1m,抗浮水位對地下室將產(chǎn)生較大浮力?；A(chǔ)采用樁基礎(chǔ),樁基抗拔兼作抗壓。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

2.2.1 “三斷”式結(jié)構(gòu)

遺址區(qū)域按文物保護(hù)要求需原址保護(hù),無法設(shè)置底板,因此形成本項(xiàng)目的“第一斷”——基礎(chǔ)不連續(xù),如圖7所示。

圖7 “第一斷”區(qū)域

如圖3所示,首層頂通廊區(qū)域因長扶梯及建筑效果,水平構(gòu)件無法拉通,形成本項(xiàng)目的“第二斷”——水平構(gòu)件不連續(xù),出現(xiàn)躍層懸挑柱。首層頂通廊懸挑最大約12m,基本結(jié)構(gòu)單元如圖8所示。為了保證北側(cè)通透,首層柱無法伸至2層,形成本項(xiàng)目的“第三斷”——單側(cè)長懸挑。南側(cè)懸挑構(gòu)件無平衡段,僅靠南側(cè)懸挑柱平衡,基本受力單元如圖9所示。

圖8 首層“第二斷”區(qū)域示意

圖9 2層“第三斷”區(qū)域示意

綜上,因建筑效果及遺址原址保護(hù)的原因,結(jié)構(gòu)主體整體性較差,剛度偏弱,需從基礎(chǔ)至主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及加強(qiáng)。

2.2.2 大跨度覆土屋面及其穩(wěn)定性

因2層僅南側(cè)設(shè)置柱,結(jié)構(gòu)冗余度較低,且存在部分躍層懸臂柱,需考慮結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng),該類結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性分析是重中之重。

首層“歷史之眼”處,由于造型及凈高要求,采用現(xiàn)澆單層混凝土拱殼,跨度約26m,如圖10所示。屋面上覆種植土,需確保構(gòu)件具有可靠的穩(wěn)定性。

圖10 “歷史之眼”現(xiàn)澆單層混凝土拱殼

首層大跨度屋面均為覆土種植屋面,荷載大,為提高經(jīng)濟(jì)性及安全性,采用結(jié)構(gòu)找坡控制屋面覆土厚度約700mm,如圖11所示。保證種植屋面需求的同時(shí)相較平屋頂減少鋼材用量約150t。

圖11 首層屋面找坡

3 整體計(jì)算分析及解決措施

博物館高度為12m,雖不屬于超限高層項(xiàng)目,但是結(jié)構(gòu)存在較多不規(guī)則項(xiàng),針對本項(xiàng)目“三斷式”結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體抗震、性能化設(shè)計(jì)分析,對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及樓蓋舒適度進(jìn)行分析。

3.1 整體抗震性能分析

采用基于不同力學(xué)模型的分析軟件SATWE、MIDAS Gen進(jìn)行對比校正,如圖12所示。經(jīng)過多輪論證,首層已置于覆土以下,整體結(jié)構(gòu)按地下2層、地上1層分析,2層與首層剛度差別大,首層頂為嵌固端,考慮首層頂板樓板開洞情況,構(gòu)件承載力計(jì)算包絡(luò)嵌固在地下1層頂板情況,主要整體計(jì)算結(jié)果對比如表1所示。由表可得,兩個(gè)軟件的分析結(jié)果接近,均滿足規(guī)范相關(guān)要求。

表1 結(jié)構(gòu)指標(biāo)兩種軟件分析結(jié)果對比

圖12 整體分析模型

根據(jù)抗規(guī)5.1.2條,選取1組人工波(RH3TG055)和2組天然波(天然波1:BIGBEAR-01_NO_932和天然波2:CHI-CHI, TAIWAN-02 _NO_2203)進(jìn)行補(bǔ)充多遇地震時(shí)程分析,時(shí)程分析波見圖13。時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析底部剪力比值如表2所示,取其包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表2 時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析底部剪力比值

圖13 時(shí)程分析波

3.2 構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)

考慮到結(jié)構(gòu)單側(cè)長懸挑的冗余度低,并為了提高結(jié)構(gòu)抗震承載力、變形能力[5-6],對2層關(guān)鍵構(gòu)件及與其相連構(gòu)件進(jìn)行中震和大震性能目標(biāo)設(shè)計(jì),見表3。經(jīng)分析,按抗規(guī)要求在均考慮豎向地震作用的情況下,關(guān)鍵構(gòu)件滿足性能目標(biāo)需求。采用的相關(guān)加強(qiáng)措施有:首層頂板按嵌固端加強(qiáng)水平樓板配筋并增大樓板厚度;加強(qiáng)與躍層懸挑柱相連的地下1層頂梁板構(gòu)造鋼筋。

表3 關(guān)鍵構(gòu)件性能目標(biāo)

3.3 基礎(chǔ)方面

基礎(chǔ)設(shè)置需考慮下列因素的綜合影響:地基輕微液化,豎向荷載集中,文保要求不得使用擠密式地基處理方式等,且原址處基礎(chǔ)不連續(xù),整體剛度差,故采用樁基礎(chǔ)。樁基伸入液化土層深度以下,且考慮樁周土層液化時(shí)引起樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響。樁基抗拔兼作抗壓,控制基礎(chǔ)沉降差的同時(shí)消除地基輕微液化影響。

3.4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及樓蓋舒適度

采用MIDAS Gen進(jìn)行穩(wěn)定性分析,保證關(guān)鍵構(gòu)件及關(guān)鍵區(qū)域安全性,見第4.1、4.2節(jié)。采用MIDAS Gen進(jìn)行首層頂樓蓋舒適度分析,確保滿足正常使用的舒適度,見第4.3、4.4節(jié)。

4 重難點(diǎn)分析

4.1 躍層懸挑柱穩(wěn)定分析

表4 躍層懸挑柱相關(guān)參數(shù)

圖14 躍層單側(cè)柱第一階屈曲模態(tài)

由表4可得:1)躍層懸挑柱弱軸的計(jì)算長度系數(shù)2.365與懸挑構(gòu)件的長度系數(shù)2接近;2)最不利躍層懸挑柱長細(xì)比為70,小于鋼管混凝土柱的限值80,滿足規(guī)范要求;3)單排柱屈曲臨界荷載系數(shù)為203.6,遠(yuǎn)大于1.0,可認(rèn)為該柱不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4.2 現(xiàn)澆單層混凝土拱殼穩(wěn)定分析

“歷史之眼”的現(xiàn)澆單層混凝土拱殼的穩(wěn)定性及配筋通過SATWE和MIDAS Gen來進(jìn)行對比分析。SATWE整體模型通過彈性板6模擬殼體,分析其受力及抗震性能,采用MIDAS Gen的板單元來進(jìn)行復(fù)核及穩(wěn)定性分析?！皻v史之眼”結(jié)構(gòu)模型見圖15。

圖15 “歷史之眼”結(jié)構(gòu)模型

如圖10所示,殼體厚度從中間最薄處400mm過渡到根部最厚處1 200mm。上部覆土厚度控制在300～700mm,最厚處覆土位于殼體根部。圖16為殼體一階彈性內(nèi)力云圖,由圖可得:殼體空間剛度大,受力以受壓為主,僅根部彎矩較大,該殼體可充分利用混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖16 殼體一階彈性內(nèi)力云圖

對“歷史之眼”的穩(wěn)定性及二階性能進(jìn)行分析[8]。圖17為殼體二階屈曲模態(tài)及內(nèi)力重分配圖。由圖可得,拱形殼體的整體屈曲為第5模態(tài),屈曲臨界荷載系數(shù)λ=56.1,表現(xiàn)為曲面板凹凸變形。較高的屈曲臨界荷載系數(shù)表明“歷史之眼”具有良好的整體剛度和穩(wěn)定性能?？紤]二階效應(yīng)的殼體彎矩幅值變化不大,可依此來校正殼體根部配筋。

圖17 二階屈曲模態(tài)及內(nèi)力重分配圖

圖18為“歷史之眼”考慮二階效應(yīng)的應(yīng)力及變形云圖。由圖16～18可得,殼體受力變形主要以受壓為主。同時(shí)經(jīng)計(jì)算,使用MIDAS Gen與SATWE軟件計(jì)算的殼體在恒載下最大豎向撓度相差不超過3%,計(jì)算結(jié)果可靠且滿足規(guī)范要求。

圖18 “歷史之眼”應(yīng)力及變形云圖

綜上,該單層殼體結(jié)構(gòu)受力以受壓為主,存在一定程度的二階效應(yīng),二階效應(yīng)主要影響殼體根部的彎矩分布?！皻v史之眼”可利用整體SATWE模型及MIDAS Gen有限元模型,按壓彎和拉彎受力狀態(tài)進(jìn)行板配筋設(shè)計(jì)。

4.3 結(jié)構(gòu)撓度控制

因篇幅原因,僅對2層鋼結(jié)構(gòu)撓度進(jìn)行介紹。圖19為2層鋼結(jié)構(gòu)考慮性能目標(biāo)包絡(luò)下的應(yīng)力此結(jié)果,圖20為在1.0恒載+1.0活載下,2層鋼結(jié)構(gòu)的撓度結(jié)果。由圖19、20可見,構(gòu)件應(yīng)力比均在0.8以下,需重點(diǎn)關(guān)注鋼結(jié)構(gòu)樓蓋的變形:2層二次懸挑處為最不利點(diǎn),撓度約為338.5mm。本項(xiàng)目最不利點(diǎn)按300mm起拱,標(biāo)準(zhǔn)組合下變形減去起拱值后,撓度為38.5mm,小于限值L/400=100mm;1.0活載下?lián)隙葹?3mm,小于限值L/500=80mm,可滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)要求。

圖19 2層鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比云圖

圖20 1.0恒載+1.0活載下?lián)隙仍茍D/mm

4.4 首層樓蓋舒適度分析

本項(xiàng)目首層頂存在較多長懸挑、大跨區(qū)域,首層樓蓋一階頻率示意圖如圖21所示,首層頂懸挑端豎向振動頻率小于規(guī)范[9-10]建議值3Hz。根據(jù)《建筑樓蓋振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)[9],樓蓋舒適度采用控制豎向加速度的方法,加速度限值為0.15m/s2。

圖21 首層樓蓋一階頻率示意圖

圖22 懸挑不利振動點(diǎn)處豎向加速度

5 結(jié)論

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決“三斷”式結(jié)構(gòu)的抗震性能及穩(wěn)定性。針對該類結(jié)構(gòu)有以下建議:

(1)對于單側(cè)受力構(gòu)件,冗余度低,接近靜定結(jié)構(gòu)。通過對構(gòu)件進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)來確保安全性;針對本項(xiàng)目特點(diǎn),構(gòu)件性能目標(biāo)設(shè)定為設(shè)防地震下抗彎抗剪彈性、罕遇地震下抗彎抗剪不屈服,且均需考慮豎向地震作用。

(2)單側(cè)懸挑且水平構(gòu)件不連續(xù)時(shí),要重點(diǎn)關(guān)注其穩(wěn)定分析及構(gòu)造要求,建議通過有限元軟件進(jìn)行穩(wěn)定屈曲分析。

(3)當(dāng)建筑主體建設(shè)范圍內(nèi)存在原址保護(hù),同時(shí)存在液化土層或軟土震陷的情況時(shí),采用樁基礎(chǔ)可兼顧沉降控制和液化處理。

(4)大跨、大懸挑結(jié)構(gòu)剛度較弱,需采用有限元模型驗(yàn)算結(jié)構(gòu)樓蓋的舒適度。