紹興大禹紀(jì)念館結(jié)構(gòu)設(shè)計

丁子文, 沈澤平, 何立宏, 陳 旭, 張 杰, 肖志斌,2

(1 浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，杭州 310028；2 浙江大學(xué)平衡建筑研究中心，杭州 310028)

1 工程概況

1.1 總體設(shè)計概況

紹興大禹陵景區(qū)(公祭典禮)提升項目建設(shè)內(nèi)容主要包括大禹紀(jì)念館、大禹研究院、游客中心、欞星門牌樓、十二文化柱、祭禹廣場擴(kuò)建等,其中大禹紀(jì)念館是景區(qū)內(nèi)體量最大的新建單體建筑。紀(jì)念館坐落于浙江省紹興市會稽山麓,總建筑面積27 913m2,地上兩層,一層層高6m,二層層高6.15m,建筑面積4 898m2;地下一層,層高8.9m,建筑面積23 015m2。紀(jì)念館整體造型似鼎,中央上方為圓形穹頂,整個建筑基座為方形,寓意天圓地方。建筑比較貼近自然,為了保護(hù)景區(qū)風(fēng)貌,特意壓縮地面建筑體量,承載主要功能的展廳均設(shè)置于地下,設(shè)計將建筑隱于山水之間,又將山水融入建筑之中,建成后實景照片見圖1。

圖1 大禹紀(jì)念館實景照片

紹興市越城區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計基本地震加速度值為0.05g,設(shè)計地震分組為第一組,場地土特征周期為0.35s。紀(jì)念館抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類［1］,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年(耐久性年限100年),建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級,地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級?；撅L(fēng)壓值取0.45kN/m2(50年重現(xiàn)期),地面粗糙度類別為B類。基本雪壓值取0.45kN/m2(50年重現(xiàn)期),地區(qū)月平均氣溫最低-4℃,最高38℃［2］。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)特點與難點

紀(jì)念館地下室為八邊形,周長約550m,徑向?qū)挾?61m,層高8.9m,設(shè)置了四個主展廳,主要柱跨為15、18、21m,其上為覆土頂板(平均覆土厚度0.9m)。地上塔樓平面呈方形,二層邊長56m,屋頂邊長60m。由建筑平面(圖2(a))可知,能布置豎向構(gòu)件的地方就在建筑外圍四邊中間非角部位置,而根據(jù)建筑剖面(圖2(b)),建筑中央是直徑20m穹頂(不落地),四個角均出挑,這樣形成了四邊受力、中間大跨、角部挑空的結(jié)構(gòu)特點。從設(shè)計尺度上來說,建筑四個立面外傾14°(圖3),四角懸挑14m,結(jié)構(gòu)可利用建筑周邊樓梯間和設(shè)備井道這八個邊筒布置豎向承重構(gòu)件,中央穹頂落于地下室頂板圓形大洞口周邊,此處無豎向構(gòu)件,需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。建筑方案呈現(xiàn)鼎躍之勢、平衡之態(tài)、對稱之美,結(jié)構(gòu)則是懸挑受力、傾斜承重、上下錯位。

圖2 塔樓建筑平面與剖面示意圖

圖3 塔樓傾斜立面實景照片

由于地下展廳跨度大、層高較高,為避免高大支模架,同時盡量減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面高度,地下室采用鋼框架+鋼筋桁架樓承板現(xiàn)澆混凝土樓板的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)合建筑平面功能布局,在塔樓四邊的豎向交通核附近布置剪力墻,剪力墻沿樓梯間形成筒體,筒體呈均勻分散、對稱布置,能顯著增強(qiáng)“立面外傾、角部懸挑”塔樓的抗傾覆和抗扭能力,結(jié)構(gòu)模型見圖4。塔樓采用鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻體系,利用二層外立面整層高度,在塔樓四個邊角對稱布置八榀懸挑14m的鋼桁架,與懸挑桁架相連的剪力墻端部埋置型鋼,桁架的弦桿伸進(jìn)剪力墻內(nèi),形成SRC柱和SRC梁,其余樓面普通鋼梁與混凝土剪力墻則采用鉸接連接。中央穹頂采用單層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),在地下室頂板圓形大洞口周邊布置四榀跨度29m轉(zhuǎn)換桁架支承穹頂,桁架為上部網(wǎng)殼提供必需的邊緣約束條件,桁架腹桿間隙可走設(shè)備管線,以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身高度對建筑凈高的影響。

圖4 塔樓結(jié)構(gòu)模型圖

2 單層超深地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 排水減壓抗浮設(shè)計

根據(jù)場地地形圖和巖土工程詳細(xì)勘察報告,場地為低山-丘陵區(qū)邊緣地帶,地勢起伏局部較大,勘探期間地面絕對標(biāo)高在3.80～18.35m之間(1985黃海高程,簡稱黃海高程),場地地形復(fù)雜,總體上呈東北低、其余側(cè)較高,北側(cè)有一條禹陵江經(jīng)過(圖5)。本項目±0.000m處標(biāo)高相當(dāng)于黃海高程為17.00m,地下室底板面(建筑完成面)黃海高程為8.10m,禹陵江100年一遇洪水位為黃海高程5.29m。建筑雖然位于山坡上,但建成后周圍被山體和景觀堆坡環(huán)繞,主要展陳空間位于地下,柱網(wǎng)跨度大,單層地下室層高達(dá)8.9m,基礎(chǔ)埋深較深,抗浮問題須慎重考慮,有以下兩種抗浮方案可供選擇。

圖5 景觀總平面圖

方案一,根據(jù)勘察報告初步提供的設(shè)計參數(shù),抗浮設(shè)防水位按建成后室外地坪設(shè)計標(biāo)高下0.5m取值。由于地下室層埋深和柱網(wǎng)跨度大,抗拔樁滿布。設(shè)計采用大直徑機(jī)械成孔灌注樁,以中風(fēng)化砂巖為樁端持力層,工程樁為抗壓樁兼抗拔樁。由于基巖面起伏很大,實際樁長變化較大,導(dǎo)致樁長較短區(qū)域樁位更加密集,項目工期緊。

方案二,考慮到地下室東北側(cè)景觀堆坡為局部人造地形,東側(cè)和北側(cè)各有一個地下室出入口直通室外,且兩出口距離禹陵江較近,為在地下室周邊布置疏水通道創(chuàng)造有利條件。在設(shè)計提議下,建設(shè)方組織了設(shè)計、勘察、施工單位,并邀請了巖土、設(shè)計專家進(jìn)行抗浮水位取值專項論證,提出以下疏導(dǎo)地下水降低抗浮水位的措施,即排水減壓抗浮方案,主要意見如下:1)采取可靠措施,確保建成后正常使用年限內(nèi)地下室外墻周圍排水通暢;2)地下室外側(cè)景觀堆坡,在設(shè)防抗浮水位標(biāo)高以下的回填土材料應(yīng)采用高透水性材料;3)抗拔樁的抗拔承載力特征值計算時可考慮樁身自重,建議適當(dāng)增加抗拔樁入巖深度;4)建成后的室外場地標(biāo)高存在較大高差,可考慮水力坡降;在確保地下室外墻周圍排水通暢前提下,建議平均抗浮設(shè)防水位可取黃海高程13.500m。

由以上意見可知,降低抗浮水位的關(guān)鍵在于排水,根據(jù)建筑物周邊情況,對本項目可能產(chǎn)生影響的“水源”主要來自三個方面,場地外山體水、場地內(nèi)地表水以及地下水滲流。本項目地下室體量較大,改變了原有場地局部地形,首先由建設(shè)方組織相關(guān)單位對場地周邊山體坡腳處截洪溝進(jìn)行專項設(shè)計與施工,確保項目建成后場地外山體泄洪通道順暢。在場地內(nèi),結(jié)合景觀設(shè)計,利用地形高差有序組織地表排水,使大氣降水迅速有效排入市政管網(wǎng)。在地下室外墻周圍的地表以下,布置盲溝和水位檢查井,地下室東側(cè)至北側(cè)景觀堆坡在黃海高程13.500m以下的回填土材料采用高透水性材料,合理疏導(dǎo)坡地地下水排入附近禹陵江?？垢∷唤档秃?地下室抗拔樁數(shù)量大為減少,相比方案一,總樁數(shù)減少約35%,樁基總工程量減少約18%,增加了室外排水盲溝,考慮盲溝建設(shè)成本及后期檢修、維護(hù)(費用約5 500元/m,總長約770m),盲溝建設(shè)及運維的綜合造價約占樁基總工程造價的8%。經(jīng)綜合比較,采用排水減壓方案降低了工程造價,節(jié)約了工期,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。樁基方案對比和室外盲溝做法見圖6～8。

圖6 樁基方案對比圖

圖7 室外盲溝平面示意圖

圖8 室外盲溝詳圖/mm

2.2 扶壁檔墻設(shè)計

地下室層高達(dá)到8.9m,相當(dāng)于普通民用建筑兩層地下室的高度。地下室外墻受到的水、土壓力較大,從而使得外墻內(nèi)力較大,尤其是外墻根部彎矩巨大。地下室南側(cè)局部區(qū)域因建筑功能需要設(shè)置的下沉庭院上部敞開,外墻受力問題尤為突出。綜合考慮本工程實際情況,地下室擋土墻均采用扶壁式擋土墻。扶壁式擋土墻由墻面板、墻趾板、墻踵板及沿墻長方向每隔一定距離設(shè)置的扶壁組成。扶壁把墻面板和墻踵板連接起來,提高了結(jié)構(gòu)的剛度和整體性。地下室有頂板區(qū)域通過設(shè)置扶壁柱,外墻受力為三邊固支頂邊簡支;下沉庭院區(qū)域?qū)⒎霰谥臑槿切畏霰?外墻受力為三邊固支頂邊自由,扶壁所在一側(cè)均為迎土側(cè)(圖9)。

圖9 下沉庭院扶壁擋墻示意圖

本工程采用嵌巖樁基,基礎(chǔ)沉降很小,外墻底部基礎(chǔ)承臺厚度為墻厚的2～3倍,墻根可按嵌固考慮。采用YJK軟件對地下室擋土墻進(jìn)行有限元分析,墻板和扶壁均按殼單元模擬。選取了兩種典型擋土墻的簡化模型,一種為下沉庭院擋土墻(墻頂自由),另一種為有頂板地下室外墻,主要分析結(jié)果見圖10。下沉庭院處,墻面板厚700mm,扶壁為厚800mm的三角形,底長4.8m,扶壁間距6m。有頂板地下室外墻,墻面板厚600～700mm,扶壁為厚800mm的階梯形,底長2.4m,扶壁間距6～9m。下沉庭院處三角形扶壁擋墻,最大位移發(fā)生在墻板跨中,約0.84mm,最大主拉應(yīng)力1.60MPa。有頂板處階梯形扶壁擋墻,最大位移發(fā)生在墻板跨中,約1.33mm,最大主拉應(yīng)力2.23MPa。

圖10 扶壁擋墻有限元分析結(jié)果

為抵抗扶壁底部的巨大彎矩,在扶壁處垂直外墻方向設(shè)置了抗壓兼抗拔的樁基并加大了沿扶壁擋墻相鄰區(qū)域的底板厚度及配筋［3］。

2.3 地下室頂板設(shè)計

紀(jì)念館地下主展廳無柱空間平面尺寸為21.2m×37.5m,該區(qū)域?qū)俅罂缍瓤蚣埽?］,頂板上方尚有0.9m厚種植覆土荷載。地下室頂板跨度大、荷載重,樓蓋可采用的結(jié)構(gòu)方案有:鋼筋混凝土空心樓蓋、型鋼混凝土樓蓋、鋼梁+混凝土樓板組合樓蓋。經(jīng)初步比較,鋼筋混凝土空心樓蓋和型鋼混凝土樓蓋的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于鋼梁+混凝土樓板組合樓蓋,但都需要復(fù)雜模板體系和滿堂腳手架支撐,施工周期較長,并且型鋼混凝土梁柱節(jié)點連接構(gòu)造復(fù)雜,施工難度大,空心樓蓋較少用于種植頂板,一旦滲漏則補(bǔ)救困難。由于地下室面積大,頂板采用鋼梁+混凝土樓板組合樓蓋具有較大的工期優(yōu)勢,鋼柱、鋼梁、鋼桁架均在工廠制作、現(xiàn)場拼裝,施工方便快捷,利于質(zhì)量控制。因項目工期緊,綜合考慮工期、造價、可實施性等因素,并與建設(shè)單位協(xié)商一致后,設(shè)計選用的頂板樓蓋形式為鋼梁+混凝土樓板組合樓蓋。鋼構(gòu)件材質(zhì)選用Q355B,除混凝土筒體角部暗柱鋼骨采用焊接H形鋼外,地下鋼柱主要采用焊接箱形鋼,鋼柱截面為□600×600×25×25、□700×700×30×30、□800×800×35×35。地下室鋼梁采用焊接H形鋼或熱軋型鋼,主展廳鋼梁均沿短跨(跨度21.2m)方向單向布置,截面高度統(tǒng)一取1 200mm,其余鋼梁截面高度取500～900mm不等。結(jié)合建筑平面布局,將地下室邊跨設(shè)置為較小柱跨,鋼梁與地下室外墻、塔樓剪力墻采用鉸接連接,合理簡化連接構(gòu)造,降低施工難度。

地下室頂板大洞口邊的轉(zhuǎn)換桁架跨度29.2m,高度2.6m,上下弦和腹桿均采用焊接H形鋼,弦桿截面高、寬分別取700、400mm,腹桿截面高、寬均取400mm。四榀鋼桁架平面位置與圓形洞口相切,以圓心為中心對稱布置,每榀桁架兩端與一字形鋼板組合剪力墻連接,共計八片組合墻。組合墻截面尺寸為800mm×3 400mm,分三個腔體,內(nèi)填混凝土,外包鋼板厚35mm,水平鋼構(gòu)件與組合墻采用栓焊連接,穹頂?shù)鬃D(zhuǎn)換桁架見圖11,塔樓范圍內(nèi)頂板布置見圖12。

圖11 穹頂?shù)鬃?±0.000層)轉(zhuǎn)換桁架實景照片

圖12 塔樓±0.000mm層結(jié)構(gòu)平面布置圖

由于地下室頂板在塔樓中庭和地下室周邊下沉庭院共存在四處較大的開洞(圖13),水平地震作用傳遞路徑不明確,故對頂板嵌固作用進(jìn)行了補(bǔ)充分析。計算時不考慮地下室外墻外側(cè)回填土約束,對水平地震作用下的樓層位移角進(jìn)行對比分析,地下一層的位移角約為地上一層位移角的1/6,可見頂板嵌固作用依然較強(qiáng)。設(shè)計時計算嵌固端取基礎(chǔ)頂面,地下室頂板仍滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)關(guān)于嵌固部位的構(gòu)造要求,對塔樓及相關(guān)范圍的頂板,板厚室內(nèi)取180mm,室外取250mm,板配筋均按雙層雙向拉通配置,且最小配筋率按0.25%控制。

2.4 鋼柱腳優(yōu)化設(shè)計

本工程鋼柱腳直接落在地下室底板上,頂板雖然開了較多洞口,但其“嵌固”效應(yīng)依然明顯,鋼柱大部分水平力由頂板傳遞至地下室外墻,不利工況組合下的最大柱底彎矩、剪力均較小,并綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及施工可操作性,選用了外露式柱腳。外露式柱腳設(shè)計時,根據(jù)罕遇地震工況組合下的柱底最不利內(nèi)力確定柱腳螺栓、柱腳底板厚度、加勁肋尺寸。將地下室底板標(biāo)高適當(dāng)降低并在上方設(shè)置了500mm厚的建筑面層,避免了柱腳外露加勁肋影響地下室房間內(nèi)部功能,室內(nèi)回填土增加了配重以抵抗部分水浮力,典型柱腳做法見圖14。

圖14 典型柱腳詳圖

3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 塔樓結(jié)構(gòu)選型與分析

紀(jì)念館地上塔樓的四個立面外傾14°,四角懸挑14m,對于四面傾斜的外立面,簡單的做法是結(jié)構(gòu)上下垂直,裝飾構(gòu)件外挑,但不符合建筑師的方案立意,無法體現(xiàn)空間秩序和結(jié)構(gòu)邏輯的統(tǒng)一,同時也將犧牲建筑內(nèi)部較多可用空間。結(jié)構(gòu)直接采用面外傾斜的剪力墻作為主要豎向承重構(gòu)件,剪力墻沿樓梯間形成筒體,以加強(qiáng)其整體性和抗傾覆能力。對于塔樓四角大懸挑,初步設(shè)計時曾試算鋼梁懸挑或空腹桁架方案,但整體剛度較差,構(gòu)件截面巨大且很難滿足舒適度驗算要求。設(shè)計最終選用平面外傾斜布置的鋼桁架懸挑,契合建筑外立面,在塔樓的每個邊角布置兩榀端部垂直相交的鋼桁架。懸挑桁架高度同二層層高,上弦桿和下弦桿均采用焊接箱形鋼,截面為□1 000×400×20×20,腹桿采用焊接H形鋼,截面為H400×450×30×30。鋼桁架面內(nèi)剛度大,弦桿采用箱形截面則可提高面外抗扭剛度,同時兩榀桁架在懸挑外端垂直相交共用端腹桿,互為面外支撐,進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)整體抗扭能力。

塔樓結(jié)構(gòu)體系確定為鋼框架-鋼筋混凝土剪力墻,選用YJK-A和MIDAS Gen兩款軟件,采用振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)對整體模型進(jìn)行計算分析,兩款不同力學(xué)模型的空間結(jié)構(gòu)分析軟件計算結(jié)果大致相近,結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、前三階振型及周期、基底剪力、傾覆力矩等指標(biāo)差別在5%以內(nèi)?？烧J(rèn)為YJK-A模型及計算結(jié)果合理有效,計算模型符合結(jié)構(gòu)實際工作狀況,計算結(jié)果可作為工程設(shè)計的依據(jù)。后續(xù)中震性能分析,豎向地震補(bǔ)充分析等均采用YJK-A模型進(jìn)行計算。根據(jù)建筑平面布置和立面造型需要,二層和屋頂層的鋼梁采用不同布置方式,見圖15。

圖15 二層及屋頂層結(jié)構(gòu)平面圖

3.2 穹頂網(wǎng)殼計算分析

穹頂位于塔樓正中央,地下室頂板圓形大洞口上方,其形似缶,開口朝下,底口直徑20m,頂部開有直徑5.2m的玻璃天窗。從地下室地面到穹頂天窗,總高度為25.6m。鋼網(wǎng)殼支承于地下室頂板轉(zhuǎn)換桁架邊的弧形鋼梁上,網(wǎng)殼內(nèi)、外表面均裝飾銅質(zhì)浮雕,為適當(dāng)增大網(wǎng)殼面外剛度,沿徑向布置六列斜撐,并在側(cè)面局部開口周邊進(jìn)行加強(qiáng)。穹頂網(wǎng)殼的主要桿件截面為□250×250×12×12和□220×220×8×8,材質(zhì)為Q355B。由于支承浮雕的龍骨需要直接與殼體桿件焊接,考慮到桿件內(nèi)不易設(shè)置加勁板,故加大了穹頂桿件截面尺寸,也為后期裝修荷載的可變性預(yù)留了條件。

網(wǎng)殼自重較大,且整體高跨比大于常規(guī)網(wǎng)殼,部分桿件的受力形式更接近于柱單元,對其進(jìn)行了屈曲分析。分析時根據(jù)網(wǎng)殼第一階模態(tài)進(jìn)行初始缺陷的調(diào)整,并考慮在1.0恒載+1.0活載的工況下進(jìn)行加載,得到其第一階屈曲模態(tài)特征值為43.89(圖16)。

圖16 網(wǎng)殼第一階屈曲模態(tài)

對網(wǎng)殼進(jìn)行全跨活載及半跨活載作用下的位移-荷載非線性屈曲分析。分析得到,在1.0恒載+1.0活載工況下,全跨活載作用下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)K=43.9(圖17(a)),半跨活載作用下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)K=44.3(圖17(b)),滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)［5］的要求,具有較高的安全冗余度。

圖17 全跨及半跨活載非線性屈曲分析

3.3 施工模擬分析

紀(jì)念館地上建筑的四個角均懸挑14m,受現(xiàn)場施工條件的限制,考慮按照以下順序進(jìn)行施工:1)角部兩邊桁架先進(jìn)行組裝,并在桁架端部設(shè)置臨時支撐;2)內(nèi)部次梁安裝完畢后,釋放臨時支撐完成結(jié)構(gòu)第一次變形;3)鋪設(shè)鋼筋桁架樓承板并澆筑混凝土。若按照一次性安裝并澆筑樓板,考慮到樓板與桁架之間的變形不協(xié)調(diào),樓板的實際應(yīng)力增大,會低估弦桿實際所受到的內(nèi)力。重力荷載作用下一次性加載和施工模擬分析構(gòu)件內(nèi)力計算結(jié)果對比見表1。

表1 一次性加載和施工模擬分析構(gòu)件內(nèi)力對比

由表1可以看出,考慮施工模擬分析后,腹桿實際內(nèi)力變化不大,弦桿實際軸力相對一次性加載結(jié)果增加較大,增加約109.1%。但樓板實際應(yīng)力相對一次性加載結(jié)果降低約45.8%。按計劃的施工順序進(jìn)行施工,可以保證在主構(gòu)件安全的前提下,大幅度地降低樓板應(yīng)力。

3.4 懸挑桁架防倒塌分析

由于建筑四角存在大懸挑,且面外傾斜的懸挑桁架受力復(fù)雜,參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)［6］第3.12條,對懸挑桁架進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析。塔樓平面每個角設(shè)有兩榀尺寸相同且正交的鋼桁架,采用對稱和非對稱拆除桁架的斜腹桿和豎腹桿以驗算結(jié)構(gòu)冗余度,分析得到的最不利工況見表2,懸挑桁架位置示意見圖4。

表2 桁架拆除桿件最不利工況

分析表2可以看出,當(dāng)一榀桁架作用完全失效時,另一榀桁架根部斜腹桿受力最為不利,腹桿最大剪應(yīng)力值接近抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;當(dāng)兩榀桁架根部斜桿均拆除時,弦桿受力最不利,此時弦桿最大正應(yīng)力值為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的1.16倍,但未超過鋼材抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的1.25倍,滿足驗算要求?？梢?四角懸挑結(jié)構(gòu)具有較高的冗余度和安全性。

3.5 樓蓋舒適度分析

大跨懸挑區(qū)樓板的舒適度問題也是需要重點關(guān)注的內(nèi)容［7-9］。根據(jù)《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)［10］的要求,對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,混凝土的彈性模量按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)的規(guī)定數(shù)值放大1.35倍,有效均布荷載取0.5kN/m2,阻尼比取0.02。取桁架上下兩層為整體進(jìn)行模態(tài)分析,得到結(jié)構(gòu)第一階振型(圖18)頻率為5.554Hz,滿足大于規(guī)范限值3Hz的要求。

圖18 大跨懸挑區(qū)樓板一階模態(tài)

根據(jù)《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)對該區(qū)域樓板按照單人行走激勵計算樓蓋的振動響應(yīng)。根據(jù)樓板模態(tài)分析的情況,將行走激勵荷載加載至樓板正中(圖19中A點)進(jìn)行有限元分析,得到樓板在該激勵下的豎向振動峰值加速度為30mm/s2(圖20),滿足規(guī)范不大于150mm/s2的要求。

圖19 單人行走激勵加載位置

圖20 單人行走激勵下的豎向振動模態(tài)/(mm/s2)

根據(jù)紀(jì)念館實際使用情況,模擬非同頻下多人行走激勵的情況計算樓蓋的振動響應(yīng)。多人隨機(jī)分布于樓板上(圖21),進(jìn)行有限元分析,得到樓板在多人行走激勵下的豎向振動峰值加速度為34mm/s2(圖22),滿足規(guī)范不大于150mm/s2的要求。

圖21 多人行走激勵加載位置

圖22 多人行走激勵下的豎向振動模態(tài)/(mm/s2)

4 結(jié)論

(1)根據(jù)“立面外傾、角部懸挑”的方案特點,利用建筑平面周邊樓梯間和設(shè)備井道設(shè)置八個面外傾斜的混凝土邊筒作為主要的豎向承重和水平抗側(cè)力構(gòu)件,利用二層整層高度在建筑外立面四個角設(shè)置八榀面外傾斜的鋼桁架懸挑,結(jié)構(gòu)布置契合了建筑造型,體現(xiàn)了空間秩序性和結(jié)構(gòu)邏輯性的統(tǒng)一。

(2)針對單層超深地下室抗浮問題,召開抗浮水位取值專家論證會,采用排水減壓抗浮方案能降低工程造價、節(jié)約工期,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。針對地下室外墻擋土問題,采用扶壁擋墻能提高外墻面外剛度、控制結(jié)構(gòu)變形,分別對下層庭院外墻采用三角形扶壁、普通外墻采用階梯形扶壁,使結(jié)構(gòu)受力更加合理。

(3)采用鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桁架和懸挑桁架,解決了中央穹頂周邊無柱和主體結(jié)構(gòu)四角大懸挑的復(fù)雜受力問題。剛度較大的轉(zhuǎn)換桁架為上部網(wǎng)殼提供了必需的邊緣約束條件,四角懸挑桁架互為支承,具有較高的安全冗余度。

(4)雖然建筑形體對稱、結(jié)構(gòu)整體上受力平衡,但存在大懸挑和面外傾斜,須密切關(guān)注建造過程中的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化,進(jìn)行施工模擬分析和施工現(xiàn)場監(jiān)測,確保結(jié)構(gòu)安全。