孫 珂, 江 洋, 楊 勇, 耿海霞, 劉廷鍇, 賀 陽, 季林濤

(1 北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045；2 北京城市副中心投資建設集團有限公司，北京 101100)

1 工程概況

路縣故城遺址保護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范圍內。經各方論證后,遺址及考古現(xiàn)場在建筑范圍內整體保留,作為原址展示區(qū)域,該項目設計及施工均需考慮對遺址區(qū)域的保護。項目總建筑面積約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),運營管理用房地下2層,建筑效果圖見圖1。

本項目建筑方案以“小而精、小而美、小而巧”為基本設計原則,為達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。同時遺址區(qū)域采取的保護措施為原址保護,屋頂保留覆土屋面的形式,形成室內的遺址展廳,覆土屋面跨度最大約為32m,如圖2所示。

2 結構選型及設計重難點

博物館與運營用房通過設置變形縫脫開。主樓建筑結構安全等級為一級,結構設計基準期為50年,結構重要性系數(shù)為1.1,抗震設防類別為重點設防類,抗震設防烈度為8度,設計基本加速度值為0.20g,設計地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅲ類,特征周期Tg為0.55s[1],結構阻尼比0.04。

根據地勘報告[2],項目場區(qū)現(xiàn)狀地面下20m深度范圍內土層會發(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。本項目為重點設防類項目(乙類),根據《建筑結構抗震規(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對基礎及上部結構進行加強。

2.1 結構選型

博物館結構最大長度約120m,本身未設置永久性變形縫。博物館地下室部分采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構,現(xiàn)澆主次梁樓板體系?？紤]裝配式要求,地上結構以鋼框架為主,采用Q355C/B鋼;鋼材厚度不小于40mm時,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構,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)結構,上部為行人空間,需要同時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。博物館結構形式如圖3～6所示。

圖3 結構剖面示意圖

圖4 首層結構模型

圖5 首層結構平面圖

如圖6所示,為了滿足建筑通透效果,2層結構北側大部分區(qū)域不設置豎向構件,僅南側設置框架柱。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層結構模型

根據地勘報告[2],擬建場區(qū)歷史最高水位相對標高為-4.2m,基底相對標高為-11.1m,抗浮水位對地下室將產生較大浮力。基礎采用樁基礎,樁基抗拔兼作抗壓。

2.2 結構設計重難點

2.2.1 “三斷”式結構

遺址區(qū)域按文物保護要求需原址保護,無法設置底板,因此形成本項目的“第一斷”——基礎不連續(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,水平構件無法拉通,形成本項目的“第二斷”——水平構件不連續(xù),出現(xiàn)躍層懸挑柱。首層頂通廊懸挑最大約12m,基本結構單元如圖8所示。為了保證北側通透,首層柱無法伸至2層,形成本項目的“第三斷”——單側長懸挑。南側懸挑構件無平衡段,僅靠南側懸挑柱平衡,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的原因,結構主體整體性較差,剛度偏弱,需從基礎至主體結構進行分析及加強。

2.2.2 大跨度覆土屋面及其穩(wěn)定性

因2層僅南側設置柱,結構冗余度較低,且存在部分躍層懸臂柱,需考慮結構的二階效應,該類結構自身穩(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,為提高經濟性及安全性,采用結構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 整體計算分析及解決措施

博物館高度為12m,雖不屬于超限高層項目,但是結構存在較多不規(guī)則項,針對本項目“三斷式”結構特點,對結構進行整體抗震、性能化設計分析,對結構基礎、結構穩(wěn)定性及樓蓋舒適度進行分析。

3.1 整體抗震性能分析

采用基于不同力學模型的分析軟件SATWE、MIDAS Gen進行對比校正,如圖12所示。經過多輪論證,首層已置于覆土以下,整體結構按地下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,構件承載力計算包絡嵌固在地下1層頂板情況,主要整體計算結果對比如表1所示。由表可得,兩個軟件的分析結果接近,均滿足規(guī)范相關要求。

表1 結構指標兩種軟件分析結果對比

圖12 整體分析模型

根據抗規(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)進行補充多遇地震時程分析,時程分析波見圖13。時程分析與反應譜分析底部剪力比值如表2所示,取其包絡值進行設計。

表2 時程分析與反應譜分析底部剪力比值

圖13 時程分析波

3.2 構件性能化設計

考慮到結構單側長懸挑的冗余度低,并為了提高結構抗震承載力、變形能力[5-6],對2層關鍵構件及與其相連構件進行中震和大震性能目標設計,見表3。經分析,按抗規(guī)要求在均考慮豎向地震作用的情況下,關鍵構件滿足性能目標需求。采用的相關加強措施有:首層頂板按嵌固端加強水平樓板配筋并增大樓板厚度;加強與躍層懸挑柱相連的地下1層頂梁板構造鋼筋。

表3 關鍵構件性能目標

3.3 基礎方面

基礎設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,且原址處基礎不連續(xù),整體剛度差,故采用樁基礎。樁基伸入液化土層深度以下,且考慮樁周土層液化時引起樁側負摩阻力的影響。樁基抗拔兼作抗壓,控制基礎沉降差的同時消除地基輕微液化影響。

3.4 結構穩(wěn)定性及樓蓋舒適度

采用MIDAS Gen進行穩(wěn)定性分析,保證關鍵構件及關鍵區(qū)域安全性,見第4.1、4.2節(jié)。采用MIDAS Gen進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 重難點分析

4.1 躍層懸挑柱穩(wěn)定分析

表4 躍層懸挑柱相關參數(shù)

圖14 躍層單側柱第一階屈曲模態(tài)

由表4可得:1)躍層懸挑柱弱軸的計算長度系數(shù)2.365與懸挑構件的長度系數(shù)2接近;2)最不利躍層懸挑柱長細比為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,遠大于1.0,可認為該柱不會發(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的板單元來進行復核及穩(wěn)定性分析?！皻v史之眼”結構模型見圖15。

圖15 “歷史之眼”結構模型

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度。

圖16 殼體一階彈性內力云圖

對“歷史之眼”的穩(wěn)定性及二階性能進行分析[8]。圖17為殼體二階屈曲模態(tài)及內力重分配圖。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)及內力重分配圖

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

圖18 “歷史之眼”應力及變形云圖

綜上,該單層殼體結構受力以受壓為主,存在一定程度的二階效應,二階效應主要影響殼體根部的彎矩分布。“歷史之眼”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)進行板配筋設計。

4.3 結構撓度控制

因篇幅原因,僅對2層鋼結構撓度進行介紹。圖19為2層鋼結構考慮性能目標包絡下的應力此結果,圖20為在1.0恒載+1.0活載下,2層鋼結構的撓度結果。由圖19、20可見,構件應力比均在0.8以下,需重點關注鋼結構樓蓋的變形:2層二次懸挑處為最不利點,撓度約為338.5mm。本項目最不利點按300mm起拱,標準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《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)要求。

圖19 2層鋼結構應力比云圖

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《建筑樓蓋振動舒適度技術標準》(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 懸挑不利振動點處豎向加速度

5 結論

本工程結構設計重點解決“三斷”式結構的抗震性能及穩(wěn)定性。針對該類結構有以下建議:

(1)對于單側受力構件,冗余度低,接近靜定結構。通過對構件進行性能化設計來確保安全性;針對本項目特點,構件性能目標設定為設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)單側懸挑且水平構件不連續(xù)時,要重點關注其穩(wěn)定分析及構造要求,建議通過有限元軟件進行穩(wěn)定屈曲分析。

(3)當建筑主體建設范圍內存在原址保護,同時存在液化土層或軟土震陷的情況時,采用樁基礎可兼顧沉降控制和液化處理。

(4)大跨、大懸挑結構剛度較弱,需采用有限元模型驗算結構樓蓋的舒適度。