昆明規劃館結構設計概述

王建峰 陳 露 虞終軍

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092)

1 工程概況

昆明規劃館位于昆明市環湖東路與云秀路交叉口東南的寶豐濕地內,總建筑面積約3.63萬m2,其中地上約2.69萬m2,地下室約0.94萬m2。昆明規劃館建筑高度24.00 m,地上四層,主要功能為規劃展示、學術交流、會議接待、科普教育等,地下一層,主要功能為車庫及機電用房等(圖1)。

本工程采用隔震框架結構體系,隔震層位置設置在地下室底板與基礎之間。隔震層層高2.1 m,地下室層高6.3 m,地上部分層高分別為6 m、6 m、6 m及4.5 m,地上結構長約90 m、寬約90 m。

本工程設計使用年限50年,根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[1],建筑抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度值為0.20g,本工程設計地震分組為第三組,場地類別為Ⅲ類,特征周期0.45 s。根據《建筑工程抗震設防分類標準》(GB 50223—2008)[2],工程抗震設防類別為乙類。本項目按要求計算水平地震作用和豎向地震作用。

圖1 建筑鳥瞰圖Fig.1 Overview of building

2 結構選型及布置

2.1 結構方案比選

本項目外形規則,在滿足建筑造型、立面和內部功能布置的前提下,通過合理分析建筑構成,充分利用建筑空間創造的結構布置的條件,采用合適的結構形式,合理布置豎向構件,達到建筑、結構的統一。本工程地上部分典型的建筑平剖面如圖2-圖4所示,本項目建筑外形及內部功能布置簡潔,規律性較強,建筑內部由環繞建筑的展廳及少量辦公用房、樓梯、設備房間、上下通透的共享空間等組成,并由三縱三橫的走道將各功能區緊密聯系起來。結合上述分析及本項目的建筑造型特點,結構主抗側力體系采用建筑造型、功能適應性強、結構受力合理、經濟性較強的框架結構。

圖2 典型樓層功能分布圖Fig.2 Functional arrangement of typical floor

圖3 建筑東西向剖面圖Fig.3 East-west profile of building

為更好地滿足建筑功能的要求,根據建筑上述特點,進行豎向構件的布置。緊密結合多展廳、大空間的建筑布局,地上結構設置了16宮格形柱網,主要柱網為16 m,部分大空間柱網39 m,內部主要為截面700 mm的方柱,外圍為截面1 000 mm的方柱,滿足建筑功能、外觀要求,實現建筑結構有機統一的結構布置。地下部分主要功能為車庫及機電用房,為減小地下室層高,地下室部分在不影響建筑功能的基礎上,對地上柱網進行加密,布置了邊長500 mm的框架柱。二層結構平面布置見圖5。

圖4 建筑南北向剖面圖Fig.4 South-north profile of building

圖5 二層結構平面布置圖Fig.5 Structural plan layout of second floor

因本項目處于8度區三類場地,地震作用效應較大,且層高較大,方案階段對采用不經隔震的框架結構,框架-剪力墻結構進行了計算,均不能很好地滿足建筑功能和效果要求。

(1) 若采用不經隔震的框架結構,經過計算,由于主要框架間距較大,框架柱截面將普遍大于1.3 m,且地震反應較大,同時較大的框架柱截面對內部功能布置、視覺效果產生不利影響。

(2) 若采用不經隔震的框架-剪力墻結構,在上述柱網布置的基礎上,在樓梯間、內部固定隔墻等位置增加剪力墻,可控制內部主要柱截面700 mm×700 mm,但因建筑外圍大空間導致柱距較大,扭轉明顯,需增加外圍剛度,因而需在建筑外圍布置剪力墻,將對建筑立面和內部大空間造成一定影響。且計算結果顯示,墻肢在不利的小震組合下普遍出現較大的小偏心受拉,對抗震不利。

為滿足建筑對于空間效果和使用的要求,同時減小地震作用,本工程考慮采用隔震技術[3-4],將隔震層設置在基礎底板上方。經計算,隔震后框架結構地震作用減小顯著,在滿足建筑需求的同時,增加了結構抗震安全性。隔震支座布置見圖6。

圖6 隔震支座平面布置圖Fig.6 Layout of rubber bearings

2.2 平面布置

本工程地下一層外圍布置混凝土墻,控制結構扭轉效應,使質心及剛心盡量重合。地上部分采用純框架,因功能需求,建筑平面存在大開洞及大跨度區域,因此,對洞邊梁及樓板采取增大截面及配筋等加強措施[5]。二層及以上樓層的展廳邊梁因布置懸挑樓板存在較大扭矩,設計中在框架梁內布置型鋼,同時加大、加密抗扭縱筋及箍筋,以滿足規范要求。本工程結構設計采用的主要截面見表1。

表1本工程結構主要截面

Table 1 Main section of this project mm

3 隔震設計要點

3.1 隔震層位置的選擇

隔震層的位置不僅涉及結構專業,對建筑、設備專業也有較大影響。因此,對隔震層的位置進行了比選。

本工程地下一層設置車庫、設備用房及下沉式展廳,地上的主要功能均為大空間展廳等用房。對于隔震層的位置,可將隔震層設置在一層或地下室底板位置。若將隔震層設置在一層,建筑及設備專業將受到很大影響:隔震層上下的結構在地震作用下各方向將產生位移差,為防止碰撞,建筑功能布置需考慮結構的位移,電梯、樓梯、下掛基坑、設備管井等周邊都必須預留水平自由移動空間,造成建筑功能布置困難,有效使用面積將減小,設備的豎向連接也將更復雜。另外由于建筑底板標高更低,汽車坡道將更長,占用更多面積。

綜合考慮各專業因素,確定隔震層位置設置在地下室底板面,有利于建筑功能和設備管井布置,節約建筑面積,效果顯著。

3.2 隔震支座布置

隔震層的設計是本工程的難點之一,其中隔震支座的布置是關鍵。本工程選用了兩種類型的隔震支座,分別是天然橡膠支座及鉛芯橡膠支座,隔震支座見圖7、圖8。

圖7 隔震支座示意圖Fig.7 Illustration of isolation bearing support

本工程采用的橡膠隔震支座,在選擇其直徑、個數和平面布置時,主要考慮了以下因素:

圖8 隔震支座實物圖Fig.8 Isolation bearing support

(1) 根據《建筑抗震設計規范》(以下簡稱《抗規》)[1]12.2.3條,同一隔震層內各個橡膠隔震支座的豎向壓應力宜均勻,豎向平均應力不應超過限值12 MPa。

(2) 在罕遇地震作用下,隔震支座不宜出現拉應力,當少數隔震支座出現拉應力時,其拉應力不應大于1 MPa。

(3) 隔震支座的水平位移限值不應超過其有效直徑的0.55倍和各橡膠層總厚度3倍二者的較小值。

(4) 采用隔震的結構,風荷載產生的總水平力不超過結構總重力的10%。

(5) 橡膠支座均為S-A類支座,第一形狀系數不小于15.0,第二形狀系數不應小于5.0。

根據框架柱底的重力荷載代表值,結合規范對于層間位移角、扭轉位移比等指標進行支座的布置及選擇。初步確定采用直徑為600～900 mm的普通橡膠支座(LNR)及鉛芯橡膠支座(LRB)。經計算,支座偏心率X向為0.13%,Y向為0.57%,支座側向剛度分布均勻,各層扭轉位移比小于1.2,滿足規范要求,支座平面布置合理。隔震支座力學性能參數見表3、表4。

3.3 隔震支座壓應力驗算

經驗算,各個隔震支座在重力荷載代表值作用下的壓應力見圖9,由圖可知,支座壓應力均小于12 MPa,支座有足夠的安全儲備。

3.4 隔震結構抗風驗算

根據《抗規》[1]12.1.3條,采用隔震的結構風荷載產生的總水平力不宜超過結構總重力的10%,本結構風荷載的產生的總水平力為1 795.6 kN,結構總重力為908 869 kN。風荷載產生的總水平力約為結構總重力的0.2%,滿足要求。

圖9 隔震支座壓應力分布圖Fig.9 Compressive stress of isolation bearings

3.5 減震系數

本工程使用ETABS建立隔震與非隔震結構模型,并進行計算與分析。

模型計算根據規范選取了5組天然波及2組人工波(圖10),多組時程的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。

圖10 地震波曲線Fig.10 Seismic waves

彈性時程分析時,每條時程計算的結構底部剪力不小于振型分解反應譜計算結果的65%,7條時程計算的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%。

隔震前后結構自振周期見表2。性能參數見表3、表4。

中震作用下,隔震與非隔震結構層間剪力比見表5、表6。由表可知,本工程結構的水平地震減震系數為0.336,根據規范,本工程水平地震作用可按降低1度進行計算。

表2隔震前后結構自振周期

Table 2 Natural period comparison between isolated structure and non-isolated structure

3.6 罕遇地震作用下層間位移角驗算

為實現大震不倒的抗震性能目標,對整體結構進行了彈塑性分析,計算結果(表7)表明,結構沒有明顯的薄弱部位,結構最大基底剪力在小震的3～4倍之間,處于合理范圍,罕遇地震作用下結構的最大層間位移角:X向為1/138,Y向為1/137,小于鋼筋混凝土框架結構的限值1/50,計算滿足規范要求[6]。

表3有鉛芯橡膠隔震支座力學性能參數

Table 3 Mechanical properties of lead-rubber bearings

表4天然橡膠隔震支座力學性能參數

Table 4 Mechanical properties of natural rubber bearings

表5隔震與非隔震結構層間剪力比1

Table 5 Inter-storey shear ratio between isolated structures and non-isolated structure (No.1)

表6隔震與非隔震結構層間剪力比2

Table 6 Inter-storey shear ratio between isolated structure and non-isolated structure (No.2)

表7大震彈塑性分析結果

Table 7 Results of elasto-plastic analysis

3.7 隔震支座拉應力驗算

根據《抗規》[1]12.2.4條規定:隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時作用下,拉應力不應大于1.0 MPa。罕遇地震作用下,當荷載組合為0.09×恒荷載-0.05×活荷載+1.00×水平地震作用時,大部分支座受壓,支座受最大拉應力為0.08 MPa,出現在176號(建筑西北角)支座LRB600。當荷載組合為0.09×恒荷載-0.05×活荷載-1.00×水平地震作用時,大部分支座受壓,支座受最大拉應力為0.05 MPa,出現在170號(建筑東北角)支座LRB600。罕遇地震下,隔震支座拉應力滿足規范要求。

罕遇地震下,隔震支座拉應力滿足規范要求。

罕遇地震作用下,支座應力分布見圖11。

圖11 罕遇地震作用下支座應力Fig.11 Stress of bearings under rare earthquake

3.8 隔震構造設計

罕遇地震下隔震層水平位移計算采用的荷載組合為:1.0×恒荷載+0.5×活荷載±1.0×水平水平地震。經計算,罕遇地震下各個支座最大水平位移為303 mm。根據規范要求,隔震結構應該采取不阻礙隔震層在罕遇地震下發生大變形的構造措施。上部結構的周邊應設置豎向隔離縫,縫寬不宜小于隔震橡膠支座在罕遇地震下的最大水平位移的1.2倍,且不宜小于200 mm。根據上述要求,為有效地滿足地震作用下結構多方向的變形需求,本工程設計了多種隔震構造節點,見圖12-圖16。

圖12 一般出入口示意圖(單位:mm)Fig.12 Draft of ordinary passageway (Unit:mm)

圖13 汽車坡道出入口示意圖(單位:mm)Fig.13 Draft of car ramp entrance (Unit:mm)

3.9 設防地震作用下樓板應力分析

樓板采用強度等級為C35的混凝土,其抗拉強度設計值1.57 MPa,抗拉強度標準值2.2 MPa。

按照全樓彈性樓板假定進行設防地震作用下的樓板應力分析[7],分析結果表明,設防地震作用下,大部分樓層的樓板的拉應力不大于1.0 MPa,僅地下室頂板局部區域(主要集中在個別角部處或者平面凹角區域等應力集中處)峰值約1.6 MPa,可滿足中震下樓板應力不超過ftk的要求。樓板應力分布見圖14-圖17。

4 基礎設計

本工程基礎底板面標高主要為-8.400 m。因上部結構荷載不均勻,荷載差異較大,基礎設計考慮了地基承載力、控制差異沉降和地下水浮力等因素,確定采用灌注樁,并采用后注漿工藝[8]。

圖14 四層X向地震作用下主應力(S11)Fig.14 Slab stress of 4th floor withstanding the design earthquake of direction X (S11)

圖15 四層Y向地震作用下主應力(S11)Fig.15 Slab stress of 4th floor withstanding the design earthquake of direction Y (S11)

圖16 四層X向地震作用下主應力(S22)Fig.16 Slab stress of 4th floor withstanding the design earthquake of direction X (S22)

圖17 四層Y向地震作用下主應力(S22)Fig.17 Slab stress of 4th floor withstanding the design earthquake of direction Y (S22)

主體結構受力較大的基礎,擬采用直徑800 mm灌注樁,持力層為⑧層粉土,樁頂標高-9.3～-10.7 m,樁長約為34.5 m,單樁抗壓承載力特征值為3 400 kN,采用樁端后注漿工藝。汽車坡道受力較小,擬采用直徑600 mm的灌注樁,持力層為⑦層粉土,樁頂標高隨坡道變化,樁底標高約-31.8 m,樁長隨坡道變化,單樁抗壓承載力特征值為1 100 kN。樁基承載力按照規范要求考慮淺層欠固結土的影響[9]。

5 懸臂擋墻設計

本工程隔震支座設置在基礎及地下室底板之間,因此無結構意義上的地下室嵌固,結構計算嵌固位置在地下室底板。根據本項目隔震層在地下室底板位置的情況,整個地下室在地震作用下將產生水平位移,地下室與基礎底板將產生水平位移差,考慮到地震作用下地下室變形情況,因此在地面以下部分,在地下室外墻之外設置混凝土懸臂擋墻,地下室外墻與懸臂擋墻之間保持一定距離,擋土墻不作為建筑外墻,僅起擋土作用,與主體結構脫開。

擋墻設計考慮了水土壓力和地面荷載作用,并考慮地震作用等組合。

6 結 論

(1) 昆明規劃館結合建筑方案、結構高度、高寬比、抗震設防烈度等,綜合考慮經濟、技術要求及云南省關于推進減隔震技術文件,采用了隔震技術,結構地震作用顯著降低,隔震層上方結構可按降低1度進行設計。

(2) 大開洞造成的結構聯系薄弱,通過合理的結構布置使結構剛度分布均勻、加大配筋等措施提高結構的整體抗震性能。

(3) 隔震層設置在地下室底板與基礎之間有利于建筑功能的布置,還能避免因隔震層設置在地下室頂板而出現的對地下室的電梯、樓梯、管井、坡道等的使用影響。

(4) 為有效地滿足地震作用下結構多方向的變形需求,本項目設計了多種新型的隔震構造節點,可供類似工程參考。