中国人民革命军事博物馆展览大楼加固改造工程扩建建筑结构设计
陈晓强 李霆 彭林立 王小南 范华冰 胡紫东 陈元坤 张慎. 中国人民革命军事博物馆展览大楼加固改造工程扩建建筑结构设计[J]. 建筑结构,2020,50(8):100-105,63.
CHEN Xiaoqiang LI Ting PENG Linli WANG Xiaonan FAN Huabing HU Zidong CHEN Yuankun ZHANG Shen. Structural design of reinforcement, reconstruction and engineering extension project of Exhibition Building for Military Museum of the Chinese People′s Revolution[J]. Building Structure,2020,50(8):100-105,63.
1 工程概况
中国人民革命军事博物馆(简称军博)是中国第一个特大型、综合类军事博物馆,位于北京市复兴路9号。原军博展览大楼是向新中国成立十周年献礼的“十大建筑”之一
2 设计概况
2.1 自然条件
本工程主要自然条件如下:基本风压为0.5kN/m2,基本雪压为0.45kN/m2(100年一遇);基本气温:最高36℃,最低-13℃
2.2 荷载取值
恒荷载按实际建筑材料和做法计算取值,常规活荷载根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)
2.3 水文地质
根据地勘报告
2.4 主要设计标准
本工程结构设计使用年限为50年(结构耐久年限100年);建筑结构安全等级为一级,结构重要性系数为1.1;抗震设防类别为重点设防类(乙类);抗震性能目标按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)
3 主体结构设计与分析
3.1 基础设计
地勘报告
本工程地下室埋深较大,整体抗浮稳定不满足要求,需采取抗拔措施。结合“独立基础+防水底板”方案,通过经济性比较,选用了抗浮锚杆。
3.2 上部结构方案比选
本工程为特大型博物馆,跨度大、层高高、荷载重,典型大柱网有24m×24m,13m×16m,11m×20m,12m×32m。基于上述特点,混凝土结构(大跨采用预应力钢筋混凝土梁)和钢结构方案都具可行性,需进行详细比选。
3.2.1 混凝土结构方案
上部结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系(图5)。在建筑楼梯间、电梯井、隔墙处布置一定数量的剪力墙。对8m×8m柱网,采用普通混凝土双向十字梁楼盖;对跨度大于12m的区域,采用后张有粘结预应力混凝土梁。根据抗震分析需要,局部采用钢骨柱和钢骨梁,部分剪力墙内置钢骨。中央兵器大厅及环廊采光屋面因跨度大及建筑效果要求,采用钢结构方案。
3.2.2 钢结构方案
上部结构采用钢框架-支撑结构体系(图6),其中,支撑采用屈曲约束支撑。根据建筑平面柱网布置矩形钢管混凝土柱;在楼梯间、电梯井及其他隔墙的位置,设置适量屈曲约束支撑;跨度不大于12m的梁采用H型钢梁,跨度大于12m时采用钢桁架梁;楼板采用钢筋桁架楼承板。中央兵器大厅及环廊采光屋面均采用钢结构。
3.2.3 比选结果
经过综合测算,混凝土结构方案比钢结构方案造价低约3%,混凝土结构方案能够满足工程总造价控制要求。建筑师要求结构方案具有方正、厚重的风格,并与保留建筑协调统一。因此,上部结构选用了混凝土结构方案。
3.3 结构布置
上部结构主要布置同3.2.1节所述。地下室采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。大柱网区域,如地下1层武器展厅,双向最大柱网达到24m×24m,采用预应力混凝土结构,其余区域采用普通钢筋混凝土梁板结构。上部竖向结构构件向下延伸至基础。地下室顶板和地上2层的结构平面布置见图7,8。
3.4 抗震性能分析与设计
军博扩建建筑为高烈度区高层建筑,因其影响力和重要性,除按相关规范进行常规设计外,还进行了结构抗震性能设计,性能目标为C级。
3.4.1 抗震计算分析
采用SATWE软件(2010新规范版)进行静力弹性计算、动力弹性时程分析和等效弹性分析;选用MIDAS Building软件(2012版)进行静力弹性对比计算、楼板详细分析;采用MIDAS Gen软件(V795)进行中大震静力弹塑性分析;另外,选用SAP2000软件(V14.2.2) 进行屋面钢结构分析设计
地下1层抗侧刚度大于首层抗侧刚度的2倍,故上部结构计算的嵌固端设在地下室顶板。楼板详细分析以及静力弹塑性分析时,楼板均采用弹性板单元。中央兵器大厅钢结构屋盖质量较小,与周边主体结构连接大部分采用滑动铰支座、少部分采用固定铰支座,对主体结构影响较小。SATWE,MIDAS Building,MIDAS Gen三款软件整体分析模型均采用等代模型,即通过刚度和质量等效,将屋盖钢桁架等代为钢梁模型(图5仅给出SATWE模型,其他软件类似)。为分析中央兵器大厅钢屋盖对其周边支撑构件的真实影响,采用MIDAS Gen软件建立了反映钢结构屋面真实桁架布置的总装模型(图9),进行补充分析。另外采用SAP2000软件对中央兵器大厅屋面钢结构进行详细分析和设计(图10)。
3.4.2 主要分析结果与设计构造措施
小震分析结果表明:整体结构除扭转位移比超过1.2外,其他指标满足设计要求。等效弹性分析结果表明:中震作用下,部分剪力墙及端柱的拉应力超过了混凝土抗拉强度标准值,采取在剪力墙暗柱、端柱中加设型钢的措施,保证其承载力及延性;大震作用下,少量关键构件(柱、剪力墙边缘构件)正截面发生屈服,采取内设钢骨的加强措施后,满足设计要求。大震静力弹塑性分析结果表明:大震作用下,性能点仍处于能力谱曲线的上升段,最大层间位移角约为规范限值的68%,结构整体承载力未达到极限,仍有较大的上升空间(图11);水平构件(梁)大量屈服,剪力墙少量屈服(图12),少量屈服的剪力墙,虽对整体结构性能影响很小,仍采取设置钢骨、提高配筋率和配箍率加强措施,增强构件延性、提高抗震承载能力。
4 关键技术措施
4.1 大荷载区大跨楼盖设计
中央兵器大厅楼面使用活荷载达20kN/m2,其正下方的地下1层为24m×24m大跨度武器展厅。结合建筑要求的清水混凝土藻井效果,双向主梁采用24m跨钢筋混凝土梁,截面为1.8m×2m;每个区格内布置双向预应力井字梁,截面为0.8m×1.6m(图13);所有梁外露(不设吊顶,管线均预埋于梁、板中),直接形成建筑所需效果。
主梁截面大、配筋率高,为控制钢筋间距、保证混凝土浇筑质量,采用了直径40mm的 HRB500级高强钢筋;并按T形梁构造设计,将适量的梁顶主筋布置于两侧板中(图14)。
4.2 中央兵器大厅钢屋盖设计
中央兵器大厅屋盖跨度为64m×136m,采用钢结构。与普通大跨屋盖不同,其下方需吊挂多架历史实物战机。通过多方案对比,最终采用单向桁架结构,既满足吊挂大荷载需求,又能控制造价,且与建筑“藻井”吊顶效果吻合。沿短向布置桁架,上、下弦杆采用箱形截面(典型截面□380×400×16×16),腹杆采用倒置的H型钢(典型截面H400×200×12×12),用双节点板连接;沿长跨方向采用钢系杆和联系桁架,上弦平面设双向水平支撑,形成空间整体稳定的钢桁架屋盖结构(图15);钢桁架屋盖四周采用球形钢支座,通过计算分析,合理设置不同部位支座(固定、单向滑动、双向滑动),既满足抗震要求又能最大限度释放温度作用。
为保证屋盖吊挂飞机安全,现场起吊前,建设单位委托专业机构进行了飞机起吊试验(图16);另外,现场安装了传感器,可实时监测吊挂飞机的位置(屋盖变形)、吊索应力(屋盖吊点荷载)等状态。
4.3 环廊钢屋盖设计
根据建筑效果,环廊采光屋面选用钢结构。东西两侧环廊屋盖采用主次钢梁体系,主钢梁与两侧主体结构的钢筋混凝土梁通过预埋件连接(铰接);南侧与保留建筑之间的环廊屋顶采用钢框架结构,屋面南北向的钢框梁,一端与主体结构钢筋混凝土梁通过预埋件连接(铰接),另一端与贴近保留建筑的钢管柱连接(刚接)。
南环廊屋盖结构高度24.7m,钢管柱与主结构距离为10,16m,柱间距为16,24m(图17仅显示了西侧,东西两侧对称);24m跨度钢框梁采用箱形截面,其余均采用H型钢。建筑要求钢梁限高600mm,屋盖平面内不能设置斜撑,钢管柱间也不允许设支撑,从而造成南环廊钢框架整体刚度偏弱,纵向(东西向)侧移变形过大。为解决此问题,将屋面1 000mm×1 000mm的正交网格状檩条设计成结构构件,即用300mm(高)×100mm(宽)的小方钢管正交刚接形成钢檩条,内嵌于屋面钢梁各区格内,充当屋盖平面内支撑作用(图18,19),增大屋盖平面内刚度、减少纵向侧移。
4.4 钢骨节点设计及高强钢筋应用
本工程为8度区的乙类建筑,荷载重、跨度大,构件配筋普遍较多,节点区钢筋密集。为满足抗震设计要求,局部区域采用钢骨结构(钢骨柱、剪力墙钢骨暗柱、钢骨梁、钢骨连梁)。为保证复杂节点施工质量,设计采取以下措施:1)考虑构件尺寸、构件位置、钢筋排布因素,将钢骨节点分类,并逐类排布放样,设计“焊接、穿孔、绕过”等多种钢筋与钢骨连接方式,给出详细的节点设计图纸,指导施工(图20);2)采用大直径(32mm以上)HRB500级高强钢筋,降低构件钢筋密集程度,提高混凝土浇筑质量。
4.5 超长结构不分缝设计
为满足建筑效果、提高建筑品质,主体结构未分缝,为超过200m的超长混凝土结构。为解决温度作用问题,设计采用“放”和“抗”相结合的措施:1)每隔40~50m设置施工后浇带,后浇带之间再加膨胀加强带,特殊部位采用补偿收缩混凝土、掺纤维膨胀抗裂剂
4.6 邻近保留建筑的基础处理
南环廊钢管柱位于无地下室区域,紧贴南侧保留建筑外墙,部分钢管柱已在保留建筑基础范围内,常规基础必然影响保留建筑基础。经过分析,设计采用基础外挑方式解决(图21)。
若采用前述独立基础,考虑持力层位置,新基础与老基础埋深有重叠,位置上相互冲突。故改用桩基,并将承台上移,位于老基础顶面以上,如图21所示。因现场施工场地狭小、工期紧,且应避免桩基施工(如成孔)对邻近老基础影响,最终选用长螺旋钻孔压灌桩,桩径600mm,桩端持力层为强风化砾岩。
4.7 地下室错层处设计
北侧地下车库与主体结构地下室之间存在错层,应采取措施保证该处土压力及水平地震力的有效传递。设计采取了“顶板高差处设肋墙(梁上斜墙块)、主体地下室的地下1层设转换墙、主体地下室的地下1层梁加腋”等措施(图22),并采用SAP2000建立考虑错层的三维整体模型(图23),分析地下室侧向土压力及水平地震力在错层处的传递。分析结果表明:采取上述措施后,错层处结构构件满足土压力传递要求,也满足小震、中震弹性及大震不屈服的承载力要求。
军博展览大楼加固改造工程于2017年7月竣工,现已全面对公众开放(图24)。其中,扩建建筑成为军博主要展区,开馆以来运营效果良好。
5 结论
军博展览大楼加固改造工程扩建建筑结构设计,通过设计条件分析、方案比选、抗震性能设计等工作,满足抗震设防要求、确保结构安全性能,同时实现了建筑效果,也控制了工程造价。并针对以下复杂关键问题,提出解决措施如下:
(1)针对大荷载大跨楼盖,结合建筑清水混凝土藻井效果,采取大截面主梁加预应力井字次梁的布置方式。
(2)中央兵器大厅屋盖需吊挂飞机,选用单向钢桁架结构,综合考虑地震作用与温度作用,合理选择支座形式。
(3)将南环廊的屋面檩条做成结构构件,加强屋面结构刚度,减小南环廊的结构侧向变形。
(4)采用大直径高强钢筋进行钢骨节点详细设计,降低节点区混凝土浇筑难度,保证节点施工质量。
(5)通过温度分析,梁板中设置预应力筋,并采取后浇带、膨胀带、抗裂纤维等构造措施,解决超长结构不分缝问题。
(6)南环廊柱基础采用桩基承台外挑的方式处理,避免影响保留建筑基础。
(7)通过梁加腋、增设肋墙等措施,并进行整体分析,确保地下室错层处土压力和地震力的有效传递,以及错层处结构构件设计合理。
[2] 建筑结构荷载规范:GB 50009—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[3] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[4] 军事博物馆展览大楼加固改造工程场地地震安全性评价工程应用报告[R].北京:北京赛斯米克地震科技发展中心,2012.
[5] 军博展览大楼加固改造工程岩土工程勘察报告[R].北京:总参工程兵第四设计研究院,2012.
[6] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[7] 梁剑,赖洪涛,唐嘉敏.合肥师范刘铭传学院教学实验楼结构设计[J].建筑结构,2019,49(20):51-54.
[8] 钟建敏,唐亮.苏州中心广场项目超长超大地下室结构设计[J].建筑结构,2018,48(23):55-60.