阜阳市博物馆结构设计

阜阳市博物馆结构设计

林勤鹏

深圳市建筑设计研究总院有限公司深圳518031

摘要：阜阳市博物馆采用钢筋混凝土框架结构，主体结构采用隔震设计，在地下室顶板与首层楼板之间设置隔震层，有效减小上部结构的地震作用效应。因建筑立面造型需要部分填充外墙采用钢筋砼斜墙，采取加肋措施提高斜墙稳定性，采取柔性连接形式减少其对主体框架的刚度影响；进行建筑规则性判别并对结构薄弱部位采取相应的抗震加强措施。

关键词：阜阳市博物馆；隔震设计；斜柱；斜墙

1工程概况

阜阳市博物馆位于阜阳市城南新区八里松路以北，府前路以南，中清河西侧。总用地面积约3.4万m2，总建筑面积为3.9万m2。建筑地下1层，地上4层，高23.75m，形体敦厚稳重，极具雕塑感，富有浓厚的历史文化气息，是新区标志性的公共文化建筑（图1）。

本项目性质为博物馆，地下1层主要为展品库房区、报告厅、员工食堂、员工车库和设备机房，1层设置各出入口、总服务台、公共中庭、临时展厅、贵宾接待区、数控物管区和库前处理区，2、3层各有四个不同的专题展厅以及一个多媒体展示厅，4层为博物馆文物修复保护区、业务办公区和网络中心机房。不同的专题展厅结合公共区域中的咖啡茶室、休闲书吧以及灵活多变的休憩空间，或观赏或休闲，组成了一个兼具历史文化熏陶教育与公共休闲为一体的现代化博物馆（图2）。

工程的结构设计使用年限为100年，主体结构的安全等级为一级。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008），建筑的抗震设防类别为重点设防（乙）类。

图33层建筑平面图

博物馆建筑具有大空间、恒温、恒湿、防盗的使用特点，因此本工程采用钢筋混凝土结构。东、西侧塔楼结构体系均采用框架结构，即能满足建筑大空间灵活功能布置的要求，又能满足多层建筑水平地震作用下的层间位移角等技术指标要求。东、西侧塔楼之间连接的平台、走廊和采光天棚均采用轻钢结构，与两侧塔楼采用滑动支座连接。

因建筑功能要求，结构平面存在一般柱网6.6m×9.3m、9.0m×9.3m和大跨度柱网18.0m×9.3m（图4）。构件截面尺寸（mm×mm）：框架柱800×800、600×600，框架梁400×1000、500×1000、400×800、400×700。混凝土强度等级：柱C40~C35，梁、板C35~C30。结构抗震等级：一般框架三级，大跨度框架（跨度≥18m）二级，斜柱框架二级，斜撑二级。

图5隔震支座平面布置图

隔震设计分析采用ETABS对隔震层以上主体结构进行多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的静力和动力时程分析。分析结果表明，采用隔震技术设计后，上部结构水平向减震系数（隔震与非隔震各层层间剪力比最大值）不大于0.53，上部结构水平地震作用降低0.5度，水平地震影响系数最大值取0.06，抗震措施采用的设防烈度取7度。

4斜柱和斜墙结构设计

本工程通过“石头”的形体意向表现出博物馆厚重的历史气息，建筑形体自然切分成三块“巨石”，形成恢弘大气的中庭空间。为表现“石头”的自然形体特征，建筑在中庭立面经过不同角度切割形成水平弯折和竖向倾斜的立面造型，因此中庭周边的一排框架跟随建筑立面造型，布置成竖向倾斜的斜柱框架（图6）。

图6斜柱平面示意图

经过与建筑协调，中庭斜立面的竖向转折处均调整至楼层标高，结构框架斜柱不会出现在楼层中部弯折的情况，框架柱倾斜角度为80°~85°。斜柱在结构计算模型内按斜杆输入，因构件倾斜角度较小，模型上仍识别为柱，按柱进行设计。斜柱框架抗震加强措施：1）抗震等级比普通框架提高一级；2）斜柱纵筋加强，提高体箍率，箍筋全高加密；3）与斜柱相连的框架梁均加强上部通长筋和侧向受力钢筋，保证斜柱框架倾斜状态下的受力性能。

斜柱框架间的建筑墙体需要满足立面倾斜、防火、节能保温、防盗和耐久性的功能要求，普通的砌体墙不能满足立面倾斜条件下的墙体稳定性，轻钢龙骨墙造价高且耐久性不能保证，故斜墙采用钢筋混凝土墙。钢筋混凝土墙自重大、平面内刚度大，应采取措施消除其对框架结构抗震的不利影响：1）要解决墙体自重大的问题，减小墙体厚度是有效的，本工程层高较高，墙体厚度太小则不能满足墙体稳定性，因此设计采取加肋的措施，沿墙长间隔一定距离（约3m）设置竖向扶壁构造柱，截面取200mm×400mm，设置构造柱能够有效提高墙体平面外刚度，加肋斜墙厚度取150mm（图7）；2）为尽可能消除墙体平面内刚度对主体框架的影响，使主体结构与理论计算模型一致，构造上采取将墙体与主体框架连接处均留出30mm的空隙，仅钢筋伸入主体框架的柔性连接形式（图8），构造柱与上、下层结构梁仍采用刚性连接。砼斜墙需在主体结构完成后才能按“非承重构件”施工，主体结构施工时须预留墙体插筋，插筋在空隙相关范围采用环氧树脂涂层进行防腐防锈。

图7加肋斜墙平面图图8斜墙立面构造大样

5建筑规则性及抗震加强措施

根据规范对建筑的规则性进行判别，东侧塔楼存在4项不规则：平面扭转不规则（3层位移比1.28，大于1.2）；楼板局部不连续（4层大开洞，有效楼板宽度为41.4%，小于50%）；侧向刚度不规则（4层层高突变，3层与4层侧向刚度比为0.61，小于0.7）；局部不规则（存在局部的斜柱和穿层柱）。西侧塔楼存在3项不规则：平面扭转不规则（2层位移比1.21，略大于1.2）；楼板局部不连续（2层中部仅5宽连廊连接，有效楼板宽度为11.0%，小于50%）；局部不规则（存在局部的斜柱和穿层柱）。经判定，东、西侧塔楼均属于特别不规则建筑。

根据建筑的不规则情况，本工程针对结构薄弱部位进行专项分析设计，采取相应的抗震加强措施：1）楼板不连续楼层楼板在整体分析中定义为弹性板，进行楼板应力分析，对大开洞周边、有效宽度较小和应力集中明显的楼板区域均加大楼板厚度，加强楼板配筋；2）侧向刚度不规则的楼层，考虑薄弱层剪力放大系数1.25；3）大跨度框架、斜柱和穿层柱，均提高抗震等级，加强梁、柱配筋，严格控制大跨度梁挠度、裂缝。

6结语

本工程为大型博物馆项目，根据建筑功能要求和多层建筑受力特点，结构体系采用钢筋混凝土框架结构。结构选型与设计上，采用隔震设计有效减小上部结构的地震作用效应，采取构造措施保证斜柱、斜墙的稳定性，对结构的薄弱部位采取抗震加强措施。通过结构的合理布置和采取一系列有效的措施，本工程结构在满足建筑功能的同时能够满足安全可靠的要求。

参考文献

[1]建筑抗震设计规范：GB50011—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]混凝土结构设计规范：GB50010-2010（2015年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2015

[3]阜阳市博物馆隔震设计分析报告[R].广州：广州大学工程抗震研究中心减震控制与结构安全国家重点实验室培育基地，2016.

作者简介：林勤鹏，一级注册结构工程师，Email：xq16go@163.com。