河北博物馆结构设计

摘　要　本文简要介绍了河北博物馆结构单元划分以及空间组合钢结构设计，主要有桁架柱、树状柱、铸钢节点等，简要介绍了工程中新材料、新技术应用。

关键词　桁架柱；树状柱；钢骨混凝土

1　工程概况

河北博物馆的扩建工程位于原博物馆的南侧，地处石家庄市中心。总用地面积为7.85万m2，扩建新馆建筑面积为3.31万m2，建成后的河北博物馆总建筑面积达到5.41万m2。在平面布局上：旧馆居于扩建部分北侧，建筑面积2.1万m2，扩建的新馆东西方向长138.80m，南北方向长104.80m（均不含外廊）。新旧馆之间由一座大型的展厅相连，使新旧博物馆形成有机的整体。

新扩建的博物馆根据建筑平面布置和功能划分，在满足建筑使用功能情况下，利用3条抗震缝将其分成A区、B区、C区和D区4个结构单元（平面分区见图1）。其中A区、C区结构单元为普通展厅和办公区，地下1层，地上3层，除地下室外，主要柱网为：6.75m×18.00m和6.75m×9.00m，层高为6.50m。博物馆D区为内大型展示厅，平面为40.0m×4.00m的正方形，总高度约48m。地下地上各1层，局部2层为展台，以上为大空间结构，室内最大净高30.5m。B区为博物馆内通向D区大展厅的大型通廊，平面呈矩形，南北长56.0m，东西宽21.7m。其南端为新建博物馆的入口，B区为地下1层，局部地上1层设在直通D区展厅的大台阶下。以上为大空间结构，室内最大层高为22.5m。

本工程于2007年1月完成施工图设计并开工建设，已于2012年竣工投入使用。

图1 平面分区图

2　地基基础设计

2.1　工程地质概况

石家庄市位于太行山山前冲洪积平原区，地处滹沱河冲洪积扇南缘，拟建场地32m以上均系第四纪堆积物。根据本工程岩土工程勘察报告，依据岩性特征及物理力学性质等，将勘察孔控制深度内地基土划分为12个工程地质层（含夹层），基地以下各土层的分布规律及岩性特征见表1。

本场地地下水位埋深约45.0m，可不考虑地下水的影响；场地液化判定为非液化场地；场地稳定性评价的结论为场地为可进行建筑的一般地带；地基均匀性评价的结论为地基土较均匀，地基土不具湿陷性。

2.2　地基基础设计

根据柱下荷载大小和地质情况，综合上部结构受力特点各区分别采用不同的基础型式，分别介绍如下。

A区、B区、C区采用柱下独立基础，基底持力层为第④层粉土层，因柱底荷载较大，地基采用复合地基。复合地基采用CFG桩处理地基，桩持力层采用第⑥层粉质黏土夹粉土层作为桩端持力层，要求处理后复合地基承载力特征值fspk≥300kPa，Es≥25MPa。

表1 土层分布和岩性特征

D区基础设计时综合分析不同荷载组合下的柱底反力差异，特别是地震组合情况下桁架柱和树状柱的柱底反力。并针对树状柱的柱底荷载大，桁架柱柱底总竖向荷载大但桁架柱各肢内力在不同荷载组合时差异显著的受力特点，在基础设计时桁架柱和树状柱采用混凝土钻孔灌注桩＋独立承台，灌注桩持力层为第⑧层粉土层，桩身直径主楼为800mm，桩长18.5m，桩身混凝土强度等级为C20，单桩的竖向极限承载力为2800kN；其余混凝土部分采用柱下独立基础加防水板的基础形式，独立基础采用复合地基，地基处理要求同A区、B区、C区。

钢结构柱脚对应钢柱和钢骨混凝土柱分别采用外露式柱脚和外包式柱脚。

本工程在施工和使用期间进行了沉降观测，依据截至2011年10月的沉降观测资料显示，观测点的沉降速率最大为0.006mm／d，沉降速率已在稳定性指标范围内。结果表明整个结构无明显沉降差异，观测最大沉降量为12.23mm，最小沉降量为6.34mm，所有观测点的平均沉降值9.34mm，无沉降突变。结果表明地基基础方案适当、可靠，保证了建筑物安全使用。

3　结构设计

3.1　结构设计基本概况

据省级博物馆特性及甲方要求，本工程结构设计基准期为100年，设计使用年限为100年，建筑安全等级为一级，结构重要性系数取为1.1。建筑抗震设防类别为乙类，地基基础设计等级为甲级。

结合“安评报告”以及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3，本工程抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.10g；地震影响系数最大值0.08，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期值Tg＝0.45s。建筑抗震设防类别为乙类，抗震措施提高一度即按8度考虑。多遇地震作用下A区、C区钢筋混凝土框架结构阻尼比取0.05；B区混合结构阻尼比取0.035；D区混合结构阻尼比取0.035。

基本风压值0.40kN／m2，地面粗糙度为C类；基本雪压0.35kN／m2。

楼面主要活荷载标准值：办公室、会议室取2.0kN／m2；首层古代雕刻展厅取10.0kN／m2；其他展厅取4.0kN／m2；主入口大厅、大台阶、内庭院、多功能厅取4.0kN／m2；走廊、门厅取2.5kN／m2；设备机房、电梯机房取7.0kN／m2；消防车通道取35.0kN／m2。

3.2　结构体系

首层建筑平面见图2，建筑剖面图及立面见图3。以下分区进行介绍：

A区、C区柱网规则，主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构，楼盖体系为现浇梁板结构。

B区为大层高、大跨度的钢结构通廊，B区±0.00以上高度22.50m，东西方向为单跨跨度20.80m，主体采用钢框架结构。考虑层高较大，为满足主框架平面内和平面外柱稳定性，保证结构双向的刚度、强度、稳定性，地面以上柱采用双工字型断面格构组合柱，地面以下采用钢骨混凝土柱，详见图4。首层楼盖采用现浇梁板结构，因层高大、支模难度高，屋面楼盖为闭口型压型钢板为底模的混凝土。

图2 首层建筑平面图

图3 建筑剖面图及立面图

D区二层平面图及顶层屋面布置图见图5、图6。

该区±0.00以上为大层高、大跨度的空间钢结构大型展厅，±0.00以上高度43.0m；±0.00以下及二层局部展台采用混合结构；大展厅结构跨度43.0m，主体竖向构件采用四角的4根双向桁架柱、中部4根树状柱（下部为圆钢柱）及沿周边布置的单向桁架柱；与桁架柱相连的腰桁架及由树状柱支承并与桁架柱相连的屋面空间桁架共同形成空间受力结构，结构形式为钢－混凝土混合受力的空间结构体系。结构构件布置虽然较为复杂，但竖向受力体系和抗侧力体系明确，结构具有较多赘余度。

图4 钢骨混凝土柱（上）及格构组合柱（下）

图5 二层平面图

桁架柱及腰桁架见图7。

图6 D区顶层屋面布置图

图7 桁架柱及腰桁架

3.3　主要构件断面

A区、C区主要受力框架柱断面为800mm×800mm，主要受力框架梁（18m跨）断面为450mm×1200mm。

B区工字型柱断面为H900×300×30×40（h－b－tf－tw）（mm），主要受力的框架梁（20.8m跨）断面为H900×400×25×40（mm）。

D区钢结构大型展厅桁架柱采用的方钢管从±0.00以下的400mm×400mm×18mm逐渐变为±0.00以上的300mm×300mm×14mm，200mm×200mm×10mm，树状柱的主干为ϕ1350×30钢管，支管为ϕ750×20（次支管为ϕ300×16）及ϕ700×18不等。D区混凝土部分框架柱断面为800mm×800mm。

现浇混凝土框架柱在±0.00以下的强度等级为C40，在±0.00以上的梁板柱混凝土强度等级均为C30，钢结构均采用Q345B钢材。

3.4　结构计算分析

A区、C区采用SATWE分析计算，B区采用STS进行结构分析，D区采用PMSAP及SAP2000进行结构分析，D区除进行常规的抗震的反应谱分析外还进行了结构整体稳定性分析。

主要计算分析结果：

该工程A区、B区、C区计算程序采用“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE（墙元模型）”进行结构分析，计算采用扭转耦联振型分解法，并考虑双向地震作用，结构嵌固在基础顶面。表2为结构主要计算指标。

表2 结构主要计算指标

分区：B区钢结构

分区：D区钢结构

结构设计地震力振型组合数取18个，表中列出前T1～T3。结果显示剪重比满足规范要求，结构第一、第二振型均为平动，结构位移较小，结果显示结构体系具有较好的抗侧刚度。

D区PMSAP和SAP2000计算的整体一、二阶震动模态均为Y方向、X方向的平动，三阶模态为X－Y平面内的扭转。根据建筑抗震规范及高层钢结构技术规程对于钢结构整体结构位移以及构件的变形均满足要求。D区结构构件的应力比控制关键部位构件的应力比组合柱的竖向构件0.6～0.7；屋面交叉桁架0.7～0.85。

4　结构措施及新技术应用

4.1　树状结构柱的应用

D区大厅中间设4根圆钢柱，钢柱上端为树状结构，下端为钢管混凝土，柱距24m。树状柱与其他构件共同组成本工程竖向承重体系，是主要受力构件，图8为树状柱简图，图中各节点处的四组坐标数据分别对应平面中四根树状柱分叉节点空间位置。

图8 树状柱简图

4.2　铸钢节点应用

树状柱在分叉处及屋盖的桁架节点，杆件空间交汇多且角度各异，节点应力复杂，现场施工难度大，采用铸钢节点，参照有关国外规范提出了材料的性能要求，并用ANSYS进行了有限元分析。铸钢件材质为20Mn5V（调质），按照规范《高焊接性能和韧性的通用铸钢件》（DIN17182－1992）选用。铸钢件的力学性能要求如表3。本工程铸钢节点用于屋面桁架和树状柱的分叉节点，如图9所示。

表3 铸钢件的力学性能要求

图9 铸钢节点

4.3　型钢混凝土应用

B区在地下一层采用钢骨混凝土结构，梁、板为现浇钢筋混凝土，框架柱子采用钢骨混凝土柱；D区在地下一层及局部展台采用钢管混凝土柱，钢骨混凝土梁，安全合理的结构节点设计保证了工程质量。

4.4　压型钢板屋面应用

B区采用钢框架结构，其屋盖采用压型钢板加现浇混凝土的组合屋盖体系，压型钢板兼做现浇混凝土屋面板的底模，不仅加强了屋面结构的整体性又解决了现浇混凝土屋盖距地面较高，模板难支撑的问题。

4.5　预拌自密实混凝土应用、补偿混凝土收缩及HRB400钢筋应用

结构超长且不宜设伸缩缝，本工程采用施工期间设置施工后浇带，及补偿混凝土收缩，在超长部分混凝土中掺入适量的膨胀剂补偿混凝土的收缩。在钢管混凝土柱及钢骨混凝土梁部分采用自密实混凝土。本工程混凝土均采用预拌混凝土。

本工程的基础、上部梁、柱、楼板配筋均采用HRB400级热轧带肋钢筋，高强度钢筋应用于整个项目，经济效益明显。大直径钢筋（直径≥20mm）均采用机械连接，很好地保证了连接质量。

4.6　工厂预加工结构构件应用、粉煤灰加气混凝土砌块应用

B区、D区钢结构构件均系工厂加工、现场安装拼接施工，既保证了工程质量和进度，又大大方便了施工；建筑隔墙采用粉煤灰加气混凝土砌块，体现了环保理念，利于工业废物的循环利用。

5　结语

本工程的设计充分体现了安全、节能、创新的设计理念，利用不同的设计软件对结构进行了详细的分析，采用多项新技术、应用新材料，结构布置合理、美观，是一项积极创新的工程设计。河北博物馆改扩建工程的设计获得了用户的认可、社会的好评，具有良好的社会评价。