中国海关博物馆钢结构设计

王世猛

九源（北京）国际建筑顾问有限公司

摘要：工程位于8度抗震设防区，为5层办公楼和2层博物馆，地下为砼结构地上为钢框架结构。

关键词：体系加强措施；钢管砼柱；斜撑设计；节点域设计。

1工程概况

工程位于建国门内大街建国门桥西南侧，西临海关总署，东邻古观象台紫薇宫，北边临建国门内大街，南临东城区职业教育中心学校。，以现代庭院式风格与周围环境融为一体，建设单位为中华人民共和国海关总署。本工程地下3层，地上分2层和5层；建筑高度15.00m~18.00m。总建筑面积：33000㎡其中地下20370㎡，地上12630㎡。本工程建筑分为地上、地下两部分。地下为钢筋砼结构，有人防、车库、仓库、水池、档案馆等；地上为多层钢结构，有博物馆、办公楼及其附属配套用房。钢结构主体由一个多层钢框架办公楼和大空间的博物馆组成。

抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅲ类，建筑抗震设防类别为乙类，结构安全等级二级。

2结构体系特点

建筑平面以8米的柱网进行有机组合，由于博物馆需要大空间在两跨之间拔掉一棵柱子，所以博物馆主梁的跨度就达到了16米。由于使用功能较为复杂，博物馆对展览空间特殊要求和建筑师对外形美观的追求，造成整个建筑的平面不规则和立面不规则，给结构设计带来了不小的难度。若做成混凝土框架结构则博物馆部分的主梁及柱子将会非常庞大，不但达不到建筑要求的大空间而且自重还很大对抗震不利；而且博物馆部分层高6米，办公楼层高3米，刚度差异极大还需要设双柱把两部分分开。若结构体系定为钢框架结构加压型钢板组合楼盖，不但满足了建筑的要求，还减轻了自重。虽然比混凝土框架结构成本高一些但是对于像中国海关博物馆这样重要的乙类建筑，使用钢结构这种抗震性能非常好的结构体系也是非常必要的。博物馆的屋盖形状也很特殊，像一个扣着的龟盖，选用钢结构显得比较轻盈。地下结构还是选用混凝土结构，地上钢柱插入地下一层作为钢柱的锚固。

由于博物馆部分层高为6米，而且二层楼板有许多开洞，致使在洞口处的钢柱长细比严重超标，于是我们选用了500X500X25X25钢管砼柱内注C40砼，既控制了长细比，又减小了柱子的断面。办公楼部分采用H400X400X20X32的焊接工字钢柱。博物馆屋顶跨度达到了16米，像一个倒扣着的龟盖，采用H500X300X20X25的焊接工字钢井字梁体系，包括屋顶的斜撑都采用同一型号，即满足了功能的需要又使屋顶看起来整洁美观。

二层钢结构平面图三层钢结构平面图

3结构体系加强措施

(1)本工程属于乙类建筑，按照《建筑抗震设防分类标准》08版中规定，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。对与地处8度区的海关博物馆我们按照以上要求8度计算9度构造，对其加强。具体来说就是主梁及框柱的板件宽厚比、高厚比满足抗震规范中9度抗震的要求。

(2)6层的办公楼平面形状为L型，结构Y向刚度较弱且不均匀。为加强其抗震性能在办公楼的周边及楼梯间位置增设了X支撑和人字撑（二层钢结构平面图云线表示处），增强整体结构的抗侧刚度和抗扭刚度。支撑采用焊接工字钢H300X300X12X20(Q345B钢),强轴位于框架平面外，增加平面外的刚度以提高支撑承载力。两个方向支撑的加入很好的解决了办公楼的扭转效应，更有利与抗震。

（3）三层结构博物馆处楼板有许多开洞，降低了楼板的刚度，因此此处楼板加厚至150厚（三层钢结构平面图）。另外二层办公楼入口处挑空（二层钢结构平面图），致使此处楼板没有完全连续，因此也加厚至150mm予以加强。办公楼其他部分楼板根据跨度板厚定为120mm。压型钢板参照BONDEK1Ⅱ闭口型楼承重板进行设计，钢板基板厚度1.0mm,板跨控制在4米以内。这种钢板能够直接做模板，不用配下筋。为控制楼板裂缝，通常在板跨的负弯矩处设置附加钢筋。在博物馆的二层楼板配置通长的双层双向钢筋网，作为对楼板开洞较多的加强措施。考虑到大空间建筑楼板的共振频率也要控制，并计算通过。

4整体计算分析

本工程采用PKPM系列SATWE软件进行整体空间分析计算和构件设计。

参数选取：计算振型个数取30；活荷质量折减系数0.5；周期折减系数0.85；结构阻尼比0.035；特征周期0.45；考虑双向地震扭转效应；修正后基本风压0.45；地面粗糙程度为B类；结构基本周期0.25秒。采用刚性楼板假定算结构周期位移，再采用弹性楼板假定算一遍构件，两版计算都要通过，满足规范要求。由于博物馆地下一层周围有一半是下沉庭院，因此嵌固部位设在了地下二层顶板。所以“扣除地面以下几层的回填土的约束”填1。“回填土对地下室约束相对刚度比”填3。

计算分析：主梁与钢柱刚接，次梁与主梁之间铰接，斜撑与主梁之间铰接。钢结构主梁应力比控制在0.5左右，次梁适当放宽到0.9左右，这样既满足了主要抗震构件有足够的应力储备，还在数量较多的次梁上充分发挥钢材的性能节约成本。若考虑组合楼盖则应力比将会更低，对结构更为有利。办公楼的斜撑计算还主要是以平面外稳定控制的，最终算过的斜撑应力比也不是很高，截面为H300X300X12X25。屋盖处的斜撑也是以平面外稳定控制，为了满足这一要求使截面做的比较宽，并且还要满足9度的抗震构造，最终截面做到了H500X300X20X25。

指标分析

最后计算振型为上图所示，前两个周期都为平动，第三周期为扭转，满足要求。位移方面在双向地震作用下X方向的楼层最大位移角为1/387；Y方向为1/449都没有超过《抗震规范》中1/300的要求。两个方向的位移比都没超过1.1，全部满足。

5构件设计

（1）方钢管混凝土柱

由于博物馆二层楼板开了许多大洞导致许多柱子从一层直达屋顶，柱子的长细比严重超限，因此框架柱均采用了方钢管混凝土柱，柱内填充C40混凝土。梁柱节点与方钢管柱节点相同，采用柱贯通节点，对应梁翼缘部位设置内加劲肋。加劲肋设混凝土浇注孔和通气孔。采用方钢管混凝土柱不仅提高了承载力，缩小了柱子的截面，还改善了防火、防腐的性能。钢管混凝土柱因柱内填充混凝土可吸收火灾时的热量，防火性能好于钢管柱。同时混凝土填充在钢管内，不需支模板，还提高了施工速度

（2）钢结构下插至混凝土柱脚设计

钢结构的柱脚与混凝土结构刚接，为了满足刚接柱脚的锚固要求，下插至地下一层。方钢管柱在锚入混凝土柱时转变成十字型钢柱。这种变换主要有以下几个优点：箱型柱转换成十字型柱插入混凝土柱中便于施工；十字型柱翼缘处焊接的栓钉增加了钢结构与混凝土的接触面积，更有利于钢结构与混凝土柱的协同工作。此处的柱子配筋不考虑型钢柱的作用，按混凝土柱配筋，型钢柱只作为锚入段构造处理。

（3）16米跨大梁节点设计

在博物馆的二层主梁跨度达到了16米，截面为H1100X450X18X30,在与框架柱的刚接节点的上下翼缘处增加了两块楔形盖板，使得梁的破坏先于节点破坏。此处节点域加强设计满足《高规》中8.2.5条的要求，主要体现了强节点弱杆件的设计理念。

参考文献

[1]GB50011-2001.《建筑抗震设计规范》（2008版）.

[2]GB50017-2003.《钢结构设计规范》.