1、大唐芙蓉园西大门结构设计分析 马牧 陶倍林 吴琨 贾俊明 车顺利 中国建筑西北设计研究院有限公司 摘 要： 大唐芙蓉园西大门是典型的传统风格建筑, 系统阐述了西大门的门楼和三出阙的结构特点, 结合结构分析的计算结果, 给出了门楼和三出阙结构体系的优化过程。通过选择合理的结构设计方案, 将三出阙的屋盖体系分解为“基本部分”和“附属部分”, 简化结构计算, 通过调整相应的构造措施, 减小屋面“错层”带来的不利影响。同时文中也给出若干关键部位的设计, 为该类建筑的进一步分析提供了思路和方法。关键词： 传统风格建筑; 门楼; 三出阙; 结构设计; 作者简介：马牧, 本科, 一级注册结构工程师, 高级工
2、程师, Email:。基金：中建股份科技研发课题 (CSCEC-2012-Z-16) Analysis on structural design of west gate of Great Tang ParadiseMa Mu Tao Beilin Wu Kun Jia Junming Che Shunli China Northwest Architecture Design and Research Institute Co., Ltd.; Abstract： The west gate of Tang Paradise is a typically architecture with t
3、raditional style. The structural characteristics of the gate building and the three-tier gate tower of the west gate were systematically expatiated. Based on the calculation results of the structural analysis, the optimization process of the gate building and the three-tier gate tower structural sys
4、tem was given. By selecting a reasonable structural design scheme, the roof of three-tier gate tower was decomposed into “ basic parts ”and “ ancillary parts ” to simplify structural calculations, and then the corresponding construction measures were adjusted to reduce the adverse effects brought by
5、 the split-level roofs. Some structural designs of key components were given, which provided the ideas and methods for further analysis of such buildings.Keyword： traditional style architecture; gate building; three-tier gate tower; structural design; 1 工程概况大唐芙蓉园位于古都西安大雁塔东南侧, 建筑面积 87 120m。该建筑以唐文化为内涵
6、, 以古典皇家园林格局为载体, 借曲江山水, 演绎盛唐名园, 服务于当代的大型文化主题公园1。西大门 (图 1) 是全园主大门, 由 2 层七开间的门楼与南北各一座三出阙楼组成, 二者以单层服务设施和南北便门连接在一起。全组建筑高低错落, 左右对称, 平面呈“”形布局 (图 2) , 为典型的传统风格建筑。本工程结构设计使用年限为 50 年, 结构安全等级为二级, 结构重要性系数为1.0。建筑结构类型:门楼为框剪结构;三出阙楼下层为框剪结构, 上层为框架结构;两者之间的服务设施为框架结构。建筑抗震设防分类为丙类, 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
7、组, 框架抗震等级为二级, 抗震墙抗震等级为一级, 场地类别为类, 设计特征周期值为0.45s。图 1 建筑效果图 下载原图图 2 建筑屋面平面图 下载原图本工程建设时间为 2003 年, 原设计计算软件中参数的取值及指标的控制均依据2001 版抗震规范。由于 2001 版规范及相关计算程序现均已废除, 因此本文依据现行规范及计算软件对项目进行了复核计算分析。由于服务设施为单层框架结构, 结构体系明确, 构造简单, 不再详述。本文着重介绍门楼和三出阙楼的结构设计。2 门楼结构分析2.1 结构设计门楼主体结构 2 层, 在 2 层平面下标高 6.600m 处设置悬挑长度 2.9m 的飞檐, 屋面
8、为单檐庑殿布瓦顶, 建筑下设共 1.6m 高双层台基, 建筑高度 (室外地面至屋脊顶) 为 21.500m。建筑立面图见图 3, 结构布置及剖面如图 47 所示。为了满足建筑造型的要求, 体现唐风建筑的古风、古韵, 本工程结构设计中主要有以下难点:(1) 从建筑立面图中可以看出, 在 1 层层间, 标高 6.600m 处存在较大的悬挑飞檐。结构设计时为了平衡悬挑椽板传给外周边梁的较大扭矩, 在外檐椽板相邻内跨设置混凝土楼板, 导致该处形成一个结构夹层。该夹层到 2 层板面的高度远小于相邻 1 层层高, 因此必须选择合理的结构体系, 避免因结构楼层刚度的突变造成楼层的变形过分集中, 从而形成薄弱
9、层。图 3 建筑立面图 下载原图图 4 标高 6.600m 结构平面布置图 下载原图图 5 2 层结构平面布置图 下载原图图 6 屋面结构平面布置图 下载原图图 7 结构剖面图 下载原图(2) 在标高 6.600m、2 层平面及屋盖外周混凝土柱与框架梁的连接处设置混凝土斗拱, 在斗拱处柱头有“收分”, 直径由 470mm 收到 380mm。由于屋面梁板均采用现浇钢筋混凝土, 其上铺传统的唐式灰色陶瓦, 造成屋面荷载较大。而考虑混凝土柱收分后, 该部位强度、刚度削弱较多, 需要采用合适的方法, 满足结构的抗震要求。(3) 在 2 层平面处, 外檐柱向内侧产生“内收”的现象, 边柱向内退 500m
10、m, 角柱相应向 45方向内移, 使得结构的竖向传力路径不连续, 下层柱存在较大的偏心距。2.2 结构体系优化和计算指标分析结构计算分析采用 YJK 软件进行整体计算。为了取得建筑外观造型、功能和结构安全、经济合理的平衡点, 选取了两种结构方案与原方案进行比较分析:1) 方案一:采用框架结构, 圆柱直径为 470mm 计算时“忽略”圆柱收分;2) 方案二:采用框剪结构, 在方案一的基础上在左侧楼梯间和右侧管理房四周增加钢筋混凝土抗震墙。原方案:采用框剪结构, 在方案二的基础上把圆柱全高直径改为 380mm, 柱头“收分”通过建筑外部装饰来实现。3 种结构方案计算结果对比详见表 1。表 1 3
11、种结构方案计算结果 下载原表 由表 1 可见, 方案一计算得到的多遇地震作用下结构最大层间位移角不满足抗规限值 1/550 的要求, 且结构基本自振周期较长, 须增大结构整体的抗侧刚度, 但是由于建筑造型要求, 柱截面不能增大。1 层与相邻夹层的抗剪承载力之比小于 0.65, 楼层侧向刚度比远小于抗规要求的 0.7, 楼层抗剪承载力和侧向刚度突变, 导致薄弱层和软弱层同时出现在 1 层。此外, 在结构计算时, 没有考虑圆柱“收分”, 因此实际指标比软件计算更不利。综上所述, 该方案不合理。方案二和原方案计算结果差别不大, 各项整体计算指标均满足规范的要求。在规定的水平力作用下, 结构 1 层框
12、架部分承担的倾覆力矩均小于结构总倾覆力矩的 10%, 说明结构中框架承担的地震作用较小, 绝大部分均由混凝土墙承担。通过调整抗震墙的厚度和开洞大小可以较为显著地减小楼层承载力和刚度的突变, 避免了薄弱层和软弱层同时出现。特别是原方案, 框架柱全高均为一个截面, 不会因为柱头“收分”造成该部位刚度削弱、承载力突变, 且简化了“收分”柱的施工工序, 受力明确。因此, 原方案作为实施方案是比较经济合理的。2.3 关键部位的设计传统风格楼阁式建筑上层平面一般是在下层平面之上做若干变化, 外檐柱较下层收进是最常见的做法, 收进位置处通常采用斜柱节点或托柱转换的节点形式形成传力路径。本工程 2 层边柱底采
13、用截面尺寸为 380mm600mm 的框架梁和角柱底采用框架梁水平加腋 (厚度为 600mm) 的方法, 通过下层框架梁和楼板的弯剪受力来传递上部荷载。梁水平加腋托柱转换构造见图 8。图 8 梁水平加腋托柱转换构造 下载原图3 三出阙楼结构分析3.1 结构设计三出阙, 是城阙中最复杂的一类, 规格最高。一般形式是在母阙外或后侧附两出子阙, 子阙也是依次缩小, 规模都较母阙小, 平面进退有致, 更加强了立面上高低错落的效果, 大大丰富了建筑的造型。由于其造型复杂, 抗震性能较差, 无现存古建筑, 仅在一些古籍中方能觅其风采2。三出阙主体结构 2 层, 下层为台基, 上层为阙楼。屋面为歇山屋面布瓦
14、顶, 一、二及三阙下台基顶面结构标高分别为 7.620, 6.280, 4.940m, 屋脊顶面结构标高分别为 14.200, 12.100, 10.520m。建筑立面图和结构布置如图 911 所示。图 9 建筑立面图 下载原图图 1 0 台基结构平面布置图 下载原图为了尽可能地展现唐代三出阙楼的各种建筑特点, 本工程结构设计中遇到主要有以下问题:(1) 每阙的台基顶面、阙楼屋面均不在同一个标高, 且均存在“错层”现象。因此, 台基和阙楼的楼板均分成三块, 且相互错置, 削弱了楼板协调结构整体受力的能力, 在错层构件中产生很大的变形内力;并且由于楼板错层, 在一些部位形成竖向短构件, 使受力集
15、中, 不利于抗震。图 1 1 阙楼屋面结构平面布置图 下载原图(2) 由于基础顶标高为-2.100m, 1 层计算层高较高, 特别是一阙 1 层计算层高为 9.72m。因此如果采用框架结构, 在满足结构抗侧刚度的情况下, 圆柱截面太大, 一方面不能满足建筑造型要求, 另一方面 1 层是薄弱层, 结构不安全。另外, 台基外围斜板如果按围护结构考虑的话, 预制墙板高度太高, 施工难度较大。(3) 根据台基和阙楼建筑造型的特点, 圆柱在斗拱处均须“收分”, 造成该处承载力和刚度削弱。3.2 结构体系选择和计算结果分析3.2.1 结构体系的选择为了减小台基顶面“错层”、台基计算高度较大以及抗侧刚度较小
16、带来的不利影响, 规避预制墙板的缺点, 本工程台基的外围斜板采用钢筋混凝土墙体, 与主体结构一起浇筑, 斜板和外围圆柱之间采用混凝土墙连接在一起, 如此可使建筑物下部形成刚度较大的整体盒子, 为上部结构提供较大的底部刚度。为保证台基和上部阙楼的整体协同作用, 设计中对台基顶板和上层竖向构件进行了特别加强处理。台基墙柱布置见图 12。上层部分三阙楼设计时, 无法避免阙楼顶部相互错层, 对结构造成了不利影响。经综合考虑, 最终决定在计算模型中采用“基本部分+附属部分”共同作用的结构设计方案 (图 13) :假定各部分之间以铰接连接, 释放弯矩, 仅传递水平力和竖向力, 其中基本部分为超静定的几何稳
17、定体, 可以独立承受竖向荷载和水平荷载, 而附属部分自身单独无法承受荷载, 需要依靠基本部分的支承, 才能有效地将荷载传递给基本部分, 只要基本部分有足够的刚度和强度, 整个结构体系就是安全稳定的。图 1 2 台基墙柱布置 下载原图图 1 3 三出阙计算简图 下载原图另外, 从阙楼抗侧刚度上来看, 由于一阙的抗侧刚度比二阙的抗侧刚度大得多, 二阙屋面梁、板支承在一阙的深梁和层间阑额梁上 (图 14) ;一、二阙整体的抗侧刚度比三阙的抗侧刚度大得多, 三阙屋面梁、板通过深梁与二阙连接在一起 (图 15) 。也就是说可以先将一阙看作“基本部分”, 二阙看作“附属部分”;然后再将一、二阙整体看作“基
18、本部分”, 三阙看作“附属部分”。当荷载只作用在基本部分时, 附属部分的内力很小, 可以近似地认为它的内力等于 0。当荷载只作用在附属部分时, 基本部分的变形很小, 可以近似地看作附属部分的刚性支承。因此, 在计算过程中, 采用“基本部分+附属部分”共同作用的设计方案是较为合理的。这样, 就可以把基本部分和附属部分分开考虑, 附属部分只起向基本部分传递荷载的作用, 可以较为有效地降低阙楼屋面“错层”的不利影响。在该设计中这种算法是近似的;“基本部分”与“附属部分”的刚度相差愈大, 则计算结果愈精确3。3.2.2 计算结果分析三出阙结构整体计算采用 YJK 软件, 层间刚度比、周期、位移角计算结
19、果见表2。表 2 层间刚度比、周期、位移角 下载原表 由表 2 可见, 下层台基的侧移刚度 (剪切刚度) 很大, 远大于上层阙楼的侧移刚度, X, Y 向的结构基本自振周期比较接近, 上层阙楼的层间位移角均小于抗震规范的限值 1/550, 说明台基外围斜板采用混凝土墙, 增加了结构的整体抗侧刚度, 有效地约束了阙楼的侧向变形, 各项计算指标均满足规范的要求。图 1 4 一阙深梁和阑额梁立面示意 下载原图图 1 5 二阙深梁立面示意 下载原图为了避免因楼层侧向刚度的突变, 进而出现“鞭梢效应”, 影响三出阙的结构安全, 采用弹性时程分析法对该结构进行多遇地震作用下的抗震性能补充计算。地面加速度时
20、程曲线选用 1 条人工模拟波和 2 条按实际强震记录的地震波, 时程曲线选用应满足规范要求。分析结果见表 3。表 3 时程分析法和 CQC 法计算结果对比 下载原表 由表 3 可知:由于时程分析法时的层间剪力大于振型分解反应谱法时的层间剪力, 故计算内力时应将反应谱的地震作用乘以相应的放大系数后再进行内力计算, 两者的各项计算指标基本一致。为了确保该结构实现“大震不倒”的抗震设防目标, 采用弹塑性时程分析法对其进行罕遇地震作用下的弹塑性位移验算, 计算结果显示上层阙楼弹塑性层间位移角为:X 向为 1/105;Y 向为 1/60, 均小于抗震规范的限值 1/50。3.2.3 阙楼顶部层间梁作用分
21、析由于阙楼建筑造型的要求, 需要在柱头“收分”处设置上、下两层水平层间梁 (图 16) , 下层阑额梁截面为 120mm210mm, 上层梁截面为 120mm190mm。其中, 一阙层间梁顶标高为 10.430m 和 11.020m, 二阙层间梁顶标高为 8.850m 和9.440m, 三阙层间梁顶标高为 7.780m 和 8.370m。为了与原设计保持一致, 前面整体计算中没有考虑层间梁的作用, 现为了更准确地分析层间梁对阙楼整体结构抗震性能的影响, 在计算模型中增加上、下两层层间梁, 计算结果为:X 向周期为 0.34s, 最大层间位移角为 1/997;Y 向周期为 0.38s, 最大层间
22、位移角为 1/997。与表 2 对比可见, 结构基本自振周期明显变短, 最大层间位移角显著变大, 说明增加水平层间梁可以有效减小框架柱的计算高度, 增强阙楼结构的整体性, 提高结构的空间刚度, 减小柱头“收分”带来的不利影响。图 1 6 阙楼层间梁布置 下载原图3.3 关键节点的分析与设计由于一、二和三阙屋面楼板的错层和层间梁的设置, 圆柱在柱头处形成了短柱, 在地震作用下很容易发生剪切破坏从而造成结构破坏甚至倒塌。设计中在阙与阙相接部位, 采用深梁 (图 14, 15) 把错层楼板连接在一起, 扩大了与深梁相连的圆柱节点核心区范围, 一方面把因错层形成的短柱包括在节点核心区范围之内, 避免了
23、短柱造成的不利影响, 另一方面也提高了梁柱节点核心区的抗剪承载力。而对于因设置层间梁不可避免出现的短柱, 为了提高短柱的承载力或变形能力, 使短柱的抗震性能得到提高, 保证结构安全, 设计中采取圆柱箍筋全高加密, 加大箍筋截面, 提高体积配箍率等抗震构造措施。4 结语(1) 传统风格建筑受艺术造型的限制, 柱截面通常较小且柱头“收分”, 而计算高度较高, 如果框架结构不能满足结构的抗震要求时, 可以考虑增加抗震墙, 使绝大部分的地震作用由抗震墙承担, 规避柱头“收分”造成的强度和刚度的突变, 简化“收分”柱的施工。(2) 通过调整抗震墙的厚度或开洞大小可以减小楼层承载力和刚度的突变, 避免薄弱
24、层和软弱层的出现。(3) 三出阙台基外围斜板采用混凝土墙, 一方面增加了结构整体抗侧刚度, 减小了上层阙楼的侧向变形;另一方面规避了预制墙板的一系列问题。(4) 整个三出阙的屋盖体系, 采用“基本部分+附属部分”共同作用的结构设计方案, 通过调整相应的构造措施, 实现各阙之间以铰接连接, 可降低阙楼屋面“错层”的不利影响。(5) 三出阙上层阙楼根据建筑造型要求, 在柱头处设置层间梁, 可以有效减小框架柱的计算高度, 增强阙楼结构的整体性, 提高结构的空间刚度。参考文献1张锦秋.唐韵盛景曲水丹青J.建筑学报, 2006 (7) :52-56. 2韩建华.中国古代城阙的考古学观察J.中原文物, 2005 (1) :53-61. 3结构力学编写组.结构计算简图的选择J.清华大学学报 (自然科学版) , 1973 (4) :117-141.
