1、普陀山佛学院大雄宝殿结构设计与研究 王景 贾俊明 刘锋 李建兵 中国建筑西北设计研究院有限公司 摘 要: 大雄宝殿是普陀山佛学院的核心建筑, 为一座典型的唐风庑殿建筑。采用框架-剪力墙结构体系, 通过分析建筑特点, 确定了合理的结构设计方案。重点介绍了结构布置、整体计算及关键节点设计等相关内容。分析了收分柱侧向刚度对层间位移角的影响。对柱收分处节点模型进行拟静力试验, 观察了试件的受力过程及破坏形态, 得到了柱端水平荷载-位移滞回曲线, 进一步研究及论证了方钢管混凝土柱与下端钢筋混凝土圆柱连接节点的抗震性能。该工程在继承传统建筑风格的基础上, 运用现代建筑结构材料和工艺, 满足了建筑功能需求,
2、 确保了工程的经济性和安全性, 为类似工程的设计提供参考。关键词: 传统建筑; 庑殿; 抗震性能; 结构设计; 柱连接; 作者简介:王景, 硕士, 高级工程师, Email:。基金:中建股份科技研发课题 (CSCEC-2012-Z-16) Structural design and research on Mahavira Hall of Mount Putuo Buddhist InstituteWang Jing Jia Junming Liu Feng Li Jianbing China Northwest Architectural Design and Research Instit
3、ute Co., Ltd.; Abstract: Mahavira Hall is the core architecture of Mount Putuo Buddhist Institute, and is a typical Wudian architecture with Tang Dynasty style. The frame-shear wall structure system was adopted, and the reasonable structural design scheme was determined by analyzing the building cha
4、racteristics. The structural layout, whole structural calculation and the design of key joints were introduced emphatically. The impact of lateral stiffness of column with variable cross-sections on interlayer displacement angle was analyzed. Quasi-static tests were carried out on the node model for
5、 section variation, and the failure process and patterns of the specimens were observed to obtain the horizontal load-displacement hysteretic curve of the column and further research and demonstrate the seismic performance of connection joint of concrete-filled square steel tubular column and the lo
6、wer reinforced concrete column. Based on the inheriting of the traditional architectural style, the project used modern building materials and technology to meet the functional requirements, to ensure the safety and economy of the project, which can provide reference for similar engineering design.K
7、eyword: traditional architecture; Wudian; seismic performance; structural design; column connection; 1 工程概况庑殿建筑是古代传统建筑中的最高形制, 其屋顶陡曲峻峭, 屋檐宽深庄重、气势雄伟浩大, 多用作宫殿、坛庙等形制较高的建筑, 是中轴线上主要建筑最常采取的形式。普陀山佛学院大雄宝殿 (图 1) 作为普陀山佛学院的核心建筑, 其阔九间十柱, 周围廊、高坐台、斗拱宏大、挑檐深远, 气宇轩昂, 是一座典型的唐风佛殿1。工程的设计基准期为 50 年, 结构安全等级为二级, 抗震设防烈度为 7 度
8、, 设计基本地震加速度为 0.1g, 设计地震分组为第一组, 场地类别为类, 场地特征周期为 0.45s, 抗震设防类别为丙类。混凝土强度等级为 C30, 基本风压、结构体型系数、风压高度变化系数、风振系数等均按照规范取值。2 建筑特点和结构定案大雄宝殿南立面、平面、剖面图见图 24, 作为佛学院的核心建筑, 归纳其工程特点如下:(1) 该项目为礼佛建筑, 其使用功能上要求空间开畅;遵循传统露明造做法, 建筑无吊顶, 屋架、梁、柱等结构构件均外露 (图 4) ;且梁、柱截面形状及尺寸受建筑造型限制。图 1 大雄宝殿效果图 (第三进) 下载原图(2) 建筑檐口标高 9.08m, 屋脊高度 16.
9、64m (图 4) , 坡屋面体量较大, 挑檐深远, 椽板最大悬挑 3.9m, 独立圆柱在斗拱部位收分为方柱, 且斗拱系统需要固定在收分方柱上。图 2 大雄宝殿南立面图 下载原图图 3 大雄宝殿平面图 下载原图图 4 大雄宝殿横剖面图 下载原图(3) 建筑室内地面标高 1.92m, 室内外高差 1.22m (图 3, 4) 。且场地属于大面积填方场地, 建筑地面及台明易沉陷开裂。(4) 传统建筑多为木结构, 构件连接为榫卯连接, 自重较轻。但考虑到木结构强度、耐久性、耐火性、经济性等不利因素, 该项目采用钢筋混凝土结构, 但结构自重较大。针对上述建筑特点, 确定结构方案如下:(1) 由于梁、柱
10、截面形状及尺寸受到限制, 如采用框架结构会造成结构抗侧刚度不足, 因此在建筑窗间墙位置设置剪力墙 (图 3) , 结构形式调整为框架-剪力墙结构, 其在满足了建筑要求的柱截面形状的同时, 保证了结构所需的抗侧刚度, 具有较好的抗震性能。坡屋面根据建筑举折尺寸按照现浇钢筋混凝土刚性屋架设计, 既能减小杆件截面尺寸, 又能获得很好的屋面刚度, 实现建筑内部大空间等要求。(2) 建筑场地属低洼软土地区, 天然地基承载力特征值为 8k Pa, 总平面设计为大面积填方, 填方厚度约 2m, 场地绝对沉降值较大, 易产生不均匀沉降。经验算柱底荷载较大且各柱差值较大, 采用天然地基方案不成立, 故基础形式采
11、用桩基承台, 桩型则选用承载能力较大、抗沉降能力较强的预应力混凝土管桩 (PC-AB400 (75) a 型) , 桩端进入全风化花岗岩层不小于 0.6m, 单桩竖向承载力特征值不低于 700k N。(3) 为减少回填土方量, 并避免回填地基产生较大沉降对 1 层建筑地面产生破坏, 对建筑 1 层地面设置架空地坪, 架空地坪采用现浇梁板式楼盖。所有建筑台明、踏步均采用悬挑梁、板, 以避免沉降。(4) 为满足建筑造型及斗拱系统安装需要, 独立圆柱截面从圆形收分为方形 (图 5 (a) ) 。为保证结构抗震性能并同时考虑其经济性, 下部圆柱采用钢筋混凝土柱;为保证上部收分柱的抗震性能, 圆柱收分后
12、采用方钢管混凝土柱 (图 5 (b) ) 。该构造做法可减小下部圆柱与上部收分柱的刚度差异, 且便于斗拱的安装与固定。(5) 屋檐钢筋混凝土椽及斗拱系统数量巨大, 截面尺寸较小, 现浇困难, 施工速度较慢, 故采用现场或工厂预制、现场施工组装的方法, 以确保工程质量并缩短工期。预制构件通过锚筋或预埋钢板与梁、柱连接。此方案斗拱不作为受力构件2, 结构计算阶段可不考虑斗拱对整体结构的影响。预制椽、斗拱及现浇屋面板, 均采用轻骨料陶粒混凝土 (表观密度不大于 1 500kg/m) , 以降低结构自重。预制椽内配钢筋, 椽上屋面叠合板增设无粘结预应力钢筋以减小悬挑椽板的挠度。3 结构布置和计算分析采
13、用 PKPM 软件中的 SATWE 程序进行整体结构内力、位移计算, 大雄宝殿屋面结构平面如图 6 所示, 整体模型见图 7, 模型中主要结构构件截面尺寸及材质见表 1。图 5 混凝土圆柱收分 下载原图图 6 大雄宝殿屋面结构平面 下载原图图 7 计算整体模型 下载原图表 1 主要构件截面规格及材质 下载原表 结构周期计算结果见表 2, 多遇地震作用下反应谱法计算结果见表 3, 由表 2, 3 可知, 结构周期比 Tt/T1=0.861.05 时, 如果不考虑收分钢管混凝土柱的影响, 层间位移角计算结果并不真实, 反映出结构在多遇地震作用下的弹性层间位移角无法满足规范要求, 造成地震时填充墙等
14、维护结构发生破坏。反之, 当 K1/K21.05 时, 可以不考虑钢管混凝土柱的影响, 不考虑其影响时, 需对其层间位移角放大 K1/K2倍以验证是否满足规范要求。4.2 抗弯承载力分析图 9 计算简化模型 下载原图图 1 0 弯矩图 下载原图由于框架柱上端按照铰接考虑, 在水平地震作用下, 柱弯矩按正三角形分布, 见图 10。当框架柱收分部位无外加竖向荷载及水平荷载时, 方钢管混凝土柱和钢筋混凝土圆柱承受同样的剪力和轴力, 则可通过公式 (4a) (4c) 判断钢筋混凝土圆柱柱根与方钢管混凝土柱破坏的先后顺序:式中 Mu, Mu1分别为钢筋混凝土圆柱和方钢管混凝土柱的抗弯承载力, 计算公式参
15、考混凝土结构设计规范 (GB 500102010) 和钢管混凝土结构技术规范 (GB 503962014) 。当满足公式 (4a) 时, 方钢管混凝土柱先于钢筋混凝土圆柱柱根破坏;当满足公式 (4b) 时, 方钢管混凝土柱与钢筋混凝土圆柱根同时破坏;当满足公式 (4c) 时, 钢筋混凝土圆柱柱根先于方钢管混凝土柱破坏。设计方钢管混凝土柱时, 建议提高钢管的钢材强度等级或者壁厚以使其满足公式 (4c) 。5 节点试验分析通过对框架柱收分处节点构件进行荷载-位移混合控制的加载试验3, 得到了方钢管混凝土柱与钢筋混凝土圆柱连接的破坏形态 (图 11) 和滞回曲线 (图 12) , 进一步验证了上端收
16、分柱与下端圆柱连接节点的抗震性能。该试验在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室完成。加载过程中, 钢筋混凝土柱先后出现竖向裂缝及环向水平裂缝。随着荷载增大和裂缝的进一步发展, 钢筋混凝土柱柱根纵筋进入屈服状态。试验进入位移控制阶段后, 随着控制位移的不断增加, 钢筋混凝土柱柱根纵筋及箍筋均达到屈服, 进一步加载时, 方钢管混凝土柱内插钢管逐渐屈服, 试件水平承载力降低, 直至试件最终破坏。在整个加载过程中试件的整体协同变形能力较好, 试件的破坏形态以弯曲破坏为主, 并伴有剪切现象。图 1 1 试件加载与最终破坏形态 下载原图图 1 2 试件荷载-位移滞回曲线 下载原图通过试验可知,
17、钢筋混凝土圆柱与方钢管混凝土柱的承载力满足公式 (4c) , 即钢筋混凝土圆柱柱根先于方钢管混凝土柱破坏, 试验与假设相符。由图 12 可以看出, 试件的滞回曲线饱满, 说明框架柱收分处节点耗能能力显著, 具有可靠的抗震性能。6 实施效果该工程 2005 年 12 月设计, 2007 年 7 月主体结构完工。竣工后的大雄宝殿 (图13) 出檐深远, 气宇轩昂, 和佛学院其他建筑一起, 在背山怀水的礼佛区塑造出一处世间未见、天国方有的静明境界1。7 结论针对该工程的设计得出以下结论:(1) 结合建筑方案特点, 采用合理的结构体系, 保证了结构所需的抗侧刚度, 具有较好的抗震性能。(2) 通过采用
18、预制构件, 简化了结构计算及施工工艺, 在保证质量的同时缩短了施工工期。图 1 3 建成后效果 下载原图(3) 预制构件及屋面板采用轻骨料陶粒混凝土, 有效减轻了结构自重, 降低了安装难度、减小了大悬挑构件的挠度。(4) 通过对框架柱收分处抗侧刚度计算, 明确了当采用有限元软件简化计算且不考虑钢管混凝土柱的影响时, 其层间位移角须进行放大。(5) 通过对柱收分处节点的拟静力试验, 得到了方钢管混凝土柱与圆钢筋混凝土柱连接节点的破坏形态和滞回曲线, 进一步验证了上端收分柱与下端圆柱连接节点的抗震性能, 达到了“强节点弱构件”的抗震设计要求。参考文献1张锦秋.盛世伽蓝M.中国建筑工业出版社, 2012. 2车顺利, 韦孙印, 吴琨, 等.唐大明宫丹凤门遗址博物馆结构设计J.建筑结构, 2017, 47 (3) :88-91. 3林建鹏.仿古建筑方钢管混凝土柱与钢筋混凝土圆柱连接抗震性能试验研究D.西安:西安建筑科技大学, 2015.