南京江北图书馆结构设计

Vol.49No.24

2019年12月下

Building Structure

Dec. 2019

DOI：10. 19701/j.jzjg.2019. 24. 004

南京江北图书馆结构设计

冷斌，张磊

(江苏省建筑设计研究院有限公司，南京210019)

[摘要]南京江北图书馆主体结构高度40.0m,采用钢框架结构体系，建筑平面由东西两个分区组成，东西单体于 3〜6层仅有两道连廊连接，单个连廊宽度约为5m，结构内存在东西单体变形协调、连廊薄弱连接、大跨桁架转换、 大悬挑、斜柱、穿层柱等情况，为复杂超限高层。阐述了本项目的结构体系、分块刚体模型及其性能化目标。全面 介绍了结构设计中的关键技术问题，包括反应谱分析、弹性时程分析、楼板应力分析、人致振动舒适度分析、节点分 析等。结果表明，结构整体设计满足设定的性能目标及规范的相关要求。

[关键词]南京江北图书馆；复杂超限高层；分块刚体；空间结构；人致振动舒适度分析；节点分析 中图分类号：TU318

文献标识码：A

文章编号：1002-848X ( 2019 ) 24-0024-05

Structural design of Nanjing Jiangbei Library

Leng Bin, Zhang Lei

(Jiangsu Provincoal Architectural D&R Institute Ltd, Nanjing 210019, China)

Abstract： The main structure of the Library in Nanjing Jiangbei New Area with 40. 0 meters height adopts steel frame

structural system. The plane of the building is composed of two east and west partitions. There are only two corridors connecting the east and west buildings on the third to sixth floors. The width of a single corridor is about 5m. There are some situations in the complex out-of-code tall building structure, such as the coordination of the deformation of the east and west buildings, the weak connection of the corridor, the transformation of the large-span truss, the large cantilever, the inclined column and the cross-layer column, etc. The structural system, multi-rigid body model and performance-based design goal of the project were described. The key technical problems in structural design were introduced, including response spectrum analysis, elastic time-history analysis, floor stress analysis, analysis of human-induced vibration comfort and joint analysis, etc. The results show that the overall design of the structure meets the set performance objectives and the relevant requirements of the specification.

Keywords： Nanjing Jiangbei Library； complex out-of-code tall building； multi-rigid body； spatial structure； analysis of

human-induced vibration comfort； joint analysis

i

工程概况

江北图书馆（图i)位于南京市顶山街道石佛大 道以西、万寿路以北，占地面积32 000 m2,总建筑面 积77 403m2,其中地上42 380m2,地下35 023m2。地 面以上共8层，结构高度40m,层髙均为5m,首层主 要用作商业和多功能大厅，2层为儿童活动和自习 区，3层及以上为图书阅览、陈列展览和办公会议 区；地下2层，地下1层层高7. 2m,主要用作商业餐 饮和设备用房，地下2层层高4. 2m,用作车库和战 时人防。地面以上楼面长130. 7m,宽85.0m;地下 图1

江北图书馆建筑效果图

室长约142m,宽126m。

主体建筑抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度 结构，侧向剪切刚度较大，作为上部结构的嵌固端。

为7度，设计基本地震加速度为〇. l〇g,设计地震分 2 结构体系 组为第一组，场地类别为II类，特征周期为2.1

结构布置

〇.45S;风荷载取值为〇.40kN/m2,地面粗糙度类别为B 上部主体采用钢框架结构，型钢材质均为

类，结构安全等级为一级，结构重要性系数为1. 1。作者简介：冷斌，硕士，高级工程师，一级注册结构工程师，Email:

地下室采用混凝土框架结构体系，相比上部钢框架

377528834@ qq.com。

第49卷第24期

冷斌，等.南京江北图书馆结构设计25

Q345B'11,中间部分为中庭共享空间，中庭西侧单体

共7层，高35m;东侧单体共8层，高40m。其中3~ 7层每层设两道连廊连接两边结构，连廊最大跨度 约26m，其中3~6层单个连廊板面最小宽度约为 5m。钢框架柱截面一般为小800x40圆钢管柱，柱网 尺寸9 000mmx9 000mm，框架梁采用H型钢梁，一

般截面H550x300xllxl8,楼板采用llOrrnn厚钢筋 衍架楼层板，混凝土强度等级C30。3~6层典型结 构平面布置图见图2。

图4转换桁架三维模型

27000

.

lll证上弦杆的稳定，在下弦第一个节间范围内设置平 llll面支撑，保证受压弦杆的稳定，在下弦的跨中位置增 lltll加两道连系杆，增加结构整体性。

l连廊s

rlsri

—2.3结构分块刚体模型

ml由于中庭共享空间，在3 ~6层只有两个宽约 006l1

0 0l5m的连廊连接东西两个单体，连接板宽远不足楼板 SmSll总宽度的50%,故增加分块刚体模型计算，对东西 iA两个单体分别计算，并与整体计算模型结果比较进 24800

行包络设计。分块刚体模型见图5。

图23~6层典型结构平面布置图

为提高关键竖向构件的竖向承载力及延性，同

时防止钢管柱局部屈曲，对结构体系中13根关键部 位框架柱（穿层柱、大悬挑根部柱、转换桁架边框 柱）采用钢管混凝土柱，型钢材质Q345B,混凝土强 度等级C40,典型截面(|)800x40,柱直径与其钢管壁 厚比值控制在25 ~ 40。主体结构MIDAS Gen三维 模型见图3。

对比东西两个单体前20阶振型计算结果，两个 单体的周期比均满足规范要求，且二者的动力特性 接近，第一阶振型均为^向平动，第二阶振型均为X 向平动，第三阶振型均为扭转，与连体结构的动力性能一■致D

图3

主体结构MIDAS Gen三维模型

2.4结构超限情况及相应加强措施

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011 — 2.2大跨转换桁架

2010)[2](简称《抗规》）、《高层民用建筑钢结构技术 为实现建筑体型立面收进，同时保证东侧单体 规程》（JGJ 99—2015) w(简称《高钢规》）及《超限 北侧报告厅的空间使用，在报告厅的屋面处设置了 高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质 三榀转换桁架（图4)上抬三根框架柱，桁架髙度为[2015]67号）的有关条文，本结构存在包括平面、立 3. 5m,由于此处为坡屋面，桁架在低点处的髙度为

面不规则等在内的6项不规则项，属于特别不规则 1. 73m,节间长度为3,2. 4m,上弦杆件截面为H700X 超限高层建筑。

400x40x40,下弦杆件截面为 H60〇x40〇x4〇x40,腹

超限具体情况如下：

杆截面为 H400x400x30x30。

(1)扭转不规则：在考虑偶然偏心影响的地震 在上弦每个节间设置与桁架垂直的屋面梁，保

作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移

26

建筑结构

地震作用下主体结构位移结果比较

指标

结构顶点最大位移/mm

最大层间位移角(所在楼层）

偶然偏心地震下最大水平位移比（（所在楼层））

SATWEMIDAS GenSATWE

34.5033.47

2019 年

表2

32.4531.69

大于该楼层平均值的1.2倍，y向最大位移比为 1.46(6层），3层楼面由于多功能厅上空，导致楼层 偏心率达到36.75%。

(2)

只有两个宽约5m的连廊连接东西两个单体，连接 板宽不足50%。

(3) X向地震作用F向地震作用

楼板不连续：由于中庭共享空间，在3~6层

1/663(3 层）1/743(3 层）

MIDAS Gen1/698(3 层）1/762(3 层）SATWEMIDAS Gen

1.36(7 层）1.41(6 层）

1.43(7 层）1.46(6 层）

尺寸突变：由于建筑功能要求以及立面变

化，在4层楼面（15. Oin标髙）形成竖向体型收进。(4) 构件间断：有2根框架柱在3层楼面需通过转换梁转换，有3根框架柱在4层楼面需要通

过桁架转换。

(5) 局部不规则：在1层西侧展厅存在多l〇m高穿层柱，多功能厅存在15m髙穿层柱以及1

层存在斜柱。

(6)

3层顶存在转换桁架，故3层与4层受剪承 载力比值为〇.73,小于〇_8〇。

针对以上6项不规则项，结合超限审查专家委 员会建议，采取如下4项加强措施：

(1)

对于楼板不连续，增加分块刚体模型计并与整体计算模型结果比较进行包络设计。同时对

连廊按弹性板模拟实际刚度，按照中震弹性计算连

接板的拉力和剪力，并从构造上对连接板予以加强。

(2) 4层屋面的转换桁架、转换柱以及3层楼面

的转换梁、转换柱按照中震弹性设计，抗震等级由三

级提高为二级，均考虑竖向地震作用，竖向地震作用

标准值取重力荷载代表值的5%。

(3) 穿层柱、斜柱均按照中震弹性设计计算。

(4) 悬挑梁计算时应考虑竖向地震作用，时应使其在平面外与主体结构相连，保证其在地震

作用下的水平稳定性；竖向地震作用标准值取重力

荷载代表值的5%,悬挑梁应力比控制在0.8以内。

且需要复核楼盖的舒适度。

3 结构计算分析

主体结构主要采用SATWE进行整体计算，采 用MIDAS Gen进行对比验算以及对关键部位进行 补充分析，以保证结构分析的准确性。3.1反应谱分析

在结构整体计算中，梁、柱均采用空间梁单元, 楼板采用壳单元，计算中考虑效应和扭转耦联 效应。两个不同软件分析的整体模型的计算结果见 表 1~3。

主体结构前6阶周期计算结果比较

表1

周期T}/s

T2/s

T3/

s

T4/

s

T5/s

T6/

s

MIDAS Gen2. 112 5

1.984 31.903 10. 706 00. 661 70.631 3SATWE

2. 0 9

1.937 3

1.766 9

0. 6 9

0. 5 9

0. 618 9

地震作用下主体结构剪力、剪重比及倾覆力矩结果比较表3

X向地震作用

y向地震作用

软件

剪力

倾覆力矩 剪力

/kN剪重比/(kN • m)/kN剪重比倾覆力矩 /(kN • m)SATWE

11 424

0.019273 17312 3380.021294 735MIDAS Gen11 332

0.019

270 436

12 1

0.020

2 827

由表1可知，两种软件计算的周期相近，绝大部 分水平振动周期相差在2. 5%左右。

根据《

抗规》第5. 5. 1条规定：多高层钢结构楼 层层间最大位移与层高之比不宜大于1/250。由表

2可见，位移计算结果均能满足此规范要求，结构体 系具有良好的抗侧刚度。由表3可知，两种软件计

算，

的剪力及倾覆弯矩相近，计算偏差均在1.5%

左右。

根据《抗规》第5.2.5条规定:7度（0. 10g)区基

本周期小于3. 5s的结构楼层最小地震剪力系数为

0.016。由表3可见，本工程两种软件计算的各楼层

最小剪重比皆大于0.016,剪重比均满足规范要求。

3.2弹性时程分析

对本项目进行了弹性时程分析，作为振型反应

谱法计算结果的校核，以保证结构安全可靠。地震

波采用由中国建筑科学研究院提供的两组天然波及

一组人工波。地震波谱与规范谱周期点误差对比及

地震波时程曲线见图6,7。

时程分析法计算的底部剪力与振型反应谱法分

析计算出的基底剪力对比详见表4。由表4结果可

见：每条时程曲线计算所得的结构基底剪力均不小

于振型反应谱法（CQC法）计算出的基底剪力的

on 4

.0.1— 2 o.

0 0.0o .8 0

.

o 6 o4

要个算布置

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冷斌，等.南京江北图书馆结构设计27

.5

0.

(>

zs/s/lf-0

铟 -0镧a-0

写7?,

10 20

30

10

20

30 4050

60

10

20 30

时间/s 时间/s 时间/s (a)人工波

(b)天然波1

(c)天然波2

图7主体小震波时程曲线

65%,3条时程曲线计算所得的结构基底剪力的平 1.82748e-KJOO均值大于振型反应谱法求得的基底剪力的80%,地 1.49532e-K)00 震波的选取满足规范要求。

1.32924e-* b-K

K

)00

1.16317®-* b-)00时程分析法与CQC法计算的基底剪力比较

表4

9.970e-001 人工波天然波1天然波2

8.310 lle-OOl 地震波

0°90°0°90°0°

90°

6.933e-001 基底剪时程分析法

11 18513 45110 77913 105

9 08611 830

4.9885Se-001 力/kN3.32777e-001 CQC法11 74811 811 74811 811 74811 81.66699e-001 时程分析法/CQC法

0. 95

1. 13

0.92

1. 10

0.77

1.00

6.21426® \"004

3.3连廊楼板应力分析

(a)X向地震作用下楼板主拉应力（最大值约为1.83MPa)

•KJOO

本工程东西单体采用26m连廊连接，连廊中的 2.13498e -KJOO1.92lS6e-K)00 梁分别连于两侧结构的柱或梁上，根据超限审査委 1.70814e-K)〇〇 员会专家意见，将梁拉人两侧主体各一跨，采用分块 1.49472e-K)00-KJOO

刚体模型对连廊楼板进行应力分析。把一个楼层平 L.067e-K

)00 面模拟成为用弹性连接板连接的两块刚性隔板（图 }.54466«-001

5),刚性隔板可分别平动以及绕各自的刚心扭转并 二

6.41046«-001 4.27626«-001 通过连接板协调变形。

2.14207e-001 7.87082e-004

设防地震作用下连廊部位的楼板主拉应力见图 (b) r向地震作用下楼板主拉应力（最大值约为2.35MPa)

8。从图8可知，板的最大主拉应力约为2. 35MPa, 图8

楼板的主拉应力/MPa

板筋采用HRB400,计算得每米所需受拉板筋面积4. = 966mm2,实配双层双向韭14@100,基本满足中 震弹性的要求。针对角部应力较大区域，额外配置 斜向分布钢筋以满足计算及构造要求。

3.4人致振动舒适度分析

本工程按《高钢规》要求进行舒适度计算。对 振动频率较小的2层楼板进行时程分析，人行荷载 模型采用国际桥梁与结构工程协会（IABSE)建议的 模型，人重取600N,行走频率在1.6 ~ 2. 4Hz之间 (本工程取值为2.0HZ)。正常情况下，行人密度在 图9

时程激励荷载的施加示意图

0. 3~0. 6人/m2时为稍稠状态，行人密度在0.6-1 人/m2时为稠密状态，本工程按1人/m2左右的人 出现在跨中，数值为〇. 140m/s2<0. 185m/s2,满足 群密度考虑，在6m范围布置6股人流，结构荷载施 《高钢规》的舒适度要求。加如图9所示，分析时以1.0恒载+ 0.5活载作为分 3.5转换桁架分析

析的起始荷载条件。

采用MIDAS Gen对转换桁架进行中震验算，可 对结构进行动力时程分析，得到各楼层处最不 发现最大应力比出现在端部下弦杆，为0.77,斜腹 利点的加速度响应，如图10所示，最大峰值加速度

杆最大应力比为0.61，钢管混凝土柱的最大应力比

28

建筑结构2019 年

005O00(JS5O

/UG

IE)/5O^铟0O

兵

-150 -

图10最不利点的加速度响应

为0.77,均能满足中震弹性的要求。其中，单榀转

图11转换桁架中震验算应力比

转换桁架作为报告厅的顶盖，支承上部5层楼

面，属于重要结构，对其安全性要求很高，根据《高 钢规》要求，需要对其进行抗连续倒塌分析。

分析连续性倒塌的方法主要有拉结强度法、特 殊局部抗力法、改变荷载路径法等。针对本工程，采 用线性静力分析方法对其进行拆除杆件分析。通过 转换桁架的受力分析，拆除桁架的关键斜腹杆。

按照《高钢规》第3.9.3条及公式（3. 9.4)规 定，恒载组合系数取1.0,活载组合系数取1.0,活载 准永久值系数取为0.8,竖向荷载动力放大系数取2.0。按《高钢规》3. 9. 5条，钢材正截面承载力验算 时，钢材强度取抗拉强度最小值。主要构件应力见 表5。从表5可知，拆除端跨斜腹杆后，各构件的应 力均小于限值470MPa,结构仍处于安全状态，满足 抗连续倒塌的设计要求。

拆除端跨斜腹杆后主要构件应力/MPa

表5

工况恒载0作用

活载L作用

2.0(Z)+0. 8L)作用

上弦8239226.4下弦8544240.4腹杆

106

51

293.6

3.6

节点分析

转换桁架与主体钢柱的连接节点受力性能复杂 且对结构整体稳定性和刚度影响至关重要，为确保 结构安全，采用MIDAS FEA对此节点进行分析，混 凝土本构模型采用混凝土塑性损伤模型，钢材本构 模型为考虑硬化效应的双折线模型。混凝土和钢构

件均采用C3D8R实体单元进行模拟。模型求解过 程考虑大位移效应（几何非线性）和材料非线性（材 料弹塑性）。节点有限元模型如图12所示。

mf

图12节点有限元模型

图13所示为在设计荷载作用下节点区域的

v〇nMises应力图。根据计算结果可知，在外荷载作

用下，节点区域的最大von Mises应力发生在桁架弦

杆及腹杆与钢柱交接处下侧，为191.765MPa，没有 超过弹性应力值345MPa。说明材料最不利位置没 有进人塑性状态，结构安全冗余度较髙。

♦2.9097Se>000

图13 节点区域的von Mises应力图/MPa

4

结语

南京江北图书馆主体属于复杂超限高层，东西 两单体由中间薄弱走廊连接，结构内存在大跨桁架 (梁柱）转换、大悬挑、斜柱、穿层柱等复杂情况，设 计中有针对性地对结构进行弹性、弹塑性时程分析 及楼板应力分析、施工模拟分析、节点分析，确保了 结构安全。该工程于2018年通过超限审査及施工 图审査，目前正在处于主体施工阶段。

参

考

文

献

[1 ]钢结构设计标准：GB 50017—2017[S].北京：中国建

筑工业出版社，2018.

[2 ]建筑抗震设计规范：GB 5001丨一2010[S].2016年版.北

京：中国建筑工业出版社,2016.

[3 ]高层民用建筑钢结构技术规程：JGJ 99—2015[S]•北

京：中国建筑工业出版社，2015.