摘 要 本文较为全面地阐述了河北省图书馆改扩建工程的结构设计，包括地基基础设计、结构体系选择、计算分析、大跨度钢结构采光顶设计、结构超长及抗震技术措施、材料选用、施工要求等方面的内容。
关键词 地基基础设计；计算分析；大跨度钢结构；施工要求
1 工程概况
河北省图书馆改扩建工程位于石家庄市范西路和东大街交叉口西南角，与河北省博物馆隔街相望。本工程扩建部分建筑面积约2.5万m2，地上4层，现浇钢筋混凝土框架结构，层高5.6m，局部地下1层，层高5.4m，室内外高差0.75m。首层主要功能包括检索、阅览、书店、展览及快餐等，2～4层主要功能为图书、报刊、多媒体阅览、图书借阅、书库，地下室主要功能为多功能报告厅、设备用房及书库等。建筑主体高度23.15m。扩建部分与原有书库楼和阅览楼相邻。
建筑南立面效果图见图1，新馆和旧馆之间的关系见图2，扩建部分建筑平面、剖面见图3及图4。
图1 建筑南立面效果图
图2 新旧馆之间关系
图3 首层建筑平面图
图4 建筑剖面图
2 地基基础设计
2.1 设计原则
地基基础设计必须满足强度、变形和稳定的要求。
2.2 工程地质概况
拟建场地位于太行山山前冲洪积平原区，地处滹沱河冲洪积扇南缘。场地为旧有建筑物拆除场地，地形较平坦。根据本工程岩土工程勘察报告表述，拟建场地30m以上土层均系第四纪堆积物，根据岩性类型和物理力学性质的差异，场地土自上而下工程地质层（含亚层）见表1。
表1 土层分布和岩性特征
其中②层黄土状粉土具湿陷性，湿陷系数0.026～0.068。湿陷起始压力为31～128kPa。
2.3 基础设计
根据工程地质剖面，由于杂填土厚度及相邻旧馆基础埋深都较大，且土层②层黄土状粉土具有湿陷性，结合本工程具体情况，基础埋深取4.2m，持力层为土层③层黄土状粉质黏土。
本工程基于三方面原因采用复合地基处理方案：
（1）地下室和无地下室部分基础持力层不同，岩土特性有一定差异。
（2）工程柱网9m，尽量避免采用条形基础，否则基础梁高过大。
（3）合理的地基处理方案可有效减小基础面积，改变基础形式，降低工程造价。
根据柱底荷载情况及施工成桩条件，本工程优先考虑采用素混凝土桩复合地基处理方案，基础采用钢筋混凝土柱下独立基础＋基础拉梁方案，地下室外墙下采用条形基础。
2.4 地下室设计
本工程地下设备用房局部层高5.4m，地下书库层高3.5m，地下室外墙采用350mm厚防水混凝土墙，抗渗等级P6，防水等级一级。由于地下室长、宽均超过规范规定的设置温度缝最大间距，为减少施工期间混凝土温度应力，每隔30～40m地下室外墙设置施工后浇带，两个月后择时采用高一级强度微膨胀混凝土进行封闭。地下室另外设置250mm厚钢筋混凝土刚性构造防水板，兼做挡土墙水平支点，挡土墙下采用钢筋混凝土条形基础。
3 上部结构设计
3.1 结构设计基本参数
本工程结构设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类，地基基础设计等级为丙级。基本风压值为0.35kN／m2，地面粗糙度为C类。
3.2 结构体系
主体采用现浇钢筋混凝土框架结构体系，楼盖采用井字梁现浇楼板结构体系。
各层结构平面图见图5至图8。图中主要构件尺寸：框架梁截面尺寸350mm×800mm，次梁截面尺寸300mm×600mm，框架柱截面尺寸700mm×700mm，楼板厚120mm。
图5 二层梁柱结构布置图
图6 三层梁柱结构布置图
图7 四层梁柱结构布置图
图8 屋顶结构布置图
3.3 结构分析
电算采用中国建筑科学研究院编制的空间有限元分析软件SATWE软件。采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，同时考虑了扭转耦联的作用并进行了罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形验算，计算指标均满足规范要求，其结果见表2。
表2 考虑扭转耦联时的结构计算结果
由于中厅共享空间面积较大，平面局部连接比较薄弱，且个别部位挑空，属平面不规则结构。设计中采用PK软件对重点连接部位单榀框架进行补充验算。各层地震作用分布见图9。
图9 各层地震作用分布图
3.4 结构超长加强措施
（1）提高顶层、底层、山墙和纵墙端开间等温度变化影响较大部位构件的配筋率。
（2）顶层加强保温隔热措施，增加保温层厚度。
（3）中间适当部位留设施工后浇带，后浇带混凝土在两侧混凝土浇筑完毕两个月后封闭。后浇带间距不超过55m。
（4）采用收缩小的水泥，减少水泥用量，在混凝土中掺入适宜的外加剂。
（5）适当提高每层楼板温度应力较集中部位的配筋率。
3.5 大跨度采光顶结构设计
本工程中庭拔空部分顶部采用双向刚接正交H型钢结构，跨度27m×36m×45m，平面见图10，连接节点见图11。钢梁间距3m，其中GL1截面H800×300×12×16，GL2截面H1200×400×16×30，钢材均采用Q345B钢。
图10 采光顶钢梁布置图
图11 钢梁连接节点大样图
4 抗震设计
4.1 抗震类别及等级
抗震设计严格遵从“小震不坏，中震可修，大震不倒”的原则。抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组。按照《建筑抗震设计规范》GB50011－2001中的地震参数进行设计计算。本工程抗震设防类别为丙类，框架抗震等级为三级。
4.2 抗震措施
（1）悬墙、挑出墙垛端头、电梯井道墙四角均设置构造柱。填充墙高度大于4m时，在墙高一半或门窗洞口顶标高处设置圈梁。隔墙长度大于两倍层高时，不超过6m等间距设置构造柱。构造柱、框架柱与后砌填充墙设置拉结钢筋。
（2）新旧建筑之间走廊采用钢结构允许自由位移的连接，避免地震作用下产生应力集中。
（3）对平面凹凸不规则、局部连接薄弱等部位，采取加大板厚及相邻构件配筋等措施。
5 材料
（1）钢材：HPB300和HRB400钢筋，埋件采用Q235B钢。
（2）混凝土：基础垫层C15；构造柱、圈梁C20，框架柱C40，其余C30。地下室外墙及顶板、构造防水底板采用C30防水混凝土，抗渗等级P6。
（3）填充墙：填充墙采用加气混凝土砌块或其他轻质材料。±0.00以上采用M5混合砂浆，±0.00以下采用M5水泥砂浆。
6 施工要求
扩建部分采用全现浇钢筋混凝土结构，梁跨度较大，结构较为复杂，要求施工单位应具有相应的施工经验和技术能力。施工中采取措施，加强混凝土的养护，避免产生温度裂缝。
本工程基坑开挖较深，施工时应采取可靠的边坡支护措施，确保施工安全。施工期间，应采取有效措施避免基坑开挖对相邻建筑的影响，同时，在施工期间对相邻建筑应进行沉降观测。
施工中应采取降噪、防尘等切实可行的环保措施。
7 结 语
河北省图书馆改扩建工程作为省级重点工程，在结构设计中充分体现了安全、节能的设计理念，设计中结构构件优先采用高强混凝土和高强钢筋，节约了钢材，降低了生产能耗。钢筋接头优先采用机械连接，不仅保证了钢筋接头质量，而且缩短了工期，经济效益明显。
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