PDF《全悬吊结构》

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2015 土木水利 第四十二卷 第二期 全悬吊结构 高雄市立图书总馆结构设计与施工 摘要 高雄市立图书馆,地上结构以座落於四角落之 巨型柱与八楼巨型桁架层组成巨型构架作为主要抗侧 力及垂直力系统,并利用钢材受拉最有效率之设计原 则,采高张力钢棒悬吊三楼至七楼之楼版,有效缩小 柱断面尺寸,创造最佳之空间使用,同时实现了地面 层无柱之开放空间.地下层则以经济性最佳之钢筋混 凝土梁柱构造为主.本工程於完工后亦针对整体结构 及楼版作微震测量与分析,以验证理论分析与实体建 物之震动频率差异,及楼版震动之舒适性. Abstract Kaohsiung Pubic Library is supported by

4 mega columns and a one-story high mega truss at eighth floor, forming both vertical and lateral-resisting systems. The third to seventh floor plates were suspended by high- strength tension rod connecting to the truss system of eighth floor. The structure performs the most efficient way of steel structure by subjecting to tensile force transference, and creates a maximum open space. The basement structure is reinforced concrete frame. In addi- tion, tests and analysis of micro-vibrations were adopted to verify the differences between analysis and reality, and to confirm the comfort due to floor vibrations. 具空间穿透性的高雄市立图书馆总馆 高雄市立图书馆总馆基地北侧临

80 米宽新光路, 南侧临

20 米宽之林森路,西行直连通并贯穿国际会展 中心之中央内街可直达水岸.业主为高雄市政府文化 局;

建筑设计:刘培森建筑师事务所. 张盈智 筑远工程顾问有限公司结构设计专案总负责人暨总工程师 周辰颖 筑远工程顾问有限公司结构设计专案经理 刘佳豪 筑远工程顾问有限公司结构设计专案副理 本工程所为创造地面层之空间穿透性,实现一层 平面上不落柱的结构特色;

利用四角落之服务核,以 钢构箱型柱、圆管柱、挫屈束至斜撑(BRB)等构件 组成巨型柱(Mega Column) ,配合八楼之桁架层组成 三维立体巨型构架(Mega Frame) ,形成本工程之主要 结构系统,并将三楼至七楼图书馆使用空间悬吊於主 结构系统下方;

此外,就「安全管理」及「空间使用 性」层面,本工程亦利用钢材受拉效率最高之材料特 性,以直径

6 公分 ~

12 公分的钢棒取代传统的结构柱 断面(90 cm u

90 cm) ,大幅提升室内空间的之视觉通 透性,有效增进了使用空间之管理便利性. 结构设计概要 结构系统 本工程结构量体为地上八层,地下一层之钢构造建 物.图1(a) 为图书馆结构透视图,主要结构系统可分为 巨型柱、八楼巨型桁架层、钢棒及格子梁系统,以悬吊 系统之传力方式,藉由高张力钢棒将垂直载重向上传递 至桁架层,再透过巨型柱将力量传递至基础.巨型柱依 平面配置(图1(b))及使用情形可分为定义为四种型态 (Core A-D) ,除作为整栋建筑垂直方向之动线连结外, 亦为本建物主要维生管线之配置空间;

图2为巨型柱与 巨型构架 3D 示意图,其亦为本工程主要之抗垂直力、侧 力之结构系统.八楼桁架层,空间使用需求为办公室、 会议室及演讲厅等.於本层空间内配置有多组一层楼高 之巨型桁架,以满足吊挂 3F ~ 7F 楼板所需之强度需求, 且各组桁架均跨於上述主要巨型柱上,组成完整之巨型 构架,提供整体结构抗震及耐风之侧向力设计需求. 全悬吊结构 高雄市立图书总馆结构设计与施工

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2015 土木水利 第四十二卷 第二期 钢结构创新与挑战 构造材料 z 钢筋与混凝土 本工程使用之混凝土,除Core A、C 於B1F ~ 2F 之柱内灌浆混凝土使用 为420 kgf/cm2 ,以及打底用 混凝土使用 为140 kgf/cm2 外,其余如主体结构、基础... 等皆采用 为280 kgf/cm2 之混凝土;

另因本案邻 近海边,故於地下室(含一楼版)以下之混凝土采用 CNS

61 TYPE II 之卜作岚水泥,其余为 TYPE I.钢筋 依叽缜植牧瞎娓,D13(4 号)及以上采用 CNS

560 SD420W fy = 4,200 kgf/cm2 ,D10(3 号)及以下须 符合 CNS

560 SD280W fy = 2,800 kgf/cm2 . z 钢骨 本工程使用之钢材依尺寸及使用用途作区分, 如柱及其加劲钣、接合钣,以及桁架层之大梁,使用 SN490 B/YC 之钢材,标准层大梁与斜撑(BRB)之钢 材则为 ASTM A572 Gr50,小梁以 ASTM A36 或A572 Gr50 作为钢材之选用,钢棒部份则选用 SCM 440(fy = 8,500 kgf/cm2 )之超高强度钢材. 主楼构件概述 z 基础结构及开挖工法 本工程开挖深度分别约为 5.7 m(超挖区) ,及6.

7、8.5 m(高楼区) ,由於基地面积广大,在工期及 地下室施工性之考量下,采用无内支撑工法.基地南 北向因腹地较大,规划采 1:1 斜坡明挖,可有效减少 开挖费用及时间;

东西向腹地较小,规划采双排型钢 配合横版条作为悬臂挡土系统. 基础型式采用高刚性之筏式基础,地梁深度为 3.0 m.局部地梁依建筑、机电需求,深度 4.8 m.筏基顶 版与底版厚为 0.2 m 及0.6 m;

惟四核心柱底因结构需 求高,因此规划 3.0 m 厚之实心厚版.超挖区为抵抗地 下水造成之上浮力,故回填低强度混凝土. z 楼版 本工程一楼室内采用

25 cm RC 楼版,室外(超挖 区)为抵抗浮力,因此使用

40 cm 之RC 楼板压重, 其余地上楼层以 12.5 cm 之钢承版复合楼版为主,所有 楼层均可符合

2 小时防火时效之要求而未喷覆防火批 覆,并於楼版上方架设高架地版. z 梁 本工程一楼以下采用场铸钢筋混凝土梁柱.二楼 (含)以上主结构梁均为纯钢骨,柱、大梁与小梁之 选用均为热轧或组合 H 型钢. z 柱配置规划 本工程主要结构柱为四个巨型柱,图3为巨型构 架立面图.巨柱向下延伸至地下一楼,直接坐落於 3.0 m 实心基础厚版上,依平面配置及使用情形可分别定 义为 Core A-D.分别简述如下: 1.Core A:由钢构立面 BRB 斜撑构架组成立体之巨型 柱. 2.Core B:各层交错之圆形钢管组成直径 14.4 m(1F) ~ 8.4 m(R2F)渐变筒状结构. 3.Core C:由钢构立面 BRB 斜撑构架组成立体之巨型 柱. 图1高雄市立图书馆结构透视图与平面图 (b) 三楼结构平面图 (a) 结构透视图 图2巨型柱与巨型构架

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2015 土木水利 第四十二卷 第二期 全悬吊结构 高雄市立图书总馆结构设计与施工 4.Core D:由四支各自独立之筒状圆柱组成,直径分别 为3m两座与 4.4 m 两座. z 斜撑(BRB) 本工程於 Core A 与Core C 内配置 BRB 斜撑. z 钢棒配置及规划 本工程之悬吊系统,采用高张力钢棒,由八楼之 巨型桁架层向下吊放,於室内标准区采 10.5 m u 10.5 m 之方形网状配置;

并配合中庭(天井区)作倒锥形环状 配置(图4(a)) .在各钢棒接头间,皆使用 H 型钢作连 接,组成 10.

5 m u 10.5 m 之格子梁系统配置 (图4(b)) . 结构设计说明 动力特性 主楼地上层之结构体重量约为

18674 tf,考虑 P-D 效应下之结构体前

3 个自然震动周期分别为 1.052 秒(Y 向) 、0.957 秒(X 向)及0.750 秒(扭转) .虽然 主体结构中,四个巨柱(Core A ~ Core D)几何配置上 并不相同,为使动力行为良好,因此设计上针对各巨 柱劲度作适度之调整,最终分析结果显示,结构主模 态(mode

1、2)以正向平移为主,且扭转模态(mode 3)与平移模态有明显之区隔. 耐震设计 由於台湾地区位处欧亚大陆板块与菲律宾板块之复 杂交接地带.在台湾的东北部,菲律宾海板块由南向北 沿著琉球海沟向下嵌入欧亚大陆板块下方,而在台湾东 南部,欧亚板块则又引没入菲律宾板块而一直向东延伸 至马尼拉海沟.因此不同规模的地震发生频繁,本工程 针对耐震设计与分析,采用以下两种作法. z 法规设计地震力 本工程设计法采用钢构极限设计法(AISC LRFD) ,并依照内政部

100 年所颁布之耐震设计规 ;

计算得本工程之 X 向地震基底剪力为 0.1826W =

3410 tf,Y 向地震基底剪力为 0.1683W =

3143 tf 并将反 应谱分析所得之地震力放大至前述之基底剪力, 进行动力分析设计. z 非线性侧推分析 本工程除参考内政部所颁布的耐震设计规外, 并使用结构分析软体 ETABS 进行非线性侧推分析, 整个分析架构参照 FEMA-273 所叙述的方式进行.并 利用分析过程观察到之塑铰发生顺序及分布情形,对 结构性能进行评估并检核有无弱层的现象.图5(a) 对应2500 年回归期地震力时(屋顶位移 17.8 cm) ,主要 消能机制由 BRB 提供,此时塑铰主要分布於 Core A、 C 之BRB 上,以及 Core B 杆件(模拟特殊同心斜撑 (SCB)行为之钢管)上.主因配合建筑外观之要求, Core B 及Core D 之几何较为复杂,结构行为相对较难 掌握,因此希望 Core B 及Core D 可采较保守之设计. 图5(b) 对应崩塌前之阶段(屋顶位移 34.22 cm) ,此时 结构仍属稳定. 柱配置及分析设计 本工程抗侧向力系统主要以四个巨型柱(Core A ~ Core D)组成,其中 Core A、C 为一般箱型柱与 BRB 斜撑所组成,Core B 为放射状 SCB 钢管所组成,Core D 由环状阵列之组合方管串接而成.以下对 Core B 及Core D 之钢柱设计作介绍. 图3巨型构架立面图 (a) 悬吊钢棒配置剖面图 (b) 悬吊钢棒标准模矩 图4钢棒配置图(刘培森建筑师事务所提供) 图5非线性侧推分析塑铰分布图 (a)

2500 年回归期阶段 (b) 崩塌阶段

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2015 土木水利 第四十二卷 第二期 钢结构创新与挑战 z Core B 钢管 Core B 由放射状钢管与环状钢梁串接而成(图6(a)) ,每层钢管由

32 组u3列之交错连线配置而成 (图6(b)) ,标准层钢管尺寸为 I219,1F &

B1F 则采 用I273 之钢管尺寸,由於接合型式较特别,因此钢管 及接合之设计,除了在设计地震力下保持弹性之外, 亦需检核其在极限应力状态下,仍有足够之焊道强度 以避免脆性破坏之行为.极限应力之分析为藉由有限 元素软体建立之单........