【案例分析】高雄市立图书馆总馆全悬吊结构设计

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  高雄市立图书馆总馆基地北侧邻 80m 宽之新光路，南侧邻 20m 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，建筑设计为刘培森建筑师事务所。
        本工程为创造地面层之空间穿透性，实现 1 层平面上不落柱的结构特色；利用四角落之服务核，以钢构箱形柱、圆管柱、挫屈束制斜撑（BRB）等构件组成巨型柱（Mega Column），配合 8 层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 3~7 层图书馆使用空间悬吊于主结构系统下方；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 6~12cm 的钢棒取代传统的结构柱断面（90cm×90cm），大幅提升了室内空间之视觉通透性，有效增进了使用空间之管理便利性。

       1    结构设计概要

      1.1  结构系统

       本工程结构为地上八层、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、八层楼巨型桁架层、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，再透过巨型柱将荷载传递至基础。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~Core D），除作为整栋建筑垂直方向之动线连接外，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、侧力结构系统。八层桁架层空间使用需求为办公室、会议室及演讲厅等。于本层空间内配置有多组一层楼高之巨型桁架，以满足吊挂 3~7 层楼板所需之强度需求，且各组桁架均跨于上述主要巨型柱上，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。

       1.2  构造材料

       1.2.1  钢筋与混凝土
       本工程使用之混凝土，除 Core A、Core C 于地下 1 层~地上 2 层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，故于地下室（含 1 层楼板）以下之混凝土采用 CNS 61 TYPE II 之卜作岚水泥，其余为 TYPE I。钢筋依据尺寸区分材料规格，D13 （ 4 号 ） 及 以 上 采 用 CNS 560 SD420W fy=4200kgf/cm2 ，D10（3 号）及以下须符合 CNS 560 SD280W fy =2800kgf/cm2 。



                                 图 1  高雄市立图书馆结构透视图与平面图

1.2.2  钢骨
       本工程使用之钢材依尺寸及使用用途作区分，如柱及其加劲板、接合板，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 =8500 kgf/cm2）之超高强度钢材。

       1.3  主楼构件概述

      1.3.1  基础结构及开挖工法
       本工程开挖深度分别约为 5.7m（超挖区）及6.7m、8.5m（高楼区），由于基地面积广大，在工期及地下室施工性之考虑下，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板条作为悬臂挡土系统。
      基础形式采用高刚性之筏式基础，地梁深度为3.0m。局部地梁依建筑、机电需求，深度为 4.8m。筏基顶板与底板厚分别为 0.2m 及 0.6m；四核心柱底因结构需求高，因此规划 3.0m 厚之实心厚板。超挖区为抵抗地下水造成之上浮力，故回填低强度混凝土。



                                               图 2  巨型柱与巨型构架

  1.3.2  楼板
      本工程 1 层室内采用 25cm 厚之 RC 楼板，室外（超挖区）为抵抗浮力，因此使用 40cm 厚之 RC楼板压重，其余地上楼层以 12.5cm 之钢承板复合楼板为主，所有楼层均可符合 2h 防火时效之要求而未喷覆防火批覆，并于楼板上方架设高架地板。
      1.3.3  梁
      本工程 1 层以下采用场铸钢筋混凝土梁柱。2层（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。
      1.3.4  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 1 层，直接坐落于 3.0m 后之实心基础厚板上，依平面配置及使用情形可分别定义为 Core A~Core 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14.4m（1 层）~8.4m（R2 层）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；
     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 4.4m 两座。



                                         图 3  巨型构架立面图

   1.3.5 斜撑（BRB）
      本工程于 Core A 与 Core C 内配置 BRB 斜撑。
      1.3.6 钢棒配置及规划
      本工程之悬吊系统，采用高张力钢棒，由 8 层之 巨 型 桁 架 层 向 下 吊 放 ， 于 室 内 标 准 区 采10.5m×10.5m 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 10.5m×10.5m 之格子梁系统配置（图 4（b））。

      2    结构设计说明

       2.1  动力特性
      主楼地上之结构体重量 W 约为 18674 tf，考虑P-Δ 效应下之结构体前 3 个自然振动周期分别为1.052s（Y 向平动）、0.957s（X 向平动）及 0.750s（扭转）。虽然主体结构中，四个巨柱（Core A~CoreD）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、mode 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。

       2.2  耐震设计
       由于中国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。在中国台湾地区的东北部，菲律宾海板块由南向北沿着琉球海沟向下嵌入欧亚大陆板块下方，而在中国台湾地区东南部，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。



                           图 4 悬吊钢棒配置剖面图及悬吊钢棒标准模具

2.2.1  设计法规及设计地震力
       本工程设计法采用钢构极限设计法（类似AISC LRFD），并依照中国台湾地区耐震设计规范，计 算 得 本 工 程 之 X 向 地 震 基 底 剪 力 为0.1826W=3410tf ， Y 向 地 震 基 底 剪 力 为0.1683W=3143tf，并将反应谱分析所得之地震力放大至前述之基底剪力，据以进行动力分析设计。2.2.2  非线性侧推分析本工程除参考中国台湾地区耐震设计规范外，并使用结构分析软件 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性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 17.8cm），主要消能机制由 BRB 提供，此时塑性铰主要分布于 Core A、Core 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 34.22cm），此时结构仍属稳定。



                                    图 5  非线性侧推分析塑性铰分布图

  2.3  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、Core C 为一般箱形柱与 BRB 斜撑所组成，Core B 为放射状 SCB 钢管所组成，Core D 由环状数组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。
       2.3.1 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×3 列之交错联机配置而成（图 6（b）），标准层钢管尺寸为 219，1 层及地下 1 层则采用 273 之钢管尺寸，由于接合形式较特别，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软件建立之单一杆件之模型几何，推估钢管在极限应力状态下，其接合端之应力值（图 7），以确保任何单一圆管之破坏不发生于接头端。



                                               图 6  Core B 细部图示

    2.3.2 Core D 组合方管
       Core D 为配合建筑立面造型，由四支各自独立之筒状圆柱，单一筒状圆柱是由 16 支尺寸为TUBE450×175 之组合方管，环状排列而成（图 8（a）、（b））。Core D 之组合方管除了要满足在设计地
震力下保持弹性外，由前述之侧推分析可知，在最大考虑地震力（2500 年回归期）下，所有杆件均未降伏，因此可确认 Core D 同时具备高劲度及高强度之特性；此结果亦与原设计之目标一致。



                               图 7    Core B 桿件幾何及應力分析图

2.4  BRB 分析设计
       本工程之 BRB 参照可更换核心板之挫屈束制支撑之内容作设计，图 9（a）为本工程所采用之BRB 设计图，核心单元皆由单一核心板构成，并于核心板端部焊接垂直加劲板，使其成十字形断面（SECTION C），以提供端部稳定；围束单元是由两组独立的围束构件利用垫板及螺栓栓接组合而成（SECTION A、SECTION B），而任一组围束构件是由钢板与长槽形钢构件焊接后，将内部浇置无收缩水泥砂浆组合而成，且围束单元及螺栓强度设计如图 9（b）、（c）所示。在高模态挫屈下，可求得核心与围束构材之接触力，并以此作为设计螺栓及围束构材之需求；脱层单元采用 2mm 之硅胶，主要目的为降低 BRB 极限轴压及轴拉力强度上的差异。



                                             图 8  Core D 细部图示

                                   图 9  挫屈束制支撑（BRB）设计原理

另外本工程 BRB 之接合形式为核心端板以水平方式插入双片接合板（图 10（a）），并且事先于 BRB 端板焊上假固定用连接板，以螺栓假固定后，方可完成接合板与 BRB 间之焊接。由于此处接合板之设计需满足斜撑发挥极限强度下仍保持弹性，因此以有限元分析验证其在此极限状态下仍符合设计需求（图 10（b）、（c））。



                                           图 10  BRB 端部接合设计

挫屈束制支撑为本工程之主要消能组件，因此进行实尺之 BRB 轴向试验（图 11），试验之 BRB吨数采 600 tf，加载历时如图 11（a）所示，试验结果（图 11（b））可观察出斜撑在非弹性状态下，可发展出饱满、稳定之迟滞行为。

       2.5  钢棒分析设计

      悬吊系统为本案设计要点，本工程钢棒标准模具采10.5m×10.5m之配置，上下层钢棒采续接器（图12（a））之方法作串接。配合正反向车牙，亦可于有限范围内调整梁顶高程。续接器之材料与钢棒相同，采用符合CNS G3063之SCM 440（同JIS 4051标准，fy=8.5t/cm2）以上进行设计。以直径为 12cm之钢棒为例，使用 M120×6 之螺纹，旋合长度 18cm（1.5 倍钢棒直径配置）。钢棒断面积为 113.09cm2 ，续接器尺寸设计（图 12（b））采用同材质外径为20cm 之圆钢棒车牙制造，其断面积为 201.06cm2 ，为钢棒断面积之 1.77 倍。



  本工程钢棒之设计理念为使用受纯轴拉力、具超额强度之钢棒，搭配具超额强度之钢梁组成网状悬吊系统，设计上提供一安全机制（图 13）。除钢棒接头本身具有超额强度外，亦考虑在任一楼层任一支钢棒破坏之情况下，原本 10.5m×10.5m 之连续梁行为改变成 21.0m×21.0m 之十字梁（图 14（a）），即使在此条件下，钢梁仍能满足设计之强度需求，结构安全。另外在接头细节（图 14（b））上，于钢棒与十字托梁间采脱缝设计（避免钢棒受弯）；且十字托梁与钢棒托座间仅以橡胶垫隔开，无垂直向束制（避免钢棒受压）。





   为证实本工程悬吊钢棒及其接合之安全性及永续性，亦进行实尺寸之钢棒接头试验，含钢棒、托座接头及十字托梁（图 15（a）），试验之钢棒直径为 100mm，加载历时如图 15（b）所示，试验结果（图 15（c））皆满足设计需求。

      2.6  施工流程

       一般建物构筑方式，为由基础循序而上，各层立柱施作完成后再施作当层梁、板结构；由于本工程采悬吊系统，故楼板之施作时机需待悬吊钢棒完成后方能施作，如图 16 所示，基础（地下 1 层板）完成之后，即进行巨柱之组立，待巨型桁架完成后，即安装各楼层之悬吊钢棒，最后再由上而下安装各层梁板系统。施工相关照片见图 17~19。





3    结论

       本工程以建造一栋创新观念的图书馆为目标。结构设计当然也需以最严谨的态度为之，然而如何完成一栋兼具使用性及安全性的高效结构新地标，却需要所有设计、监造单位与施工单位共同努力始可顺利达成，创新的工法及学术研发单位所开发的新设计，亦成为本工程得以顺利进展的幕后功臣。
       本文谨提出高雄市立图书馆结构的设计概念，以供工程界参考之用。