山东省科技馆新馆为特大型科技展馆,地处济南市西部新城核心区内。整个建筑采用了与基地形状吻合的矩形,为打破“长方体”呆板的形象,通过曲面天窗、屋面天桥及曲面幕墙等元素,形成数学符号“∞”的效果,隐喻无限之意,同时让建筑充满流动变化之美。

　　 地上4层,主要层高为8.8m及8m(局部设有夹层);地下1层,层高4.5m;建筑总高度38.2m;另有一直径30m的球幕影院(图1)。地上建筑面积6万m²,包括展览教育、公共服务、后勤管理区域;地下建筑面积2万m²,功能为展品维修、人防工程、地下停车场等配套设施及设备用房。地上建筑平面总尺寸为256.7m×57.2m,地下室平面总尺寸为278.05m×70.3m;主要柱网(结构跨度)为18m×9m,18m×18m,12m×9m。

　　 本工程主要的自然条件如下:1)基本风压为0.45kN/m²(重现期50年),地面粗糙度C类;2)基本雪压为0.30kN/m²(重现期50年);3)基本气温最高值36℃,最低值-9℃ ^[1],极端最高气温为42.5℃,极端最低气温为-19.7℃ ^[2]。

　　 根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[3]及《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015) ^[4],本工程所处济南市槐荫区设防烈度6度,设计基本地震加速度值0.05g,设计地震分组为第三组。但根据 山东省人民政府2016年5月25日颁布的鲁政办发[2016]21号《山东省人民政府办公厅关于进一步加强房屋建筑和市政工程抗震设防工作的意见》:济南市抗震设防烈度提高为7度、设计基本地震加速度值0.10g。因此,本工程最终地震参数取值如表1所示。

　　 根据勘察报告 ^[2],场地地层自上而下共分10个大层:①_-1杂填土、①_-2素填土、②粉质黏土、②_-1中砂、③粉质黏土、③_-1中砂、④粉质黏土、④_-1中砂、④_-2胶结姜石、⑤粉质黏土、⑤_-1中砂、⑥粉质黏土、⑥_-1中砂、⑦粉质黏土、⑦_-1中砂、⑦_-2胶结中砂、⑧粉质黏土、⑨卵石、⑩全风化闪长岩。

　　 根据勘察报告 ^[2]:场地属于稳定场地,适宜本工程的建设;场地类别为Ⅲ类,特征周期值为0.65s,为抗震一般地段;②_-1层中砂、③_-1层中砂、④_-1层中砂均不液化;场地地下水为第四系孔隙潜水,抗浮设计水位标高可采用丰水期最高水位标高26.0m考虑;地下水及地基土在Ⅱ类环境下对混凝土结构具微腐蚀性,对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

　　 抗浮设计水位,根据建设单位组织召开的“山东省科技馆新馆项目基础与结构体系的技术咨询会”的专家意见——“因济南市西区水位较高,抗浮设计水位宜取至室外地面标高(28.0m)”,取室外地面标高28.0m(±0.000对应标高28.2m)。

　　 主体结构设计使用年限为50年(耐久性100年);关键构件安全等级为一级,其余构件均为二级;建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类),按8度采取抗震措施;框架(地上、地下)及剪力墙(仅地下室有)抗震等级均为一级。

　　 本工程存在楼板不连续、扭转不规则、承载力突变、局部不规则,属于特别不规则的超限高层建筑工程,需进行抗震性能设计及超限审查;根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[5],抗震性能目标定为C级。

　　 本工程展厅柱网大(18m×18m,18m×9m)、使用荷载大(10,6kN/m²),柱底力最大达到30 000kN。若采用天然基础,最大基底反力为370kN(对应地下室9m×9m柱网面积);持力层为②层粉质黏土或②_-1层中砂,承载力特征值分别为125,145kPa,考虑深度修正后仍不满足要求。故采用桩基方案。

　　 根据场地拟建工程性质,结合济南地区经验,常用的桩基形式有预制桩和钻孔灌注桩;考虑到场地内存在砂土层,且局部为砂胶结及胶结姜石,预制桩难以穿透,施工困难、质量难以保证,故采用钻孔灌注桩。为提高桩基承载力,采用桩端、桩侧联合后注浆;为解决地下室抗浮,采用抗拔桩,同时兼做抗压桩;单桩抗压承载力特征值4 900kN、抗拔承载力特征值1 200kN(均已考虑后注浆提高约30%),桩端持力层为⑧粉质黏土,有效桩长40m。

　　 本工程地下室采用现浇钢筋混凝土框架结构。地下室侧壁为现浇混凝土墙板结构;地下室顶板采用现浇混凝土梁板体系;地下室底板采用现浇钢筋混凝土防水板+桩基承台。

　　 地上竖向构件一直延伸至基础,例如,地上钢骨混凝土柱在地下室范围内仍为钢骨混凝土柱。当地上设置支撑时(例如,屈曲约束支撑),地下室在相应部位设置剪力墙,保证传力连续。

　　 本工程为超长建筑,平面总长度达到256.7m。在建筑功能和布局允许的情况下,为结构设计经济、合理,宜分缝。

　　 根据建筑平面布置,首先,北入口处的球幕影院与主体建筑自然分缝脱开。其次,主体建筑中间区域二层以上为通高中庭,仅局部有通道连接。利用该区域,将主体结构分为东、西两部分:二层局部有楼板设置双柱分缝脱开;三层及四层,局部通道采用钢结构连桥,两端设置滑动支座(图2);屋面天窗采用钢结构,也设置滑动支座使东、西两部分脱开(图3)。

　　 地上结构通过分缝形成东、西两个独立的结构单元,长度由256.7m减小为144.3m及110.8m。

　　 为降低造价、满足投资控制要求,上部结构整体上选用混凝土方案。北入口处的球幕影院,采用钢筋混凝土壳体结构;壳体直径28.0m、厚度200mm,用于支承外部装饰幕墙、内部吊顶及球幕设备等。主体结构,可考虑框架结构、框架-剪力墙结构、框架-支撑结构等。

　　 (1)采用框架结构,东、西单元层间位移角等指标满足规范要求,但结构扭转效应明显——扭转周期比超限、扭转位移比大于1.4(表2)。另外,框架结构抗震性能较差。

　　 (2)采用框架-剪力墙结构,计算表明:可以控制扭转周期比不超限、扭转位移比小于1.4;且具有二道抗震防线。但剪力墙承受了大部分地震力,端部需加设钢骨;为满足中、大震抗剪要求,还需采用钢板剪力墙;因建筑布置要求,部分剪力墙洞口不对齐、部分剪力墙不能延伸至地下室;大震作用下,较多剪力墙发生屈服,框架柱少量屈服,而剪力墙修复困难,造价高、施工不便。

　　 (3)采用框架-支撑结构时,支撑采用屈曲约束支撑(BRB)。计算表明:设置适量BRB,可增大抗扭刚度、减小扭转效应,扭转周期比不超限、扭转位移比小于1.4(表3)。同时,BRB在中、大震下能够屈服耗能,使本结构具有消能减震性能;地震时,BRB成为第一道防线,结构具备二道防线,提高了结构抗震性能 ^[6,7]。另外,震后BRB容易更换,代价低。

　　 (4) 初步设计时,对框架-剪力墙结构及含BRB框架结构,进行了结构造价对比:前者钢材多用了1 500t,造价约1 350万元;后者使用BRB 320根,造价约650万元;故后者造价低约700万元。因此,最终采用“钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑”结构体系。

　　 根据建筑轴网,布置框架柱(根据分析结果,部分柱内设置钢骨);在建筑交通核(楼、电梯间)、建筑隔墙位置,设置适量BRB,形成“钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑”结构;大跨梁采用预应力梁,楼板为现浇钢筋混凝土楼板。

　　 三、四层东、西单元局部连接通道,采用钢桁架连桥,两端均采用双向滑动球型钢支座连接(图4);地震时,钢连桥不会对两侧主体结构形成约束。屋面天窗,采用双向正交的钢桁架结构,类似的,采用滑动支座与东、西两侧单元连接。屋面天桥为建筑造型,不上人,采用钢桁架结构,两端均采用滑动支座。上述滑动球型钢支座,均为抗拉支座,且设有限位装置,避免钢结构在大震下作用下位移过大而坠落。

　　 本结构采用BRB目的:增加抗扭刚度,减少扭转效应;形成多道抗震防线;耗能减震,保护主体框架。因此,支撑的数量以及提供的刚度适度即可,不需要达到《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[3]附录G“钢支撑-混凝土框架”的要求——底层的钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩应大于结构总地震倾覆力矩的50%。相应的,本工程“钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑”中“钢筋混凝土框架”满足“纯框架结构”承载力设计要求,即不考虑BRB作用,纯框架结构的抗震性能应满足要求。含BRB时小震层间位移角限值取1/650。

　　 本工程,BRB的性能目标:控制结构扭转周期比不超规范限值(0.90),最大扭转位移比不超过1.4;小震及风荷载作用下,设置的屈曲约束支撑均为弹性;中、大震作用下,屈曲约束支撑部分或全部进入屈服阶段,耗散地震输入能量。

　　 BRB布置位置:首先,屈曲约束支撑沿Y向设置在结构两端,大部分设置在端部楼梯间周边及建筑墙体位置,极少量设置在对建筑使用功能影响不大的空间内;其次,沿X向在楼梯间周边设置了部分屈曲约束支撑;并且,在建筑两端多设,中间少设(图5,6)。在有夹层区域,支撑高度为半层高(短支撑),为保证支撑与柱夹角合理,多采用人字撑或V形撑,支撑较短,屈服力较小;在无夹层区域,支撑高度为整层高(长支撑),多采用单斜撑,支撑较长,屈服力较大(图7)。

　　 BRB截面(支撑刚度):为控制结构扭转,BRB需提供足够的弹性刚度,故截面不应过小。经过试算,为满足扭转控制要求,长支撑等效截面取“□400×400×12×12”,短支撑等效截面取“□300×300×8×8”。

　　 BRB材料(支撑屈服力):若要BRB在中、大震下的屈服耗能,其屈服承载力不应过大;因控制扭转需要,其截面不能减小。故,需挑选芯材强度较低的支撑。通过市场考察,结合工程应用情况,并考虑经济性及采购周期因素,选用Q235普通低碳钢制作的屈曲约束支撑。

　　 本工程为特别不规则的超限高层建筑,对其进行了抗震性能设计与分析,通过了超限审查。

　　 采用YJK和MIDAS Building进行了小震静力弹性分析,采用YJK进行了小震弹性时程分析,采用YJK进行了中、大震下的等效弹性分析,采用MIDAS Building进行了动力弹塑性时程分析。结果表明:本工程在多遇地震作用下的剪重比、层间位移角、层间刚度比、墙柱轴压比等技术参数基本满足有关规范、规程的要求;在设防地震、罕遇地震作用下基本满足相应结构抗震性能水准的要求。

　　 设计采取下列抗震加强措施:1)对楼板薄弱部位(主要包括:二层中庭、三至四层西侧的巨幕影院及每层各区域集中布置楼电梯间周边的楼板),增大板厚、提高楼板配筋,采用双层双向配筋且最小配筋率不小于0.25%;2)加强每层平面四个角部的楼板厚度及配筋(厚度不小于120mm,配筋双层双向,配筋率不小于0.25%),加强四个角部的框架柱的配筋;3)根据分析结果,为控制柱截面及配筋,巨幕影院周边等受力大的框架柱内设钢骨,为提高抗震性能和支撑节点连接的可靠性,与BRB相连的框架柱也内设钢骨;4)巨幕影院三、四层大开洞周边的框架,在其框架梁、框架柱中增设钢骨,形成整体钢骨框架结构(图8);5)柱间BRB从上往下尽量连续贯通(至少在相邻跨布置),直至地下室顶板;6)因BRB未延伸至地下室,在地下室对应位置增设钢筋混凝土剪力墙。

　　 通过上述分析与设计,结构能够达到预设的C级抗震性能目标。

　　 本工程,地上每层均设有局部夹层(图9)。为避免局部夹层影响,使整体分析结果产生较大偏差,补充计算分析了不考虑局部夹层的并层模型,评估夹层对整体计算指标的影响。在并层模型中,将原夹层对应的恒载和活载,均分到上下楼层对应区域上,保证并层模型(不含夹层模型)和非并层模型(原含夹层模型)质量及荷载一致。

　　 对含有BRB及不含BRB的框架模型进行小震弹性静力计算,结果表明:并层模型刚度略有减小,周期略有增加,差异不大;二者最大层间位移角也接近(表4,5及图10,11)。

　　 对并层模型和非并层模型进行了大震弹塑性时程分析,结果表明:二者层剪力、层间位移角等整体指标差异很小(图12,13)。

　　 因此,局部夹层对整体结构影响不大,采用带夹层的非并层模型进行分析设计是可行的。

　　 对前述BRB布置方案进行了计算,基于计算结果对BRB进行优化设计:1)核查每根支撑在小、中、大震下的应力水平,去除应力比很小的支撑;调整小震应力比超限的支撑,确保小震弹性。2)在满足抗扭控制、二道防线的前提下,适当增加支撑种类、优化布置,减少支撑数量或截面。

　　 优化过程如图14所示:增加了屈服力150t的这种型号的支撑,去除了应力比很小的支撑。优化的支撑主要集中在西侧单元的北侧中部(图5),以及东侧单元的东侧屋面以上(图6),均是结构受地震作用较小的部位。

　　 对优化后的模型进行验算,结果表明:周期略有增加,扭转周期比满足要求(表6);但扭转位移比已经接近了1.40的限值,故不再优化。

　　 为评估本工程BRB耗能减震效果,用中国建筑科学研究院提供的大震地震波 ^[8]进行弹塑性时程分析。同时计算了去除BRB的模型进行对比。

　　 选用了地震响应最大的3条地震波(RGB2,TRB2,TRB3),以西侧单元为例,结构整体指标见表7。结果表明:取BRB后结构基底剪力减小,最大层间位移角增大,说明结构刚度减小。由此可见,设置BRB可以增加刚度,减小变形,提供抗震能力。

　　 图15～18给出了大震RGB2波作用下,西侧单元构件屈服情况。结果表明:1)结构中设置BRB时,大震作用下,绝大部分BRB屈服出铰(图15),滞回曲线饱满(图16),说明大震下BRB屈服耗能,充当第一道防线;此时,关键构件(重要框架柱,大跨梁、悬挑梁)基本没有发生屈服(图17),说明通过BRB耗能减震,保护了其他结构构件,避免大震受损。2)结构中没有BRB时,一部分关键构件发生了屈服,说明BRB确实保护了其他结构构件,提高了结构抗震性能。

　　 本项目已经通过超限审查,主要专家意见及落实情况如下:

　　 (1)关键构件宜补充细化:将巨幕影院、大跨结构、大悬挑结构按关键构件设计;支承中庭钢结构、大跨结构、长悬臂结构的框架柱,满足中震弹性、大震不屈服要求。

　　 (2)需优化屈曲约束支撑设计:对BRB进行了优化分析、设计。

　　 (3)连桥支座部位需采取防大震坠落措施:采用抗拉球型钢支座,且设有限位装置,避免钢结构连桥在大震下位移过大而坠落;另外,设置防坠拉索,形成双重防坠落措施。

　　 (4)巨幕影院大开洞,周边框架宜采取加强措施:在巨幕影院周边的框架梁、框架柱中增设钢骨,形成整体钢骨框架结构。

　　 山东省科技馆新馆作为特大型科技展馆,平面长、楼层高、荷载重、跨度大,地震作用较严重,本文介绍了其结构设计和分析工作。通过详细比选分析,确定“钢筋混凝土框架-屈曲约束支撑”方案的合理性和有效性;重点介绍了BRB布置的原则、位置、选型等内容;通过抗震性能分析与设计,采取合理的加强措施,确保结构达到预设的性能目标;针对夹层对整体结构的影响、BRB优化设计、BRB消能减震的效果等问题,做了专门分析论证。

　　 目前,本工程进展顺利,主体结构已经封顶(图19)。