中科院地理信息及文化产业项目位于苏州高新区科技城, 分为两个项目:地理信息产业项目 (简称地理楼) 、地理文化产业项目 (简称文化楼) , 其中地理楼总建筑面积为21 410m², 文化楼总建筑面积为18 255m², 地理楼和文化楼共设一层大底盘地下室。本项目以“批判的地域性”为主导思想, 层层退台的基座与嵌入基座的体块为主题进行设计。两栋建筑布局呈围合式。建筑主体功能以科研为主, 加入少量的科研配套。建筑效果图如图1所示。

　　 地理楼和文化楼地上6层, 底层层高为6.0m, 标准层层高为4.2m, 最大屋面高度为27.5m。为体现本项目特点, 建筑在两栋楼三层之间设置了一个地球仪造型的钢结构平台连接两栋楼。部分楼层结构平面图及建筑典型剖面如图2、图3所示。

　　 工程抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g, 设计地震分组为第一组, 抗震设防类别为标准设防类。所在场地类别为Ⅲ类, 根据地勘等效剪切波速平均值, 特征周期按插值法确定为0.41s。

　　 本工程建筑地基基础及建筑桩基设计等级均为乙级。拟建场地勘探深度范围内的地基土为新生界第四系地层, 属长江三角洲冲、湖积相。

　　 两栋主楼部分基础采用“预应力管桩+承台”, 桩采用先张法预应力混凝土管桩, 桩型为PHC-500 (110) AB-C80, 桩长20m, 以⑤₂黏土层为桩端持力层, 单桩承载力特征值为1 400kN。基础承台厚度为1 000～1 200mm。基础底板采用肋梁式筏板, 板厚为450mm, 基础地梁截面尺寸为500×1 000。

　　 地库部分基础采用“预制混凝土方桩+承台”, 桩采用混凝土实心方桩, 桩型为JAZHb-2 40, 在洪水位时按抗压兼抗拔桩设计, 桩长16m, 以⑤₁黏土层为桩端持力层, 单桩承载力特征值为500kN, 基础承台厚度为900mm。基础底板采用肋梁式筏板, 板厚为400mm, 基础地梁截面尺寸为500×1 000。

　　 本工程按现行规范要求进行地基变形验算, 经计算, 主楼部分的最大平均沉降为30～40mm, 均满足规范要求。本工程主楼与裙房间地下室设置沉降兼伸缩后浇带, 采取“抗”、“放”相结合的原则, 首先释放大部分沉降差, 同时将主楼与地库间相邻跨筏板加厚过渡, 其次适当加强主楼与裙房相邻跨上部结构的框架配筋, 以抵抗其余部分的沉降差。

　　 地理楼上部结构2～4层为环形围合平面, 5, 6层建筑局部退台形成L形平面, 由于建筑立面要求, 整个结构不允许设防震缝。主体采用钢筋混凝土框架结构, 框架抗震等级三级, 以地下室顶板为嵌固端, 楼屋面一般采用现浇钢筋混凝土梁板式结构。5层体型收进部分楼板加厚至150mm, 6层及屋面层楼板厚度在L形拐角应力集中部位相关范围取150mm。

　　 文化楼上部结构平面均为L形, 根据建筑立面要求, 整个结构不设置防震缝。主体采用钢筋混凝土框架结构, 框架抗震等级三级, 以地下室顶板为嵌固端, 楼屋面一般采用现浇钢筋混凝土梁板式结构。各楼板厚在L形拐角应力集中部位相关范围取150mm。

　　 本工程两栋楼根据建筑立面要求, 部分采用斜率渐变的斜柱, 最大倾斜角度约20°, 对斜柱周边梁板补充楼板应力分析, 对斜柱周边的框架梁及楼板存在水平拉力部位加强配筋。

　　 三层地球仪造型的钢结构平台采用钢桁架结构。桁架支座支承在两侧地理楼和文化楼端部的悬挑梁上, 一端采用固定球形钢支座, 另一端采用滑动球形钢支座, 以释放水平位移。

　　 本工程不规则类型及采取的结构措施如下:

　　 (1) 地理楼及文化楼考虑偶然偏心的最大扭转位移比均大于1.2, 属扭转不规则。计算中考虑了双向水平地震作用下的扭转影响, 控制结构的扭转效应, 使扭转位移比均不大于1.4。

　　 (2) 地理楼5层及以上平面及文化楼平面均为L形, 为平面凹凸不规则;入口门厅两层高, 2层局部开洞, 形成局部楼板不连续。设计中采用符合楼板平面内实际刚度变化的弹性楼板模型, 以计入楼板局部变形的影响。楼层拐角部位相关范围及开洞附近板厚加强为150mm, 楼板配筋率为0.25%。

　　 (3) 地理楼5层由环形平面收为L形平面, 属结构竖向体型收进。设计时补充弹性动力时程分析进行多遇地震作用下的补充计算, 按时程曲线反应谱和振型分解反应谱两者的不利工况进行包络设计, 并且采取加强构造措施, 如体型收进部位楼板厚度取150mm, 且双层双向配筋, 配筋率不小于0.25%。根据高规^[1]第10.6.5条, 地理楼体型收进处上部收进结构的底部楼层X向层间位移角与相邻下部区段最大层间位移角之比为1.04, 楼层Y向层间位移角与相邻下部区段最大层间位移角之比为1.03, 均满足规范要求。体型收进部位上、下各两层收进部位周边框架柱抗震等级提高为二级, 并加强收进部分屋面以下两层周边竖向构件的配筋率。

　　 (4) 主体结构均采用两个力学模型的三维空间分析软件SATWE及PMSAP进行整体内力、位移计算, 计算结果表明两种软件的结果比较吻合。

　　 文化楼平面长约95m, 宽约50m, 为超长结构, 除按混凝土规范^[2]要求施工期间设置后浇带, 使用期间采取保温、隔热等措施外, 尚需对楼板进行温度应力分析。根据荷载规范^[3], 苏州地区基本气温最低-5℃、最高40℃, 结构入模时温度按15℃计算。

　　 采用PMSAP程序对整楼计算模型进行温度应力的计算。全楼楼板设置为弹性膜, 升温按+25℃、降温按-20℃计算。经计算升温时楼板均为压应力, 降温时楼板出现拉应力。以2层、3层楼板温度应力为例, 分析结果见图4。从图4应力图可以看出, 2层楼板拉应力平均为0.3～0.6MPa, 3层为0.10 ～0.30MPa。以1m宽板带为计算单元, 计算单元具体参数为:板厚120mm, 混凝土强度等级C30, 混凝土抗拉强度f_t=1.43N/mm², 如考虑平均温度拉应力为0.6MPa, 经计算需要另增加温度筋为100mm²/m, 即除计算外, 板面、板底均需增加100mm²/m的温度应力配筋, 以满足超长结构的要求。

　　 三层地球仪钢结构平台结构位于两个单体地理楼和文化楼之间。结构平面类似平行四边形, 建筑宽度约为17m, 长度约为23m。结构中部有一直径12m的地球仪造型结构。主体为空间桁架体系, 地球仪造型为拱形结构, 如图5所示。

　　 结构计算程序采用SAP2000结构分析软件。整个桁架体系由三道平面纵向桁架、两道横向桁架及中间的环形桁架组成。其中纵向桁架为主受力桁架, 桁架支座支承在两侧地理楼和文化楼端部的框架柱悬挑梁上, 一端采用固定球形钢支座, 另一端采用滑动球形钢支座, 以释放水平位移。两道横向桁架为纵向桁架提供侧向支撑, 保证纵向桁架平面外稳定。环形桁架既作为整个地球仪造型钢结构平台的支承, 又增加了中部开洞的刚度, 加强了桁架体系的整体性。纵向桁架间设间距1.5m的钢梁, 上铺设150mm厚压型钢板组合楼板。

　　 桁架弦杆件采用截面为□250×150 (Q235B) 的方钢管, 腹杆采用截面为□120×120 (Q235B) 的方钢管, 钢梁采用截面为□250×200 (Q235B) 及截面为□200×200 (Q235B) 的方钢管, 杆件采用相贯焊连接。

　　 地球仪造型钢结构平台考虑荷载如下:附加恒载2kN/m², 下弦吊挂荷载0.5kN/m², 活载2kN/m², 风荷载考虑风压0.8kN/m², 风吸0.5kN/m², 温度荷载考虑升温降温±25℃。

　　 (1) 结构计算内力结果表明, 贯通的纵向桁架和环形桁架的内力分布为典型的桁架受力特点, 以轴力为主。不贯通的纵向桁架根部有较大的弯矩, 在设计时应考虑这部分弯矩。地球仪造型的拱圈在拱脚处也有一定的弯矩, 由于拱圈为半圆形, 属于无推力拱, 水平推力很小。

　　 (2) 模态分析采用收敛速度快、精确度高的Ritz 向量法, 取X, Y, Z 向加速度为初始向量荷载, 振型数均取为12, 以保证获得超过90%的振型参与质量。结构前三阶周期分别为0.41, 0.31, 0.22s;由结构前三阶振型 (图6) 可以看出结构为竖向振动为主。

　　 (3) 结构变形分析。经计算钢结构平台竖向最大位移为52mm, 满足钢规^[4]1/400限值的要求, 图7为结构竖向变形图。

　　 (4) 构件验算。计算分析表明, 在各工况下所有构件均能满足承载力、稳定及长细比的要求。图8、图9为静力工况和地震工况下构件包络应力比, 应力比均满足设计要求。

　　 (5) 结构稳定分析。结构在静力工况下的前三阶线性屈曲特征值分别为4.63, 8.98, 13.64, 线性屈曲特征值大于4, 满足弹性整体稳定的要求。

　　 (6) 支座分析。桁架支座支承在两侧地理楼和文化楼端部的框架柱悬挑梁上, 大震下滑动球形钢支座最大允许位移150mm, 支座允许竖向抗压荷载1 500kN, 允许水平抗剪荷载200kN。支承悬挑梁受力较大, 悬挑梁内预埋型钢与框架柱内预埋型钢相连, 以提高支座抗震性能。典型支座节点见图10。悬挑梁标高与其后延伸框架梁标高有700mm高差, 故框架梁端部采用竖向加腋处理, 以保证有效传力。

　　 (1) 对比三维空间分析软件SATWE及PMSAP两个模型整体计算得到的结果可知, 地理楼及文化楼结构设计各项结果基本吻合;补充弹性动力时程分析对结构进行多遇地震作用下的计算, 并按时程曲线反应谱和振型分解反应谱两者的不利工况进行包络设计。各项计算结果均能满足规范要求。

　　 (2) 由于结构平面及竖向不规则, 采取适当加强措施, 使其具有足够的安全储备, 满足结构既定的抗震能力。

　　 (3) 三层地球仪造型钢结构平台结构体系合理, 传力路径明确;经计算分析表明, 结构的整体位移、承载力及整体稳定均满足规范要求;在多遇地震作用下结构杆件保持弹性, 满足抗震要求。