航空工业信息中心科研办公楼位于北京市朝阳区惠新西街及北土城东路十字路口西北角, 西临朝阳区小关小学, 总建筑面积为52 550m²。地上11层 (局部有出屋面机房层) , 地下3层。建筑总高度为45m (局部机房层为48.2m) , 1～3层层高分别为5.0, 4.4, 4.4m, 3层以上楼层层高均为3.8m。南北向总长约103m, 东西向总长约59.5m。战时地下3层南部为五级人员掩蔽所, 地下3层北部和地下2层南部为六级人防车库。地上部分在3层以上分为南、北两个塔楼, 在4层高度范围内南、北两塔楼之间为玻璃斜屋面。为了避免影响相邻住宅建筑的日照时间, 南、北两塔楼在3层以上逐层收进。图1为建筑效果图及剖面图。

　　 图1 建筑效果图及剖面图

　　 结构体系为框架-剪力墙结构。设计使用年限为50年, 结构安全等级为二级, 抗震设防烈度为8度, 相应的设计基本地震加速度为0.20g, 设计地震分组为第一组, 建筑场地类别为Ⅲ类, 特征周期为0.45s, 抗震设防类别为丙类。

　　 根据建筑平面布局要求, 工程利用楼电梯间墙形成的钢筋混凝土筒体与框架梁柱组成框架-剪力墙结构体系。为了使结构刚度分布均匀, 减少扭转的影响, 在北塔楼北侧设置部分剪力墙。采用梁式筏板基础, 并根据本工程上部结构荷载的分布情况, 确定合理的筏板厚度及基础梁截面。框架柱主要截面为800×800, 700×700, 600×600, 混凝土强度等级从下至上由C50递减至C30;框架梁主要截面尺寸为400×600, 400×800, 混凝土强度等级为C30;剪力墙主要厚度为400, 300, 200mm, 混凝土强度等级为C40, C30;主要受力钢筋均采用HRB400。图2为结构4层平面布置图。

　　 由于建筑平面的不断收进, 南塔楼5, 7, 9层各有一根边柱不能向下贯通, 采用斜柱进行转换。北塔楼4层有一片剪力墙不能落下, 局部存在框支剪力墙转换。南北塔楼之间的玻璃斜屋面钢结构与南塔楼一侧采用橡胶支座进行连接, 橡胶支座的变形能力满足大震要求, 在整体计算中考虑橡胶支座刚度对南北塔楼的影响。

　　 结构在小震下的弹性分析主要采用SATWE (PKPM 2005系列软件) 和ETABS (9.1.3版本) 两种软件进行计算比较, 主要计算结果见表1。从计算结果来看, 多遇地震作用下结构的各项指标符合抗规^[1]和高规^[2]的要求。

　　 本工程外形复杂多变, 结构上存在一些不规则项, 如2层顶板平面局部凹进尺寸大于相应边长的30%, 属平面上凹凸不规则;局部楼层收进尺寸超过下部楼层水平尺寸的25%, 属竖向不规则。因此, 在结构设计过程中尽量把位移比控制在1.2以内, 避免出现扭转不规则。根据软件给出的计算结果, 仅有一层的位移比超过1.2, 这种情况不属于扭转不规则范畴。个别构件存在转换 (斜柱转换等) , 但因其传力明确, 能形成连续贯通的传力路径, 因此可不视为不规则项。而由于结构存在大底盘多塔等不利因素, 因而需进行弹性时程分析作为多遇地震下的补充计算。为了解结构在不同水准地震作用下的性能, 对其进行静力弹塑性分析。

　　 选择特征周期为0.45s的一条人工波 (RH1TG045波) 和两条天然波 (TH3TG045波、TH4TG045波) , 采用SATWE软件对结构进行弹性时程分析补充计算, 峰值加速度取70cm/s², 表2列出了北塔的主要计算结果。从表2可以看出, 每条地震波的X, Y两方向的基底剪力均不小于反应谱法求得基底剪力的65%, 三条地震波的平均基底剪力不小于反应谱法求得基底剪力的80%, 满足规范要求。采用时程分析法计算的X, Y向最大楼层位移和最大层间位移角均小于或稍大于反应谱法计算的结果, 故主体结构采用反应谱法的计算结果进行设计是合理的。在底部两层范围内, 采用时程分析法计算得到的结构层剪力大于反应谱法计算的层剪力, 故在底部两层构件设计时按照时程分析法计算结果进行了校核。

　　 为了进一步了解结构在不同水准地震作用下的工作性能、确定罕遇地震作用下的破坏机制、找到最先破坏的薄弱环节, 采用MIDAS/Gen软件对结构进行静力弹塑性分析 (Pushover analysis) 。

　　 计算模型采用刚性楼板假定, 各单元塑性铰特征属性均按美国规范FEMA-273^[3], 其中梁采用弯矩铰, 柱采用轴力弯矩铰, 剪力墙采用剪力铰, 支撑采用轴力铰^[4]。初始荷载为1.0恒载+0.5活载, 沿X向、Y向进行侧推, 两个方向的水平荷载采用与X向、Y向的第一平动振型成正比的分布模式, 按位移控制进行加载, 采用基于位移的非线性分析方法, 逐级增加侧向荷载, 直至控制节点达到目标位移, 或者整个模型不再收敛为止。由于结构在罕遇地震作用下的水平位移较大, 为计入几何非线性的影响, 计算中考虑了P-Δ效应。

　　 取多遇地震下结构位移最大点为控制点, 分别对南塔楼和北塔楼进行分析, 得到不同水准地震下结构性能点的表现。表3给出了南塔楼按第一平动振型加载模式侧推得到的三个不同水准地震下结构性能点的主要数据。

　　 基于性能的抗震设计对不同地震水准下的结构性能目标提出了明确的要求, 从Pushover分析中可以比较直观地得出结构性能随着水平地震作用递增的不断变化过程, 因而Pushover分析是实现结构性能化设计的一个很好的分析方法。从分析中得出的结构塑性铰出现的情况如下:在多遇地震下, 结构各构件均未出现塑性铰, 整个结构体系完全处于弹性状态。随着水平地震作用的增加, 最先出现塑性铰的构件是连梁, 随后部分剪力墙也进入塑性阶段, 最后部分框架单元出现了塑性铰。从塑性铰出现的顺序来看, 整个结构的表现符合框剪结构的设计预期, 即具有双重抗侧力体系的框剪结构中剪力墙作为第一道防线先于框架破坏, 从而实现多道防线的设计理念。从框架部分进入塑性的情况来看, 多数情况下都是框架梁先出现塑性铰, 框架柱后出现塑性铰, 也基本符合了“强柱弱梁”的设计理念。

　　 图3为罕遇地震作用下南塔楼剪力墙和框架中塑性铰的分布情况。图例中B～E代表了塑性铰的发展程度。图4为FEMA 356默认铰属性的荷载-位移关系曲线^[5], B代表铰的屈服, IO, LS和CP代表铰的能力水平, C代表极限承载力, D代表残余强度, E代表完全失效。从图3中可以看出, 罕遇地震作用下结构出现的塑性铰均处于B～LS阶段, 铰的承载力和变形能力仍有较大的上升空间, 绝大多数梁柱仍处于弹性阶段。在罕遇地震作用下, Y向主振型 (第一振型) 加载模式下最大层间位移角为1/239, 出现在3层, X向主振型 (第二振型) 加载模式下最大层间位移角为1/188, 也出现在3层。故可知3层相对较为薄弱, 因此设计时对其采取了必要的加强措施。

　　 北塔楼塑性铰的开展情况及层间变形情况与南塔楼类似。需要特别注意的是, 北塔楼4～6层部分剪力墙为框支剪力墙, 从Pushover分析情况来看, 剪力墙表现良好, 而框支柱塑性铰出现要早于其他框架柱, 因此, 设计中对框支柱进行加强十分必要。

　　 北塔楼和南塔楼之间在4层的范围内有玻璃斜屋面, 斜屋面钢结构一端与北塔楼3层顶部结构相连, 另一端与南塔楼4层顶部结构构件相连, 与南塔楼连接处设置橡胶支座。图5为玻璃斜屋面钢结构安装完毕的现场实景。

　　 由于南、北塔楼之间存在的斜屋面钢结构连接必然会影响每个塔楼的在地震作用下的表现, 故采用MIDAS/Gen软件中的弹性连接模拟橡胶支座, 分别赋以弹性连接不同的刚度进行整体分析, 得到主体结构的不同的位移比, 从而给橡胶支座的选择提供依据。表4为支座刚度分别取0, 2, 5kN/mm时 (取0时代表滑动支座) 南、北塔楼3层和4层的位移比。从表4中可以看出, 支座的刚度对结构整体的表现影响影响较小。采用刚度为0的滑动支座对结构最为有利, 不过考虑到工程造价的因素, 最终选取的支座为刚度2kN/mm的橡胶支座。在进行支座节点设计时设置了限位挡板, 确保斜屋面钢结构在大震下不从主体结构上脱落。

　　 本工程北塔楼3层及以下最北侧○N轴上为一长片剪力墙, 建筑4层北侧收进一跨。为了使结构不出现扭转不规则, 在4～6层北侧○M轴上另加一片剪力墙, 形成局部框支剪力墙结构 (图6) 。

　　 同样由于建筑的逐层收进, 南塔楼5, 7, 9层各有一根边柱不能向下贯通, 故在4, 6, 8层局部采用斜柱进行转换 (图7) 。

　　 对于局部转换结构, 采用两种方法进行计算分析, 取包络结果进行设计。第一种方法为按现有规范计算方法, 采用多遇地震烈度进行计算, 将框支柱、支承斜柱的转换柱、平衡斜柱水平力的转换梁的抗震等级提高至一级, 同时考虑竖向地震的影响。另一种方法是按中震不屈服进行设计, 地震作用按设防地震烈度进行计算, 荷载分项系数及抗震承载力调整系数γ_RE取1.0, 取消强柱弱梁、强剪弱弯等要求的内力调整系数, 材料强度取标准值。

　　 对转换梁按拉弯构件或压弯构件进行设计, 梁上部纵筋拉通, 增大腰筋面积, 并将其按受拉钢筋锚固。框支柱和转换斜柱箍筋全高加密。转换结构所在区域的楼板加厚至180mm, 板配筋适当加强并拉通。转换区域的楼板除了在竖向荷载下承受拉、压应力, 对于图6所示的部位, 由于上、下层剪力墙错位, 地震作用下楼板需承担将4层○M轴剪力墙的剪力传至3层○N轴剪力墙的任务, 因而板内会出现一定的剪应力。图8为中震下3层顶板○L～○N轴楼板的剪应力, 由图8可以看出, ○N～○M轴楼板剪应力约在0.8～2.5MPa。对此范围楼板进行设计时, 配筋满足承受中震下主拉应力及竖向荷载的共同作用。

　　 本工程平面凹凸不规则, 局部收进过大竖向不规则, 还具有大底盘多塔楼等不利因素。通过静力弹塑性分析找出结构的薄弱环节并相应采取加强措施, 可以使结构在地震到来时表现出良好的性能。在具体的设计实践中可以针对某些重点部位 (如转换构件处) 设置更高的性能目标, 如中震不屈服、中震弹性等, 也是对性能化设计的尝试。本工程于2009年完成设计, 2011年结构封顶, 至今各项状况良好。