南京六朝博物馆暨圣和酒店项目位于江苏省南京市东箭道以东、长江路以北, 总建筑面积约6.9万m², 是和美国贝氏建筑事务所合作设计的项目。本工程是南京市重点工程, 建筑效果图如图1所示。此项目包括博物馆、酒店两栋建筑, 且两栋建筑两种建筑功能交互在一整栋里。博物馆位于本建筑的东北部, 其中六朝建康城遗址位于项目东侧中部的三层高的大堂下方, 通过对大堂地面进行特殊处理 (简称满天星处理) 后, 可以清晰地看到遗址的原貌。圣和酒店位于本建筑的西南部。此项目除应满足规划要求的限总高设计、跨越遗址原位、保留展示区、结构构件尺寸相应室内设计均模数化设计、保证贝氏建筑通透感的光线设计以及空间感净高等, 还应满足博物馆、酒店两种功能要求, 同时博物馆部分要求于2014年8月11日竣工开馆迎青奥会, 工期十分紧张, 给结构设计带来了诸多难度。整体工程于2015年5月1日竣工并投入使用。

　　 整栋楼 (包含六朝博物馆和圣和酒店两种建筑功能) 结构地下3层 (含局部夹层) , 地上部分南面 4～5层和北面3～4层沿高10.56～20.46m形成错层。地下2层和地下3层主要为车库、设备用房和博物馆库房等, 地下1层为遗址展示区及酒店配套用房;地上主要为展览厅和酒店。结构主要柱网尺寸为9.6m×9.6m;部分大跨柱距为19.2, 14.4, 13.6m;主要屋面板高度为23.71m;西北角处大悬挑挑出长度为9.6m。剪力墙及柱混凝土强度等级自下而上为C40～C60, 梁板混凝土强度等级为C40;框架柱主要截面自下而上从800×800收减到600×600, 剪力墙墙厚自下而上从600mm收减到200mm, 典型框架梁主要截面为:3层及以上酒店部分为700×450, 其他部分为400×700。钢材采用Q345B和Q390B。嵌固端取在地下室顶板。由于地下室外墙边距支护桩只有300mm的间距, 采用单侧支模浇筑地下室外墙。建筑功能分区示意图如图2所示, 建筑典型剖面图见图3。

　　 工程设计基准期为50年, 结构设计使用年限为50年, 建筑抗震设防类别为标准设防类, 建筑结构的安全等级为二级, 抗震设防烈度为7度, 设计地震加速度为0.1g, 设计地震分组为第一组, 场地特征周期为0.38s (勘察报告提供) , 场地类别为Ⅱ类, 基本风压为0.40kN/m², 体型系数为1.4。

　　 本工程采用局部带钢支撑的型钢混凝土桁架框架-剪力墙结构体系。由于建筑平立面空间布局极不规则, 使结构存在扭转不规则, 偏心布置, 楼层平面凹凸不规则 (工字形组合平面) , 错层, 楼板开大洞, 竖向刚度突变, 竖向抗侧力构件不连续 (局部大跨托柱转换) , 刚度尺寸突变等多项不规则情况, 属特别不规则结构。结合建筑平面布局布置剪力墙, 计算上最大限度减少扭转偏心以达到结构整体力平衡, 调算结构的刚心和质心, 经过多层次反复模型调算分析, 针对性地采取抗震构造加强措施, 使结构整体抗震性能良好。结构典型平面布置图见图4～6, 型钢混凝土桁架1～3布置见图7。从图3典型剖面图及图4～6中可看到各楼层中特别不规则情况。楼层分布及层高见表1, 从表中可看出结构在轴错层分布情况。

　　 楼盖体系除常规梁板结构体系外, 根据酒店部分净高及大跨度跨越遗址的要求, 采用了宽扁梁-大跨度板楼盖及满天星井字密肋板式变截面预应力梁楼盖体系。在博物馆大堂屋面采用了较薄杆件组成的玻璃采光顶钢桁架的结构形式, 满足了贝氏建筑对光线及建筑空间造型的要求。

　　 由于酒店部分层高只有3.3m, 考虑设备管线和室内装修后净高不小于2.6m的要求, 柱网跨度布置为9.6m×9.6m, 框架梁高仅能做到450mm高。为满足建筑净高要求, 结构楼盖布置采用了宽扁梁-大跨度板楼盖体系, 典型梁截面尺寸为700×450, 跨高比约为1/21, 板厚约为250～270mm, 跨高比约为1/38～1/35。在计算分析上, 对比考察了板厚为270mm, 边支承梁截面尺寸分别为700×850, 700×650, 700×450时, 用PKPM软件PM楼板计算模块 (即手册算法) 和Slabcad有限元计算梁板刚度比变化对大板的弯矩影响。计算结果表明:手册算法的梁板刚度比变化对楼板计算无任何影响, 而Slabcad有限元计算结果表明:随着梁板刚度比减小, 板跨中正弯矩值会随之逐渐加大;边支座支承梁跨中位置处负弯矩值会随之逐渐减小, 而边支座靠近柱轴线处的负弯矩值会随之逐渐加大。边支承梁已起不到手册算法中刚性边支承作用了^[1]。实际施工图配筋根据手册算法和Slabcad有限元计算结果综合配筋。

　　 由于遗址展厅跨越区域达19.2 m×38.4m, 建筑造型及室内布置上要求遗址展厅顶板开设满天星式菱形窗洞口。室内空间上只允许中间留设一根框架柱, 层高净高限定板厚只能做500mm, 经多方案比选, 最终采用了板厚500 mm格栅式 (即满天星式) 开菱形洞口的井字密肋变截面预应力梁楼板结构布置 (简称满天星楼板) , 即每隔2.4m布置一道500mm高的梁形成密肋交叉变截面梁, 周边无洞口区域梁的截面尺寸设置为2 400×500, 洞口区域梁的截面尺寸设置为993×500。从外观上看为平面19.2m×38.4m的格栅式开洞平板结构形式。支承形式为梁式边支承, 中间框架柱处为点式支承。满天星结构平面布置图及室内实景图见图8, 9。

　　 井字密肋板式变截面预应力梁楼板的设计思路为^[2]:1) 格栅式开菱形洞口的井字密肋交叉变截面梁楼板按500mm高进行设计, 采用无粘结预应力筋形式;2) 非柱边处的配筋计算, 在PKPM中按变截面梁输入建模, 按梁跨中的承载能力、裂缝、挠度估算所需预应力筋的根数, 并将此根数的预应力筋通长布置到梁中;3) 考虑柱边处较大的内力, 补充裂缝计算, 根据计算结果增配附加预应力短筋及相应普通附加短筋;4) 控制预应力度满足规范的要求 (预应力度是衡量结构预应力水平的参数指标, 如预应力强度比、有效预压用力、抗裂计算等) ;5) 根据PKPM中PREC模块定线形前相应的弯矩结果, 其弹性挠度估算已能满足规范要求, 加设预应力筋作为变形储备 (预应力度、裂缝满足规范要求, 最大配筋率在1.5%～2.0%, 均小于2.5%) ;6) 将该预应力梁边支承端点作为刚接及铰接各算一次, 综合计算结果配置梁跨中配筋;7) 在相邻周边普通楼板处设置张拉后浇带以释放实际施工时的张拉应力。预应力张拉时需待混凝土强度达到100%设计强度后再张拉, 张拉完毕后才可拆除脚手架。

　　 基础为桩筏基础, 采用直径为700mm的嵌岩钻孔灌注桩, 以⑤₂层中风化粉砂质泥岩为桩端持力层, 以②₃粉土夹粉质黏土层为筏板持力层, 地基承载力特征值f_ak=110kPa。桩基设计中考虑了利用支护桩参与桩基受力^[3], 该支护桩为永久性支护桩, 为主体结构工程桩的一部分, 主体结构基础采用JCCAD建模带入和主体结构工程桩一起进行各荷载工况的验算。

　　 本工程属特别不规则结构, 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[4] (简称抗规) 第3.4.4条有关规定, 组织抗震专家进行了专门论证。

　　 结构整体抗震分析采用软件PKPM-SATWE和MIDAS Building进行小震弹性分析对比, 两者计算结果较吻合, 主要计算结果见表2。本工程为多层结构, PKPM-SATWE计算的第一周期T₁=0.77s<2s^[5], 故采用PKPM静力弹塑性模块进行小震、中震及罕遇地震下推覆分析, 找出薄弱部位, 考察结构第一批塑性铰的出现以及小震、中震下结构的弹性变形储备情况, 主要计算结果见表3。采用软件PKPM-SATWE进行小震弹性动力时程分析, 并与小震弹性反应谱分析结果进行对比, 见表4及图10。对结构关键构件进行抗震性能化设计, 使托柱转换框架、穿层柱、错层柱、悬挑桁架等关键构件满足在小震弹性、中震弹性和大震下满足剪压比限制条件下不屈服;底部加强区剪力墙在小震弹性、中震抗剪弹性、抗弯不屈服和大震下满足剪压比限制条件下不屈服。对大悬挑桁架以及托柱转换框架补充进行了竖向地震作用下的分析计算。施工图设计采用抗震性能化设计结果和小震弹性计算结果进行包络设计, 确保结构满足抗震性能要求。

　　 从表2看各项计算指标均满足抗规要求, 其中, 结构主周期在0.52～0.77s之间, 避开了根据《场地地基弹性波原位测试报告》提供的场地卓越周期0.5s, 避免了共振放大的影响。

　　 表3给出了PKPM静力弹塑性分析结果, 表明大震作用下结构弹塑性层间位移角均小于1/100, 满足抗规要求, 此外小震、中震作用下性能结果表明结构具有良好的弹性变形储备。

　　 根据场地土条件, 选取2条天然波 (TH3TG055波、TAF-2波) 和1条人工波 (RH1TG045波) 进行双向输入分析, 其水平向对应的峰值加速度取35cm/s², 主方向与次方向峰值加速度比例为1∶0.85。由图10可知, 地震波平均谱与规范谱在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%;由表4可知, 各条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于反应谱法的65%, 各条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值均大于反应谱法的80%, 所选的3条地震波均符合规范要求。计算结果取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值。

　　 抗震措施:1) 结构抗震等级提高至二级;底部加强区范围内墙体的竖向分布筋的配筋率适当提高。2) 严格按规范要求控制剪力墙、框架柱的轴压比 (剪压比) , 保证剪力墙、框架柱的延性。3) 结构关键构件托柱转换框架、穿层柱、错层柱、转换柱以及部分剪力墙端柱采用型钢混凝土梁柱, 部分无端柱剪力墙端部设置型钢暗柱, 以增强构件延性。4) 开大洞周边楼板、细腰处楼板、转换框架处楼板厚度适当加厚, 按双层双向2.5%配筋率加强。

　　 本工程由于特别不规则等情况造成各层平面刚心、质心偏置很大, 在既定结构体系和楼板布置方案前提下, 使得梁柱墙构件截面尺寸, 特别是剪力墙较难布置调算。在具体结构软件建模调算中, 将错层作为一个自然层处理, 根据平面西北角2层挑出长度为9.6m的大悬挑造型, 在结构对应位置处布置了型钢混凝土梁柱大悬挑桁架及在根部设置600mm厚的一字形、L形剪力墙, 根据平面东南角2层博物馆入口处两片八字形墙体造型和24m的大跨度, 在结构对应位置处布置了两片厚度为900mm的带型钢混凝土端柱的八字形剪力墙和跨度为24m的大跨转换桁架, 及该桁架支座设置两片厚度为800mm的带型钢混凝土端柱的一字形剪力墙。该两处的特殊造型和相应的结构布置使得该处结构构件吸收了较大的地震力, 故结构计算以该两处作为平衡刚心、质心的基准点, 再结合楼电梯间布置的剪力墙、2层中间细腰部跨度为9.6m的跨托柱转换型钢框架的布置、东南角2层跨度为19.2m的托柱转换型钢混凝土框架的布置、东北角四层跨度为19.2m的托柱转换型钢混凝土框架的布置、轴交⑥～⑨轴沿高10.56～20.46m形成错层处剪力墙及型钢混凝土柱的布置、局部越层型钢混凝土柱的布置等进一步调算调整构件布置及构件尺寸, 各层柱墙截面尺寸也相应错层, 层高根据调算采取分层分区逐步收进, 较好地控制了结构的刚心和质心。

　　 其中, 在位移比调算中, 考虑错层、越层等因素, 采用详细输出方式的PKPM-SATWE软件位移计算结果, 找出各层角点位移值, 补充手算位移比, 查看是否满足抗规要求。经过多次调试, 结构的各项计算指标均满足抗规要求。

　　 由于该工程多处存在大跨托柱转换, 多处梁柱节点受力很大且较复杂, 为满足建筑要求的尽可能大的室内空间, 在关键部位采用了强度高、弹性模量大、塑性变形能力大的延性组合柱-钢管混凝土柱, 钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接是关键节点, 能有效传递钢筋混凝土梁端的剪力和弯矩至钢管混凝土柱, 使连接节点具有良好的延性和耗能能力, 从而更好地实现“强节点弱构件”抗震设计概念。经对比分析, 采用了传力明确、整体性好、安全可靠、构造简单的带抗剪环-钢牛腿的钢管混凝土柱-RC环梁节点形式, 此项节点技术荣获新型实用专利^[6], 具体构造见图11。该节点无需穿心牛腿, 不影响钢管内混凝土浇筑;抗剪环、钢牛腿可以在工厂加工, 焊接质量容易保证;环梁钢筋笼无方向性, 在地面绑扎, 高空就位方便。该节点的剪力传递途径如下, 传递途径过程1:钢牛腿腹板与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上;传递途径过程2:环梁和抗剪环之间的局部承压作用力, 将剪力由环梁传递到抗剪环上, 并通过抗剪环与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上;传递途径过程3:环梁混凝土与钢管之间的粘结作用;传递途径过程4:梁端弯矩引起环梁上下端挤压钢管混凝土柱而提供的静摩擦力。其中, 传递途径过程4产生的静摩擦力很大, 可以满足抗剪要求;传递途径过程3产生的静摩擦力很大, 可作为安全储备;设计时以传递途径过程1和2产生的力为主进行验算^[1]。

　　 弯矩传递作用方式为:1) 钢牛腿上下翼缘板与钢管间的焊缝将弯矩传递到钢管上, 为主要传力途径;2) 框架梁端弯矩分解为对环梁上部和下部的一对拉压力, 拉力由环梁上部环筋与楼板共同承担, 压力由环梁下部的混凝土承担并传递至钢管混凝土柱上^[1]。该节点构造在力学模型上形成了具有良好内力重分布能力的刚性区, 在某一个构件达到承载力极限时, 其他构件将协助其分担继续增加的荷载^[7]。钢牛腿与混凝土环梁、抗剪环对于力的承载传递起到二道防线的作用。

　　 其余地方钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接根据不同节点的受力特点采用钢管混凝土柱加设环形牛腿与钢筋混凝土梁连接、钢筋混凝土梁采用穿筋单梁与钢管混凝土柱连接等常用的节点形式^[8]。

　　 南6层楼面在西南角及中间细腰部由于建筑立面要求需要收进2m左右, 形成跨度为9.6m、截面尺寸为700×450的框架梁需要抬截面尺寸为600×600框架柱, 且该框架梁由于酒店客房净高要求高度只能为450mm, 若无任何措施, 该框架梁无法承载。

　　 考虑该部分建筑要求的模数化尺寸及施工可操作性并经过多方案比选, 采用搭接转换混凝土墙, 以减小该墙上下层框架梁计算的跨度满足该部分总体承载要求。该部分从抗震概念上可理解为加强下柱、搭接转换混凝土墙、上抬柱的设计, 使屈服先在楼板上发生, 避免框架柱先于楼板屈服, 依次保证各构件强度, 即保证传力路径为:下柱偏压承载力→搭接转换混凝土墙压剪承载→上抬柱偏压承载力力→楼板偏拉承载力^[9];从具体计算上:将该搭接混凝土墙在PKPM结构模型中输入参数并进行结构整体计算后, 再将搭接混凝土墙下部框架梁柱定义成转换构件, 考察相关构件承载情况, 计算结果显示均为适筋情况;摘出该节点周边相关构件, 补充手算搭接转换混凝土墙部分局部承载情况;分析搭接转换混凝土墙上下层楼板应力, 并据此配筋;采用软件MIDAS/Gen对搭接转换混凝土墙进行应力分析, 并据此配筋。搭接转换混凝土墙剖面图见图12, 各工况荷载包络下的主应力、剪应力、轴向应力图见图13。

　　 根据PKPM整体计算结果, 该搭接转换混凝土墙拟配水平钢筋为双层10@100, 竖向钢筋为双层10@200, 一端暗柱截面尺寸为200×400, 内配纵筋822, 箍筋10@100 (2) 。混凝土强度等级为C40, HRB400级钢筋, 然后据此拟配筋手算校核如下内容:1) 搭接转换混凝土墙的受剪控制条件;2) 搭接转换混凝土墙的竖向配筋计算;3) 搭接转换混凝土墙的水平配筋计算;4) 水平及竖向钢筋配筋率;5) 搭接转换混凝土墙正常使用条件极限条件下截面尺寸控制条件计算^[9], 计算结果满足要求。从应力分析图看, 该搭接转换混凝土墙各工况荷载包络下的应力均满足要求。

　　 由于本工程层高受限, 框架梁高取值较小而梁跨度较大, 标准轴网为9.6 m×9.6m, 导致与柱接头处计算所需梁支座钢筋排放若按传统方式在梁宽范围内放置会很密集, 为保证浇筑质量, 采取将梁支座部分钢筋放置梁翼缘板内, 根据梁翼缘板厚不同并以板厚为250mm为界, 板内采用开口箍和封闭箍的构造方式, 详见图14。这种布置方式与1976年德国混凝土设计手册、80年代中国台湾省建筑法规及1995年加拿大混凝土手册中的规定“在钢筋数量超出梁宽范围布置数量时应可以放在翼缘板内”是相符的, 德国甚至更严格, 不允许在振捣区放钢筋^[10];这也与抗震设计概念相符, 避免由于梁柱节点钢筋密集而形成“强梁弱柱”。

　　 (1) 结构体系采用局部带钢支撑的型钢混凝土桁架双重抗侧力体系框架-剪力墙体系, 楼盖体系除常规梁板体系外采用宽扁梁-大跨度板楼盖、满天星井字密肋板式变截面预应力梁楼盖体系, 基础体系采用考虑支护桩参与作用的桩筏基础, 采用单侧支模浇筑地下室外墙。

　　 (2) 抗震分析采用PKPM-SATWE和MIDAS Building这两种有限元软件进行小震弹性对比分析, 使结构主周期避开场地卓越周期, 并获得较好的各项计算指标;补充小震弹性动力时程分析;补充小震、中震和罕遇地震下推覆分析找出薄弱部位, 考察弹性变形储备情况。对关键构件进行性能化设计。

　　 (3) 从抗震措施上遵循“强柱弱梁”“强剪弱弯”“强节点锚固”原则, 对薄弱环节关键节点提出抗震构造措施, 以传力路径尽量简短直接, 计算简图合理选取为原则进行结构布置, 加强构件、节点。运用预应力空心楼板、钢管混凝土柱、型钢混凝土柱、钢桁架等多种组合结构形式使结构及构件具有良好的延性。

　　 对本项目从整体到局部进行分析、判断、选择, 再从局部到整体进行验证、调整, 来加强抗震措施, 同时结构设计与建筑、设备、施工密切配合, 使结构具有良好的抗震性能。