2019北京世园会位于延庆西南部, 紧邻官厅水库和妫水河, 距离八达岭长城和海坨山只有10km, 依山傍水, 景色怡人。中国馆是园区的核心场馆, 总建筑面积约2.3万m²m, 主体结构分为上部钢结构屋盖和下部混凝土结构两部分, 中国馆实景图见文献[1]。整体呈半环形, 环状四周被10～14m不等高的梯田覆土所覆盖, 梯田上的绿色植被使整个建筑与周边山水融为一体, 体现了“自然、和谐”的设计理念。本文主要介绍混凝土部分的结构设计, 钢屋盖的结构设计见文献[1]。下部混凝土展厅地下一层, 层高6m;地上两层, 一层层高10m, 局部有夹层, 夹层楼面标高5.000m, 二层楼面标高为10.00m。

　　 为达到建筑效果, 中国馆混凝土展厅大部分埋在回填土内, 结构四周存在大量的挡土墙, 见图1。挡土墙与内部沿环向布置的框架柱构成了天然的框架-剪力墙结构。展厅内活载较大, 展陈方要求达到10kN/m²。部分屋面要承担较厚的回填土重量, 局部覆土厚度可达5m, 此外二层屋面还要负担屋面混凝土短柱传来的钢屋盖荷载, 短柱截面为400×800。为平衡短柱底弯矩, 在所有短柱根部均设置与受力方向相同的楼层梁用以平衡柱底弯矩。

　　 图1 中国馆剖面图

　　 混凝土展厅结构呈半环形, 且左右两侧几乎完全对称, 如图2所示。为了营造大空间的展厅效果, 柱网排布较疏, 柱距一般为12～18m, 主要框架梁截面尺寸为500×1 000, 框架方柱截面尺寸主要为 900×900, 框架圆柱直径为900mm和1 100mm, 混凝土的强度等级均为C40。场馆的主要出入口位于结构中部, 两个混凝土电梯筒作为入口处唯一的竖向构件支承二层 (10.000m标高) 的扇形大平台, 此处受荷面积很大, 且还需承担混凝土短柱传来的钢屋盖荷载。在与建筑专业讨论后确定了如图3所示的树形钢骨支撑体系。二层大平台南北两侧支承钢屋面短柱的转换弧梁截面为800× 2 000, 并内附钢骨, 钢骨截面为H1 300×250×18×30。此外对称的两个入口大厅内部不设框架柱, 造成了此处二层为大跨框架结构 (南北跨度30m左右) , 框架梁截面尺寸为600×2 000, 并内附钢骨, 钢骨截面为 H1 300×250×18×30;框架柱截面为900×1 500, 并内附钢骨, 钢骨截面为H1 150×300×20×38, 钢骨的强度等级均为Q345。

　　 图2 中国馆结构平面布置图

　　 因结构承受较大的覆土荷载和展厅活荷载, 为减小整体沉降, 最终确定的基础形式为:多数柱下承台桩基础和防水板, 核心筒和少数大跨度柱下桩筏基础, 如图4所示。桩径为800mm, 桩长为30m, 持力层为⑧层粉质黏土、黏质粉土。另外, 为了协调整体场地的沉降, 还对场馆外的回填区地基进行了强夯处理。

　　 图4 中国馆基础平面布置图

　　 结构设计参数见文献[1]中的第2.1节。

　　 本工程采用盈建科软件YJK进行整体建模计算, 并将钢屋盖的荷载作为点荷载施加于结构上。混凝土部分整体计算模型如图5所示。剪力墙的抗震等级为一级, 框架抗震等级为二级。由于回填土的嵌固作用有限, 最终确定结构嵌固于基础顶。当以基础顶为嵌固层时, 周围填土均高于室外地面, 在地震作用下填土对主体结构的嵌固作用有限, 且地震作用下填土的侧向运动会对主体结构产生一定的侧压力。故将填土质量的8%作为附加质量施加在结构外墙之上。主要指标的计算结果见表1。

　　 可以看出, 由于剪力墙分布几乎左右完全对称且较均匀连续, 结构刚度良好, 多遇地震下结构位移可以满足规范要求。

　　 结构中部的核心筒、钢骨斜撑以及大跨转换梁因为受荷面积较大且结构复杂, 应验算其在大震下的承载能力和变形能力。另外, 由于主体结构大部分埋入两侧回填土内, 地震中两侧土体对结构也有一定水平作用。综上所述, 应进行大震弹塑性时程分析。

　　 对整体模型进行大震弹塑性时程分析时, 使用的软件为ABAQUS, 罕遇地震地震波峰值加速度取400cm/s², 地震波卓越周期与场地土特征周期接近, 地震波持续时间不小于5倍特征周期, 并考虑三向地震作用;为考虑周围填土的不利影响, 地震作用下填土对主体结构的不利作用通过附加质量考虑, 将全楼质量的8%作为附加质量施加在结构外围挡土墙之上, 附加质量采用ABAQUS中的质量单元Mass21模拟。钢屋盖采用SAP2000进行整体建模计算^[1], 将钢结构屋盖与混凝土结构组合以后整体导入ABAQUS中, 计算模型见图6。

　　 (1) 核心筒混凝土最大受压损伤因子为0.29, 属于轻微～中度损坏。局部地下室墙体混凝土受压损伤因子在0.25～0.38范围, 位置主要分布在北主入口两侧及南主入口两侧;其余位置墙体混凝土受压损伤因子均小于0.1, 墙体损伤情况见图7。

　　 图7 墙体混凝土塑性损伤

　　 (2) 二层 (10.000m标高) 大部分楼板混凝土区域受压损伤因子小于0.1, 属于轻微损坏范围;局部区域, 南、北主入口两侧与钢骨梁连接部位损伤因子在0.3～0.5范围, 属于中度损坏;极个别区域与大跨钢骨梁相连的钢骨柱位置的损伤因子为0.7左右, 但是范围较小, 属于中度损坏～比较严重损坏范围。一层 (0.000m标高) 绝大部分楼板混凝土损伤因子小于0.1, 属于轻微损坏。极个别区域楼板混凝土损伤因子在0.1～0.2之间, 属于轻微损坏～轻度损坏之间, 楼板损伤情况见图8。

　　 图8 二层楼板混凝土受压损伤

　　 (3) 屋盖短柱混凝土最大受压损伤因子0.078<0.1, 属于轻微损伤, 见图9。主体结构混凝土构件内钢筋和型钢应力见图10, 可见, 大震下其钢筋和型钢均未屈服。

　　 图9 屋盖短柱混凝土受压损伤

　　 图10 混凝土构件内纵筋和型钢最大应力/Pa

　　 通过本节前文分析可知:

　　 (1) 支承屋盖的短柱在大震作用下基本处于弹性范围。

　　 (2) 墙体混凝土大部分属于轻微损坏, 局部在轻微～中度损坏之间, 混凝土墙体在大震下满足不屈服要求。

　　 (3) 楼板混凝土损伤情况同墙体混凝土相似, 在大震作用下满足不屈服要求, 且能够有效传递水平剪力。

　　 (4) 混凝土构件中纵筋和型钢在大震下基本在弹性范围内。

　　 左、右展厅内均布置了一个环形的步行坡道, 游客可绕坡道从首层上至顶层, 这个环绕展厅的坡道可以给游客提供全方位的观展体验, 如图11所示。

　　 应建筑要求, 坡道结构应尽量保持轻盈。通过和建筑专业与钢结构厂家的密切配合, 因地制宜地利用周围的框架柱和挡土墙设计了坡道的支承结构, 见图12。

　　 结构二层中部大约55m×35m扇形范围内由于南、北两侧均为大开敞出入口, 除了在中间布置了两个六边形的混凝土核心筒作为电梯井外, 建筑不允许布置其他竖向构件。为了支承此区域, 依托核心筒设置了树形钢骨支撑体系 (图13) , 钢骨斜撑从六边形核心筒角点半腰处向上支承二层钢骨梁和楼板, 核心筒与钢骨斜撑相交处在墙内加入钢骨, 核心筒钢骨与钢骨梁、钢骨斜撑组成牢固的三角形结构。核心筒墙厚为600mm, 钢骨斜撑截面尺寸从下到上为500×1 600～500×1 000, 受拉的钢骨梁截面尺寸为600×2 000。

　　 图13 树形钢骨支撑体系

　　 在这个三角形结构中, 斜撑是压弯构件, 加入钢骨可以减小其轴压比, 增加其延性。钢骨梁承受拉力, 此拉力经过钢骨传到核心筒之后, 造成核心筒墙体水平受拉。经过计算, 须在墙内补充水平钢板来抵消此拉力, 见图14。

　　 图14 核心筒内水平钢板示意图

　　 因建筑功能需要, 本工程存在多处大跨梁 (跨度20, 30m) 及大跨度转换梁 (跨度15, 35, 55m) , 转换梁主要是支承钢结构屋盖的混凝土短柱, 且均为弧梁。为了解决大跨梁和大跨转换梁的承载力不足问题, 在大跨梁和转换梁中设置了钢骨, 钢骨截面见2.2节。

　　 北侧地下一层入口与妫汭湖相连, 为获得一个开阔的视野, 经方案必选后, 结构体系选择钢筋混凝土大拱 (图15) 。大拱跨度50m, 拱高6.5m, 面外偏移距离4.5m, 拱厚度1 500mm。

　　 由图15可以看出, 该钢筋混凝土大拱平面为弧形, 在竖向荷载作用下存在面外受力。采用ABAQUS对拱进行有限元计算, 主要计算结果如下:1) 拱脚水平推力为8 515kN, 通过在拱脚设置预应力拉梁平衡该水平推力; 2 ) 拱脚面外反力为793kN, 采取如下措施:一方面通过在拱两侧设置垂直于拱方向的钢筋混凝土墙体对拱脚面外变形进行约束, 另一方面通过提高与拱相连楼板的配筋率来提高拱的抗面外变形能力; 3 ) 拱脚竖向反力为 6 300kN, 通过在拱脚设置钢筋混凝土灌注桩来抵抗此竖向反力。

　　 (1) 针对本工程荷载大、填土多的特点, 采用柱下承台桩基础和防水板, 核心筒下桩筏基础, 对回填土及结构周边场地进行了强夯处理, 既满足了承载力也达到了协调整体沉降的要求。

　　 (2) 主入口区域的较大范围内只有两个核心筒作为竖向构件, 依托核心筒设计了树形支撑体系承担此范围内的荷载, 并通过大震弹塑性计算证明了核心筒剪力墙可以满足大震下结构安全的要求。

　　 (3) 本工程为了营造大空间的展厅效果, 局部框架柱布置较少, 存在许多大跨度构件。通过与建筑专业密切配合, 在结构构件中设置了大量钢骨, 并通过采用钢斜撑、混凝土大拱等结构构件, 既满足了承载力要求, 也达到了很好的建筑效果。