中国人民革命军事博物馆(简称军博)是中国第一个特大型、综合类军事博物馆,位于北京市复兴路9号。原军博展览大楼是向新中国成立十周年献礼的“十大建筑”之一 ^[1],1959年建成,是北京标志性建筑之一。2011年,军博展览大楼加固改造工程设计开始进行,包括保留部分的抗震加固设计和扩建部分的设计两部分。原军博展览大楼(图1,2)南侧甲、丙、戊段为保留部分;北侧乙、己、庚、辛段拆除,进行扩建部分的建设;保留部分建筑面积约3.3万m²,扩建部分的建筑面积约11.7万m²。本文介绍军博展览大楼加固改造工程扩建建筑(简称扩建建筑)的结构设计。扩建建筑,整体效果如图3所示。地下室平面最大尺寸214 m×132.15m,地下共2层,地下1层层高9m,地下2层层高5.5m。地上建筑平面最大尺寸214 m×122.85m,地上建筑总高度36.5m,地上共4层,1层层高8.3m,2,3层层高8m,局部4层层高11m,中央兵器大厅层高为32.05m。地下1层为武器展区、科技报告厅,地下2层为文物修复区、设备用房,地下室北侧另有2层地下车库;地上首层包括中央兵器大厅(4层通高)、兵器馆、临时展厅、管理及设备用房等,2～3层为历代军事陈列馆、军事科技展厅、武器展馆、办公管理及设备用房,4层为观众服务区、办公用房。

　　 本工程主要自然条件如下:基本风压为0.5kN/m²,基本雪压为0.45kN/m²(100年一遇);基本气温:最高36℃,最低-13℃ ^[2];月平均气温:最高26℃,最低-6℃;抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g,Ⅱ类场地,设计地震分组为第一组,地震作用设计参数按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[3]及场地地震安全性评价报告 ^[4]取用。

　　 恒荷载按实际建筑材料和做法计算取值,常规活荷载根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[2]取值。特殊活荷载按实际取值:地下1层武器展厅30～36kN/m²,其余展厅15kN/m²;地上首层中央兵器大厅20kN/m²,其余展厅15kN/ m²;2层及以上展厅5kN/m²;中央兵器大厅屋盖设置24个飞机吊挂点,每个吊点荷载20kN。

　　 根据地勘报告 ^[5],本工程场地的主要水文地质如下:1)场区地基土层较好,自上而下分布有粉土、黏土、砂层、卵石、砾岩、泥岩等;持力层为强风化砾岩(承载力特征值为400kPa)或强风化泥岩(承载力特征值为300kPa)。2)地下水对混凝土及钢筋具有弱腐蚀性,对混凝土无侵蚀性;冻结深度为0.8m;建议设防水位为自然地坪下7m。3)场地稳定,属抗震一般地段,不存在地震液化问题。

　　 本工程结构设计使用年限为50年(结构耐久年限100年);建筑结构安全等级为一级,结构重要性系数为1.1;抗震设防类别为重点设防类(乙类);抗震性能目标按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[6]定为C级。

　　 地勘报告 ^[5]建议三种基础形式:天然基础、复合地基、桩基。因土层较好,设计时优先考虑独立基础;通过细致统计荷载、考虑承载力修正等措施,独立柱基方案可行,最终采用“独立基础+防水底板”方案。为避免防水底板承受上部荷载,在独基以外的底板下铺设褥垫层(100mm厚聚苯板);为提高基础整体性、调节不均匀沉降,柱间设底板暗梁,利用底板通长钢筋作为暗梁主筋。

　　 本工程地下室埋深较大,整体抗浮稳定不满足要求,需采取抗拔措施。结合“独立基础+防水底板”方案,通过经济性比较,选用了抗浮锚杆。

　　 本工程为特大型博物馆,跨度大、层高高、荷载重,典型大柱网有24m×24m,13m×16m,11m×20m,12m×32m。基于上述特点,混凝土结构(大跨采用预应力钢筋混凝土梁)和钢结构方案都具可行性,需进行详细比选。

　　 上部结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系(图5)。在建筑楼梯间、电梯井、隔墙处布置一定数量的剪力墙。对8m×8m柱网,采用普通混凝土双向十字梁楼盖;对跨度大于12m的区域,采用后张有粘结预应力混凝土梁。根据抗震分析需要,局部采用钢骨柱和钢骨梁,部分剪力墙内置钢骨。中央兵器大厅及环廊采光屋面因跨度大及建筑效果要求,采用钢结构方案。

　　 上部结构采用钢框架-支撑结构体系(图6),其中,支撑采用屈曲约束支撑。根据建筑平面柱网布置矩形钢管混凝土柱;在楼梯间、电梯井及其他隔墙的位置,设置适量屈曲约束支撑;跨度不大于12m的梁采用H型钢梁,跨度大于12m时采用钢桁架梁;楼板采用钢筋桁架楼承板。中央兵器大厅及环廊采光屋面均采用钢结构。

　　 经过综合测算,混凝土结构方案比钢结构方案造价低约3%,混凝土结构方案能够满足工程总造价控制要求。建筑师要求结构方案具有方正、厚重的风格,并与保留建筑协调统一。因此,上部结构选用了混凝土结构方案。

　　 上部结构主要布置同3.2.1节所述。地下室采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。大柱网区域,如地下1层武器展厅,双向最大柱网达到24m×24m,采用预应力混凝土结构,其余区域采用普通钢筋混凝土梁板结构。上部竖向结构构件向下延伸至基础。地下室顶板和地上2层的结构平面布置见图7,8。

　　 军博扩建建筑为高烈度区高层建筑,因其影响力和重要性,除按相关规范进行常规设计外,还进行了结构抗震性能设计,性能目标为C级。

　　 采用SATWE软件(2010新规范版)进行静力弹性计算、动力弹性时程分析和等效弹性分析;选用MIDAS Building软件(2012版)进行静力弹性对比计算、楼板详细分析;采用MIDAS Gen软件(V795)进行中大震静力弹塑性分析;另外,选用SAP2000软件(V14.2.2) 进行屋面钢结构分析设计 ^[7]。

　　 地下1层抗侧刚度大于首层抗侧刚度的2倍,故上部结构计算的嵌固端设在地下室顶板。楼板详细分析以及静力弹塑性分析时,楼板均采用弹性板单元。中央兵器大厅钢结构屋盖质量较小,与周边主体结构连接大部分采用滑动铰支座、少部分采用固定铰支座,对主体结构影响较小。SATWE,MIDAS Building,MIDAS Gen三款软件整体分析模型均采用等代模型,即通过刚度和质量等效,将屋盖钢桁架等代为钢梁模型(图5仅给出SATWE模型,其他软件类似)。为分析中央兵器大厅钢屋盖对其周边支撑构件的真实影响,采用MIDAS Gen软件建立了反映钢结构屋面真实桁架布置的总装模型(图9),进行补充分析。另外采用SAP2000软件对中央兵器大厅屋面钢结构进行详细分析和设计(图10)。

　　 小震分析结果表明:整体结构除扭转位移比超过1.2外,其他指标满足设计要求。等效弹性分析结果表明:中震作用下,部分剪力墙及端柱的拉应力超过了混凝土抗拉强度标准值,采取在剪力墙暗柱、端柱中加设型钢的措施,保证其承载力及延性;大震作用下,少量关键构件(柱、剪力墙边缘构件)正截面发生屈服,采取内设钢骨的加强措施后,满足设计要求。大震静力弹塑性分析结果表明:大震作用下,性能点仍处于能力谱曲线的上升段,最大层间位移角约为规范限值的68%,结构整体承载力未达到极限,仍有较大的上升空间(图11);水平构件(梁)大量屈服,剪力墙少量屈服(图12),少量屈服的剪力墙,虽对整体结构性能影响很小,仍采取设置钢骨、提高配筋率和配箍率加强措施,增强构件延性、提高抗震承载能力。

　　 中央兵器大厅楼面使用活荷载达20kN/m²,其正下方的地下1层为24m×24m大跨度武器展厅。结合建筑要求的清水混凝土藻井效果,双向主梁采用24m跨钢筋混凝土梁,截面为1.8m×2m;每个区格内布置双向预应力井字梁,截面为0.8m×1.6m(图13);所有梁外露(不设吊顶,管线均预埋于梁、板中),直接形成建筑所需效果。

　　 主梁截面大、配筋率高,为控制钢筋间距、保证混凝土浇筑质量,采用了直径40mm的 HRB500级高强钢筋;并按T形梁构造设计,将适量的梁顶主筋布置于两侧板中(图14)。

　　 中央兵器大厅屋盖跨度为64m×136m,采用钢结构。与普通大跨屋盖不同,其下方需吊挂多架历史实物战机。通过多方案对比,最终采用单向桁架结构,既满足吊挂大荷载需求,又能控制造价,且与建筑“藻井”吊顶效果吻合。沿短向布置桁架,上、下弦杆采用箱形截面(典型截面□380×400×16×16),腹杆采用倒置的H型钢(典型截面H400×200×12×12),用双节点板连接;沿长跨方向采用钢系杆和联系桁架,上弦平面设双向水平支撑,形成空间整体稳定的钢桁架屋盖结构(图15);钢桁架屋盖四周采用球形钢支座,通过计算分析,合理设置不同部位支座(固定、单向滑动、双向滑动),既满足抗震要求又能最大限度释放温度作用。

　　 为保证屋盖吊挂飞机安全,现场起吊前,建设单位委托专业机构进行了飞机起吊试验(图16);另外,现场安装了传感器,可实时监测吊挂飞机的位置(屋盖变形)、吊索应力(屋盖吊点荷载)等状态。

　　 根据建筑效果,环廊采光屋面选用钢结构。东西两侧环廊屋盖采用主次钢梁体系,主钢梁与两侧主体结构的钢筋混凝土梁通过预埋件连接(铰接);南侧与保留建筑之间的环廊屋顶采用钢框架结构,屋面南北向的钢框梁,一端与主体结构钢筋混凝土梁通过预埋件连接(铰接),另一端与贴近保留建筑的钢管柱连接(刚接)。

　　 南环廊屋盖结构高度24.7m,钢管柱与主结构距离为10,16m,柱间距为16,24m(图17仅显示了西侧,东西两侧对称);24m跨度钢框梁采用箱形截面,其余均采用H型钢。建筑要求钢梁限高600mm,屋盖平面内不能设置斜撑,钢管柱间也不允许设支撑,从而造成南环廊钢框架整体刚度偏弱,纵向(东西向)侧移变形过大。为解决此问题,将屋面1 000mm×1 000mm的正交网格状檩条设计成结构构件,即用300mm(高)×100mm(宽)的小方钢管正交刚接形成钢檩条,内嵌于屋面钢梁各区格内,充当屋盖平面内支撑作用(图18,19),增大屋盖平面内刚度、减少纵向侧移。

　　 本工程为8度区的乙类建筑,荷载重、跨度大,构件配筋普遍较多,节点区钢筋密集。为满足抗震设计要求,局部区域采用钢骨结构(钢骨柱、剪力墙钢骨暗柱、钢骨梁、钢骨连梁)。为保证复杂节点施工质量,设计采取以下措施:1)考虑构件尺寸、构件位置、钢筋排布因素,将钢骨节点分类,并逐类排布放样,设计“焊接、穿孔、绕过”等多种钢筋与钢骨连接方式,给出详细的节点设计图纸,指导施工(图20);2)采用大直径(32mm以上)HRB500级高强钢筋,降低构件钢筋密集程度,提高混凝土浇筑质量。

　　 为满足建筑效果、提高建筑品质,主体结构未分缝,为超过200m的超长混凝土结构。为解决温度作用问题,设计采用“放”和“抗”相结合的措施:1)每隔40～50m设置施工后浇带,后浇带之间再加膨胀加强带,特殊部位采用补偿收缩混凝土、掺纤维膨胀抗裂剂 ^[8],以释放混凝土施工过程中产生的大部分收缩应力,并减少可能产生的收缩裂缝;2)计算温度作用,构件按计算结果进行配筋设计;3)大面积连续梁板采用预应力技术,梁采用后张有粘结预应力筋,楼板中增设无粘结预应力筋,在楼盖中建立一部分预压应力,抵消混凝土因温降产生的收缩开裂应力;4)明确提出超长混凝土结构施工要求(材料、温控、养护等)。工程实际效果表明,上述措施保证了混凝土施工质量。

　　 南环廊钢管柱位于无地下室区域,紧贴南侧保留建筑外墙,部分钢管柱已在保留建筑基础范围内,常规基础必然影响保留建筑基础。经过分析,设计采用基础外挑方式解决(图21)。

　　 若采用前述独立基础,考虑持力层位置,新基础与老基础埋深有重叠,位置上相互冲突。故改用桩基,并将承台上移,位于老基础顶面以上,如图21所示。因现场施工场地狭小、工期紧,且应避免桩基施工(如成孔)对邻近老基础影响,最终选用长螺旋钻孔压灌桩,桩径600mm,桩端持力层为强风化砾岩。

　　 北侧地下车库与主体结构地下室之间存在错层,应采取措施保证该处土压力及水平地震力的有效传递。设计采取了“顶板高差处设肋墙(梁上斜墙块)、主体地下室的地下1层设转换墙、主体地下室的地下1层梁加腋”等措施(图22),并采用SAP2000建立考虑错层的三维整体模型(图23),分析地下室侧向土压力及水平地震力在错层处的传递。分析结果表明:采取上述措施后,错层处结构构件满足土压力传递要求,也满足小震、中震弹性及大震不屈服的承载力要求。

　　 军博展览大楼加固改造工程于2017年7月竣工,现已全面对公众开放(图24)。其中,扩建建筑成为军博主要展区,开馆以来运营效果良好。

　　 军博展览大楼加固改造工程扩建建筑结构设计,通过设计条件分析、方案比选、抗震性能设计等工作,满足抗震设防要求、确保结构安全性能,同时实现了建筑效果,也控制了工程造价。并针对以下复杂关键问题,提出解决措施如下:

　　 (1)针对大荷载大跨楼盖,结合建筑清水混凝土藻井效果,采取大截面主梁加预应力井字次梁的布置方式。

　　 (2)中央兵器大厅屋盖需吊挂飞机,选用单向钢桁架结构,综合考虑地震作用与温度作用,合理选择支座形式。

　　 (3)将南环廊的屋面檩条做成结构构件,加强屋面结构刚度,减小南环廊的结构侧向变形。

　　 (4)采用大直径高强钢筋进行钢骨节点详细设计,降低节点区混凝土浇筑难度,保证节点施工质量。

　　 (5)通过温度分析,梁板中设置预应力筋,并采取后浇带、膨胀带、抗裂纤维等构造措施,解决超长结构不分缝问题。

　　 (6)南环廊柱基础采用桩基承台外挑的方式处理,避免影响保留建筑基础。

　　 (7)通过梁加腋、增设肋墙等措施,并进行整体分析,确保地下室错层处土压力和地震力的有效传递,以及错层处结构构件设计合理。