本项目位于北京市丰台区南苑镇南大红门路1号, 总建筑面积为82 492m², 其中地上建筑面积为64 088m², 地下建筑面积为18 404m², 设有各类型的研究实验区、集成设计区、车库、食堂、超市以及附属用房等。工程地上主体八层 (局部九层) , 地下二层, 建筑南北轴线长72.3m, 东西轴线长141.2m, 房屋高度为44.95m, 地下二层层高为4.0m, 地下一层和首层层高为6.0m, 标准层层高为4.2m, 建筑效果图见图1。

　　 本工程主体结构设计使用年限为50年, 建筑结构安全等级为二级^[1], 地基基础设计等级为甲级。抗震设防类别为乙类^[2], 抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.2g, 地震设计分组为第二组, 场地土类别为Ⅲ类, 场地特征周期为0.55s^[3]。基本风压为0.45kN/m² (50年重现期) , 地面粗糙度类别为C类^[4], 地下水水位达到历年最高水位时, 饱和砂土和粉土不发生液化。人防抗力等级为核五级常五级。

　　 本项目平面呈“中”字形, 采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系, 其中剪力墙沿楼、电梯间等垂直通道布置, 形成6个剪力墙筒体, 作为主要抗侧力构件, 框架柱截面尺寸为1 000mm×1 000mm, 剪力墙厚度为450mm, 剪力墙、柱混凝土强度等级为C45～C60, 梁、板混凝土强度等级为C30～C35。在楼层大跨度处采用钢桁架、有粘结预应力梁等技术满足复杂的建筑功能需求。本工程框架、剪力墙抗震等级均为一级^[5], 标准层结构布置平面图见图2。

　　 本工程位于8度高烈度区, 为了满足规范对结构层间位移角的要求, 框架梁、柱、剪力墙截面往往做得比较大, 跟建筑要求不协调, 不满足实验室工艺要求, 有时甚至结构设计非常困难。在前期试算阶段框架柱截面取1 200mm×1 200mm, 剪力墙截面取600mm厚, 才能满足规范的层间位移角要求。针对这种情况, 本项目没有采用加大构件断面、设置普通钢支撑等传统思路来解决上述问题, 而是采用了消能减震结构体系, 与传统结构体系抵抗地震作用不同, 消能结构设有非承重消能构件, 具有较大的耗能能力, 在强震中率先耗能, 消耗输入结构的地震能量, 减小结构的地震反应, 保护主体结构免遭损坏, 从而确保结构在强震作用中的安全性。本工程在各楼层两端楼、电梯交通核和两个中庭处, 共布置16个屈曲约束支撑。国内外消能减震结构的振动台试验表明, 消能减震结构与传统抗震结构相比, 地震反应减小40%～60%。

　　 本工程采用金属消能器JY-SD屈曲约束支撑, 屈服承载力不小于2 000kN, 显著提高了结构刚度, 同时减小了结构的配筋量。通过建模试算, 框架柱截面可调整为1 000mm×1 000mm, 剪力墙厚度可调整为450mm, 减小了框架柱截面和剪力墙厚度, 满足了实验室工艺要求, 同时结构外观也较美观。

　　 屈曲约束支撑 (BRB) 由芯材、无粘结填充材料、约束外套筒组成。屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接, 所受的荷载全部由芯板承担, 约束外套筒和无粘结填充材料仅约束芯板的受压屈曲, 使得芯板在受拉和受压下均能进入屈服, 因而其滞回性能优良。根据《建研消能减震产品技术手册 (第二版) 》^[6], 屈曲约束支撑滞回曲线见图3, 其主要特点有:1) 滞回特性稳定, 变形能力大, 轴向最大变形比可达2%～5%;2) 满足《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3] (2016年版) (简称抗规) 关于位移型消能器的各项指标要求;3) 提供多种连接方式:螺栓连接、销轴连接、法兰连接、焊接连接等。屈曲约束支撑一方面避免了普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷, 另一方面具有金属消能器的耗能能力, 可以在结构中充当“保险丝”的作用, 保护主体结构。屈曲约束支撑应用实例见图4。

　　 本工程建筑总高度为44.95m, 小于《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[5] (简称高规) 中8度抗震设防框架-剪力墙结构A级高度的最大适用高度100m, 高度不超限。采用SATWE程序进行结构试算得到, 扭转第一自振周期与平动第一自振周期之比为0.85, 结构抗侧刚度满足抗规要求;但在考虑偶然偏心影响的规定水平力作用下, 第三、九层两端抗侧力构件弹性水平位移 (或层间位移) 的最大值与平均值的比值为1.22, 个别楼层扭转位移比略大于1.2, 楼层局部开洞引起局部穿层柱, 局部构件错层, 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的有关规定, 可统一归并为局部不规则类型, 即有一项不规则类型;相邻楼层的侧向刚度比、抗剪承载力之比均满足高规和抗规的相关规定, 无明显的薄弱层和软弱层, 也没有竖向抗侧力构件中断, 竖向规则;部分楼层楼板中部开洞且部分楼层有效板宽小于楼板典型宽度的50%, 属于楼板局部不连续, 平面不规则, 即有一项不规则类型。

　　 综上所述, 本工程只有两个超限项, 可以不进行超限高层建筑工程专项审查。

　　 采用SATWE程序进行小震弹性分析计算, 主要计算结果见表1。

　　 分析结果表明, 整体结构各项设计指标均满足抗规要求, 结构抗震性能良好, 体系安全可行。

　　 从表2中可知, 框架承担的地震倾覆力矩介于结构总地震倾覆力矩的40%～50%之间, 属于高规规定的框架-剪力墙结构范围。

　　 剪力墙是主要的抗侧力构件, 承担了大部分的剪力, 大部分楼层框架承担的楼层剪力标准值大于结构基底总剪力的20%, 不需调整;仅计算模型第十标准层框架承担的楼层剪力标准值小于结构基底总剪力的20%, 应按0.2V₀和1.5V_f的较小值进行调整 (其中V₀为结构基底总剪力, V_f为各层框架承担的地震总剪力中的最大值) , 以保证作为第二道防线的框架具有一定的抗侧能力, 框架剪力调整系数曲线见图5 (PKPM建模分析时, 地下二层、地下一层分别为计算模型第一、二标准层, 嵌固端为地下室顶板) 。

　　 本工程东西轴线长141.2m, 不设缝, 主体结构的6个剪力墙筒体刚度大, 对楼板的约束强, 需采取有效措施, 防止楼板开裂。钢筋混凝土超长结构在负温差 (即温降) 作用下, 水平梁、板构件由于受到竖向墙、柱的约束, 容易受拉开裂, 对结构较为不利;而正温差 (即温升) 作用下水平梁、板构件膨胀受压, 对结构较为有利, 因此设计计算时, 仅考虑负温差 (即温降) 作用对结构的不利影响。

　　 北京市月平均最高气温为7月的25.8℃, 月平均最低气温为1月的-4.6℃。混凝土构件浇筑成整体时的温度 (如后浇带的封带温度等) 取10℃^[7], 则最大季节负温差ΔT=-4.6-10=-14.6℃^[8];混凝土收缩对结构产生的不利影响可以采用当量温度进行模拟, 根据王铁梦编著的《工程结构裂缝控制》^[9]中的计算方法, 假定混凝土后浇带封带前, 60%的收缩应变已经完成, 因此残余收缩应变可取0.4ε =0.4×350×10^-6 =140×10^-6 (ε为混凝土的收缩应变) , 混凝土线膨胀系数α_c=1×10^-5/℃, 计算得到混凝土收缩当量温差ΔT_s=-0.4ε/α_c=-14℃。总负温差为季节温差与收缩当量温差叠加, 即-14.6-14=-28.6℃, 取-29℃。

　　 采用MIDAS Gen进行温差效应计算, 温度效应工况分项系数取1.2, 效应组合值系数取0.6, 考虑徐变应力松弛系数0.3。计算结果显示, 在混凝土收缩应力作用下, 由于剪力墙筒体的刚度大, 约束混凝土在X向的收缩变形, 使得剪力墙筒体周边范围内混凝土拉应力最大, 约3.6MPa。为控制楼板X向的温度应力, X向板上下层钢筋的总配筋率不小于0.61%, 且框架梁纵筋及腰筋均按计算结果进行相应加强。

　　 本项目实际第八层中部抽柱形成尺寸为55m×37m的大空间, 屋盖采用钢桁架+压型钢板组合楼盖的形式, 钢桁架高度约为2.5m。采用3D3S软件进行建模计算, 钢桁架三维空间模型见图6。

　　 计算结果显示, 结构承载力、变形等能够满足相关规范要求, 最大应力比为0.66。

　　 根据岩土工程勘察报告, 拟建场地土类型为中软土, 场地为不液化土层, 属于抗震一般地段, 地基基础安全等级为二级, 地基基础设计等级为甲级。

　　 本工程拟采用CFG桩复合地基, 桩径400mm, 有效桩长9m, 施工桩长9.5m, 以第⑦层细砂作为桩端持力层, CFG桩桩顶相对标高-12m, 单桩承载力标准值不小于410kPa, 处理后的复合地基承载力特征值不小于330kPa。

　　 本工程地基基础设计采用JCCAD程序, 复合地基的最大沉降量满足《建筑地基处理技术规范》 (JGJ 79—2012) ^[10]相关要求。

　　 本工程平面呈“中”字形, 结构设计时若设置结构缝将结构分割为若干相对独立的单元, 结构分析模型复杂, 需仔细考虑地震扭转效应带来的不利影响, 故不设缝, 采用下列构造措施和施工措施减小混凝土的温度和收缩应力^[7,11]。

　　 (1) 顶层、底层墙体端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率。

　　 (2) 顶层加强保温隔热措施, 外墙设置外保温层。

　　 (3) 采用收缩小的水泥, 减少水泥用量, 在混凝土中加入适量的外加剂。

　　 (4) 采用补偿收缩混凝土技术, 约40m间距设置膨胀加强带, 带宽2 000mm, 膨胀加强带之间适当增加水平构造钢筋15%～20%。

　　 (5) 加强混凝土的养护, 特别是早期养护, 做好混凝土的保温、保湿工作, 避免混凝土表面失水过快。

　　 (6) 适当延长混凝土的拆模时间, 拆模时加水湿润混凝土。

　　 (1) 采用带屈曲约束支撑的框架-剪力墙结构体系, 可以减小框架柱截面和剪力墙墙厚, 满足实验室的工艺要求, 同时结构外观也较美观;且计算结果表明, 各项设计指标均满足规范要求, 结构抗震性能良好, 体系安全可行。

　　 (2) 对于大跨度楼屋盖, 可采用钢桁架+压型钢板组合楼盖的形式, 能够满足承载力、变形等相关规范要求。

　　 (3) 对超长混凝土结构, 必须充分考虑混凝土的温度和收缩应力, 并采取可靠的设计、构造和施工措施以减小其对结构的不利影响。