郑州科技馆属于大型科学与技术类博物馆, 位于郑州市中原区, 北邻传媒南路、东邻临湖路、西邻雪松路、南接文博大道。其主要功能包含球幕影院、4D影院及多功能展厅等。总建筑面积为7.8万m², 地上为5层, 首层层高10m, 2~4层层高9m, 5层层高6m;地下为2层, 地下1层、地下2层层高分别为5.9m和4.5m, 屋面高度43m。主入口大厅上部为钢结构金属屋面, 其余为钢筋混凝土结构屋面。图1为郑州科技馆模型图。

　　 本工程设计基准期为50年, 设计使用年限为100年, 建筑结构安全等级为一级, 抗震设防烈度为7度 (0.15g) , 设计地震分组为第二组, 场地类别为Ⅱ类, 无液化土层, 抗震设防类别为重点设防 (乙类) , 混凝土部分阻尼比取0.05, 钢结构部分阻尼比取0.02, 地面粗糙度为B类, 基本风压取0.50k N/m², 基本雪压取0.45k N/m²。

　　 本工程结合建筑空间特点、重要性及不规则性采用了钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系, 图2和图3分别为1层顶和3层顶结构平面布置图, 图4为结构剖面示意图。钢筋混凝土剪力墙布置在周边楼梯间及电梯井道处, 并在建筑中部建筑隔墙位置设置剪力墙, 控制剪力墙的最大间距。主体2~5层展厅采用跨度18m的预应力混凝土连续梁, 主入口中庭采用人字形钢管柱支承斜交网格钢平面桁架组成的金属屋面。科技馆西侧主入口右侧区域设有型钢混凝土斜框架柱, 柱倾斜角度为15°。主要构件截面尺寸及材料强度:剪力墙厚度为500mm, 展厅区域框架柱截面尺寸为1 300×1 300, 预应力梁截面尺寸为500×1 200, 墙、柱采用C60~C40混凝土, 梁、板采用C40~C30混凝土。

　　 主体结构不规则情况:1) 2, 3层楼板开大洞, 楼板有效宽度小于50%, 属于楼板不连续;2) 4层平面为L形平面, 凸出尺寸/相应边长=48.6/104.1=46.7%>30%, 属于平面凹凸不规则;3) 主入口右侧设有倒锥台展区, 沿其锥面设有10根型钢混凝土斜框架柱;4) 东侧展厅的上、下办公区设置了较多的夹层, 形成夹层结构。

　　 基于对本工程超限情况及复杂性判断, 本工程结构抗震设计采取了基于性能的抗震设计方法, 采取比现行规范更为严格的抗震措施, 以实现预期的抗震性能目标。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[1] (简称抗规) 和《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2] (简称高规) 抗震性能的规定, 结合实际工程情况, 确定本工程抗震性能目标为C级。性能目标C级的要求如表1所示。

　　 本工程同某邻近项目相隔于传媒南路两侧, 两个工程位置相距较近, 对比两个工程的地勘报告, 两个工程建设场地的土层参数相似, 土层变化基本一致, 故本工程采用此邻近项目工程场地的安评报告, 安评报告和规范的地震动设计参数对比见表2。

　　 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 (建质[2015]67号) 第4.12.2条“选择预期水准的地震作用设计参数时, 中震和大震可仍按规范的设计参数采用”, 本工程的中震和大震的地震设计参数按高规取值, 小震的地震设计参数按安评报告取值。

　　 采用SATWE和MIDAS Building两种软件进行分析, 应用振型分解反应谱法 (CQC) 进行整体结构抗震计算的对比分析, 结果对比见表3。比较两种程序的计算结果, 相应参数在数值上均接近, 偏差较小, 并满足规范要求。可认为程序计算的结果是正确合理的。

　　 在反应谱分析的基础上, 选用了2条人工波和5条天然波进行了弹性时程分析的补充计算。各条时程曲线计算所得的结构基底剪力及其平均值与振型分解反应谱法计算结果比较如表4所示。对比分析表明, 本工程所采用各地震加速度时程曲线计算所得结构基底剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%, 7条时程曲线计算所得结构基底剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算的80%, 满足规范规定。时程分析的层间位移角平均值的最大值为1/1 089, 小于层间位移角限值1/800。通过上述分析可知, 本工程完全能达到小震作用下“结构处于弹性状态, 各构件完好、无损伤”的第一阶段的抗震性能目标。

　　 采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法, 应用PKPM-SAUSAGE计算软件进行结构整体弹塑性时程分析, 在SAUSAGE中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子d_c、受拉损伤因子d_t及钢材 (钢筋) 的塑性应变程度ε_p/ε_y作为评定标准, 其与高规中构件的损坏程度对应关系如表5所示。

　　 在弹塑性时程分析中, 地震波输入中采用三向输入。分别进行了以X向为地震输入主方向 (即地震动输入加速度峰值比X向∶Y向∶Z向=1.00∶0.85∶0.65) 和以Y向为地震输入主方向 (即地震动输入加速度峰值比X向∶Y向∶Z向=0.85∶1.00∶0.65) 的动力时程分析。对各地震波的结果包络后, X向和Y向的最大位移分别为0.209m和0.240m, 最大位移角分别为1/125和1/108, 最大位移角均小于规范限值1/100, 结构能够满足“大震不倒”的抗震性能目标。

　　 大震作用下, 除对结构的总体变形进行控制, 对构件性能也予以把控, 以实现预期的抗震性能目标, 大震作用下的构件的性能水准和塑性铰情况如图5所示。由图可知, 大部分连梁损伤严重, 连梁首先屈服, 起到较好的耗能作用, 保护了竖向主墙肢;部分框架梁梁端出现了塑性铰, 符合耗能机制;剪力墙的损伤主要位于底部, 为轻微或轻度损坏, 且未出现某层贯通的损伤, 结构大震下不会倒塌。综上分析, 在大震作用下, 结构整体基本满足性能要求。

　　 楼板在结构中起着传递水平力的作用, 当楼板开洞影响其整体性时, 楼板的削弱部位在大震作用下易受剪破坏, 本节对开洞区域楼板进了截面受剪承载力验算。采用PMSAP对开设有较大洞口楼板及连廊区域楼板进行大震作用下的楼板应力分析, 楼板采用真实反映楼板平面内及平面外刚度的壳单元模拟, 分析方法为等效弹性方法, 分析最不利结果如图6所示。由图6可知, 楼板最大剪应力τ=886.6Pa, 参考抗规附录E的方法计算得到楼板最大剪力约为132.3k N, 小于楼板的抗剪承载力252k N, 且分析中未考虑洞口周边框架梁的抗剪作用, 因此洞口周边楼板满足大震作用下抗剪要求。

　　 在大震作用下, 斜框架柱基本处于轻微损坏或轻度损坏状态;大部分斜框架柱未出现塑性铰, 仅左侧两个斜框架柱a, b (图2) 出现塑性铰, 且塑性铰处于第一阶段, 故仍能保证承载能力。针对上述情况, 斜框架柱采取增大柱截面并同时增大柱内型钢截面的措施, 且针对这两根斜框架柱进行了防连续倒塌设计。在2层半层高处, 存在斜框架柱同竖直框架柱相交情况, 如图7所示。采用ABAQUS软件对此交叉柱节点进行了有限元模拟, 按《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) 给出的混凝土本构关系, 钢筋和型钢均采用理想弹塑性模型的本构关系, 混凝土采用实体单元, 型钢采用一般壳单元, 钢筋采用三维桁架线性单元;不考虑型钢、钢筋与混凝土之间的相对滑移。偏于保守考虑, 分析中未计入层间梁和柱内箍筋约束作用的有利影响, 在框架柱底端施加约束控制其X, Y, Z这3个方向的位移, 在框架柱顶端施加由SATWE提取的大震作用下最不利荷载。图8的应力云图显示型钢和纵向钢筋的最大von Mises应力分别为58.8MPa和73.2MPa, 均分别小于各自屈服强度标准值345MPa和400MPa;图9为混凝土等效塑性应变云图, 混凝土的等效塑性应变相对较小, 均小于2‰, 未达到压屈应变极限值0.003。结果表明, 该交叉柱节点在大震作用下仍然能正常工作。综上分析, 在大震作用下, 斜框柱基本满足性能要求。

　　 主入口上部人字形钢管柱柱脚处杆件相贯 (图10) , 且节点处的杆件处于复杂的受力状态。采用有限元软件ABAQUS对其中典型柱脚进行受力模拟分析。选用实体单元来模拟节点的各个部分。取大震作用下钢柱轴力为2 950k N, 水平剪力为45k N, 弯矩为210k N·m, 图11为计算所得柱脚von Mises应力云图。由图11可知, 受力构件von Mises应力分布均匀, von Mises应力相对较小, 大部分区域von Mises应力在30MPa左右, 因此该柱脚节点具有足够的安全储备, 满足设计要求。

　　 应用阻尼器可提高结构在中震和大震作用下整体结构的抗震性能, 且可避免小震下普通混凝土连梁可能出现裂缝的情况, 同时大震下结构若有损坏更便于维修或更换, 基于上述有利因素, 建设方建议在本工程采用连梁阻尼器。连梁阻尼器本质是一种位移型阻尼器, 通过钢板的塑性剪切变形耗能以达到消能减震的目的。本工程在相应连梁中设置了总计112个连梁阻尼器, 以提高本结构大震下的抗震性能。阻尼器的安装方式如图12所示, 表6给出了部分阻尼器的参数。

　　 通过STRAT软件大震下的弹塑性动力分析可知, 各地震作用下设置了连梁阻尼器的结构相较未设置阻尼器结构时, 层间位移角:地震X主方向输入时分别减小了0.81%~6.50%, 地震Y主方向输入时分别减小了0.9%~13.18%;基底剪力:地震X主方向输入时分别减小了0.63%~2.57%, 地震Y主方向输入时分别减小了1.48%~5.64%。分析结果表明, 设置连梁阻尼器可提升本结构在大震作用下的抗震性能。

　　 采用框架-剪力墙结构, 提高结构整体刚度。根据超限审查专家意见, 将剪力墙底部加强区部位设为关键构件, 见表1。剪力墙抗震等级提高为一级, 并提高剪力墙配筋率, 底部加强部位竖向和水平分布筋配筋率不小于0.6%, 一般部位竖向和水平分布筋配筋率不小于0.5%, 避免主墙肢破坏。框架抗震等级提高为二级, 根据大震作用下结构动力弹塑性分析结果, 剪力墙连梁大部分破坏, 未出现剪切破坏, 在剪力墙连梁内设置阻尼器, 提高耗能能力。

　　 斜框架柱采用型钢混凝土柱。主入口右侧倒坠台展区各层楼板的厚度增加, 双层双向通长配筋, 并且在各楼层半高处增设钢筋混凝土环梁, 以加强斜框架柱的整体抗震能力。

　　 按审查专家意见, 优化混凝土连廊区域梁格布置, 如图2~4所示, 将连廊框架梁向两侧主体内延伸一跨, 并沿垂直框架梁方向增加次梁, 增加楼板厚度, 配双层双向通长钢筋。洞口周边楼板增厚且加强配筋, 同时加强洞口周边相应的框架梁。

　　 钢结构柱脚采用成品铰支座以保证结构节点的转动性能。

　　 为保证设计使用年限100年:采取了如下的措施:混凝土材料方面, 严格控制混凝土的最低强度等级、最大水胶比和胶凝材料的最小用量;构造方面, 增加钢筋的混凝土保护层厚度;施工方面, 加强施工控制, 避免收缩及温度裂缝的产生;此外设计过程考虑温度作用, 根据计算结果增设抗温度作用的钢筋。

　　 郑州科技馆为特别不规则超限高层建筑, 采用基于性能的抗震设计方法, 对其结构的整体抗震性能进行分析。分析结果表明, 本工程结构体系在遭遇地震作用时, 能够达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。