郑州博物馆新馆位于郑州市市民公共文化服务区6号地块, 坐落于公共文化服务区南北主轴线上, 建筑形体沿轴线东西向平行展开, 为公共文化服务区中心的标志性建筑物。总建筑面积为143 508m², 其中地上建筑面积为72 998m², 地下建筑面积为70 510m²。本项目平面呈椭圆形, 平面尺寸为190m×110m, 地下2层, 地上3层 (局部5层) , 主体结构总高度为39.6m。建筑效果图及典型建筑剖面图如图1~3所示。

　　 本项目结构设计的难点为:1) 结构超长。结合建筑功能, 利用平面的内部环廊将主体结构设缝断开后, 平面长度为122m, 超过规范规定的钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距。2) 大跨度。南序厅连接中央大厅位置最大跨度达到了32.4m, 南序厅上方的各层楼面跨度也达到了23m。3) 长悬挑。北展厅地上2层及以上各层呈碗形造型挑出, 沿主体轮廓呈扇形, 悬挑跨度大, 其中最大悬挑为16m。4) 结构连体。中央大厅南北向长度为18.6m, 贯通3层, 于地上4层设置多功能厅形成连体结构;多功能厅功能复杂, 舞台机械、灯光音响等设备众多, 荷载较大。由上述情况可知, 本工程存在楼板不连续、长悬挑、复杂连接等多项不规则, 属于超限高层建筑, 已进行并通过了超限高层建筑工程抗震设防专项审查^[1]。结构平面布置如图4所示。

　　 本工程建筑面积大于50 000m², 为特大型博物馆。建筑抗震设防类别为重点设防类, 根据当地的抗震设防管理规定, 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.15g, 设计地震分组为第一组, 场地特征周期为0.40s。

　　 依据《博物馆建筑设计规范》 (JGJ 66—2015) ^[2]的规定:“主体结构的设计使用年限宜取为100年, 其安全等级宜为一级”;依据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (2016年版) ^[3] (简称抗规) 第3.10.3条及其条文解释, 对于设计使用年限不同于50年的结构, 其地震作用需要作适当调整, 取值应经专门研究提出并按规定的权限批准后确定;参考《建筑工程抗震性态设计通则 (试用) 》 (CECS 160∶2004) ^[4]附录A, 设计使用年限100年结构的地震作用调整系数取1.3~1.4, 本工程地震作用调整系数取1.3。调整后的地震影响系数最大值:多遇地震取安评报告和抗规^[3]中的较大者α_max=0.193, 设防烈度地震和罕遇地震按抗规^[3]取值并考虑结构设计使用年限的调整系数 (1.3) , 其地震影响系数α_max分别为0.442和0.936。

　　 根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[5]第3.2.5条, 对雪荷载和风荷载, 按重现期100年取值;楼面和屋面活荷载考虑设计使用年限的调整系数为1.1。本工程的耐久性设计根据《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) (2015年版) ^[6] (简称混规) 第3.5.5条, 对一类环境中的混凝土要求最低强度等级不低于C30、最大氯离子含量为0.06%、最大碱含量为3.0kg/m³。对混凝土结构的保护层厚度依混规第8.2.1条, 按考虑设计使用年限50年最小保护层厚度的1.4倍取用。

　　 结合建筑功能及立面特点, 通过结构方案比较, 采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系, 局部区域采用斜柱、预应力钢筋混凝土梁及型钢混凝土柱、墙。主体结构的嵌固部位为地下2层顶板。主体结构模型如图5所示。

　　 碗形结构采用型钢混凝土斜柱框架。剪力墙主要设置在角部与中部的四个楼梯间, 因北侧建筑立面造型的需要, 在主体结构外扇形范围内从1层顶标高向上设置斜柱框架, 共2层。此区域框架结构设置型钢混凝土柱 (包括斜柱) , 抗震墙内设钢板并设置型钢混凝土边缘构件, 相应框架梁采用型钢混凝土梁, 将斜柱、框架柱、抗震墙有效拉结成整体。悬挑结构计入竖向地震影响, 悬挑结构的框架及与之相连的主体结构构件在连接体高度范围及以下各层抗震等级提高一级, 按中震不屈服设计, 对悬挑根部斜柱的抗震承载力按大震不屈服设计。

　　 对结构分塔模型和包含连接体的整体模型分别进行计算分析。设计中调整各个单塔的结构布置, 于北塔下部对称增设两组厚度为400mm的L形抗震墙, 调整南塔外筒墙厚至500mm, 使两塔主振型及结构刚度相近。结构连接体采用型钢混凝土框架, 型钢框架伸入相邻一跨, 抗震墙内设钢板并设置型钢混凝土边缘构件, 抗震墙外筒设型钢混凝土暗梁。连接体计入竖向地震影响, 连接体及与连接体相连的结构构件在连接体高度范围及以下各层抗震等级提高一级, 连接体主要受力构件按中震不屈服设计, 支承连接体的竖向构件按大震不屈服设计。

　　 本工程抗震设计在满足国家、地方规范的同时, 通过征求专家及业主的意见, 并经技术和经济可行性综合分析及论证。根据性能化抗震设计的概念, 针对结构超限情况, 综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素, 按照抗规第1.0.1条规定的抗震设防目标, 在充分认识结构与构件的受力及变形特征的基础上, 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[7]第3.11.1条抗震性能目标四等级和第3.11.2条抗震性能五水准的规定, 本工程确认抗震性能目标为C。各构件的抗震性能细化目标如表1所示。表中关键构件包括碗形结构构件、连接体结构及其相关范围的竖向构件、底部加强区的抗震墙;重要构件指除上述墙、柱相关范围外的其他剪力墙、框架柱、大跨度梁的托梁等。耗能构件指关键构件相关范围外的一般框架梁、连梁。

　　 本工程采用SATWE和MIDAS Gen软件进行多遇地震作用下结构的内力和变形分析比较, 内力分析包括反应谱分析、弹性时程分析及楼板应力分析, 对比计算内容包括周期、地震剪力、位移、位移比, 多遇地震反应谱法主要计算结果见表2。再采用等效弹性的方法用SATWE计算竖向构件和关键部位构件在设防烈度地震和罕遇地震下的组合内力, 验算各构件的性能目标。并用SAUSAGE软件对主体结构进行罕遇地震弹塑性分析, 其目的包括:1) 评价结构在罕遇地震作用下的弹塑性行为, 根据主要构件的塑性损伤和整体变形情况, 确定结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求;2) 研究结构在大震作用下的基底剪力、剪重比、顶点位移、层间位移角等综合指标, 评价结构在大震作用下的力学性能;3) 检验混凝土墙肢在大震作用下的损伤情况, 钢筋和钢板是否屈服;4) 检验型钢混凝土构件及钢结构构件在大震作用下的塑性情况;5) 针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施, 以指导结构设计;6) 校核构件屈服情况及连梁阻尼器工作状态。

　　 考虑长悬挑和连接体部分的工程特点, 采取针对性的加强构造措施。对相应构件范围及相邻一跨周边楼板, 按弹性楼板进行分析, 按中震不屈服设计, 厚度取为150mm, 采用双层双向配筋, 配筋率不小于0.25%。对相关范围的竖向构件除抗震措施提高一级外, 将下部楼层的地震剪力乘以1.25的放大系数, 各层框架柱剪力按放大后的地震剪力取分塔模型计算和包含连接体整体模型计算的包络值调整, 框架柱轴压比限值取为0.65, 柱箍筋全高加密, 体积配箍率不小于1.3%。

　　 在钢筋混凝土剪力墙两端设置型钢边缘构件, 并在楼层标高设置型钢暗梁作为边框, 同时在墙中部设置钢板, 形成钢-混凝土组合剪力墙结构^[8], 其可以充分发挥组合结构的优势, 提高墙肢的承载能力, 改善结构的抗震性能。

　　 通过对结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析, 并结合抗震性能指标对分析结果进行对比和评价, 可以得到以下结论:1) 在完成罕遇地震弹塑性分析后, 结构仍保持直立, 平均层间位移角最大值为1/107, 满足不大于1/100的限值要求, 结构整体性能满足“大震不倒”的设防水准要求。2) 剪力墙墙肢仅少量发生剪切损伤, 墙内钢筋塑性应变远小于0.025的限值要求, 说明大震作用下剪力墙整体性能良好。连梁损伤严重, 起到了较好的耗能作用。3) 框架柱损伤不明显, 少量框架柱轻微损伤;柱中型钢未进入塑性, 表明框架柱整体性能良好。4) 连体部分及长悬挑部分损伤不明显, 钢筋及型钢均未进入塑性, 说明地震作用下连体部分和长悬挑部分整体性能良好。典型剪力墙混凝土损伤情况见图6。

　　 内埋钢板剪力墙两侧水平和竖向均设置19栓钉, 栓钉长度为100mm, 栓钉水平和竖向间距均为200mm (图7) 。在钢板剪力墙角部1/5板跨且不小于1 000mm范围内设置10@150附加分布钢筋, 抗剪栓钉间距加密至150mm。内埋钢板剪力墙根据施工需要设置一定数量的导流孔, 导流孔直径200mm, 导流孔位置根据施工方案确定。内埋钢板与钢骨梁、钢骨柱采用鱼尾板过渡的方式连接 (图8) 。鱼尾板与边缘构件之间采用全熔透焊缝连接。

　　 钢板剪力墙与基础的连接, 采用锚栓与钢板抗剪键组合使用、二次灌浆调平的连接形式, 锚栓承担墙底拉力, 抗剪键承担水平剪力。本工程墙底剪力很大, 为保证抗剪键与基础之间能可靠传递剪力, 基础上部留设抗剪槽 (图9, 10) , 栓钉间距加密至100mm, 抗剪槽内采用C50微膨胀混凝土浇筑密实。柱脚锚栓采用M30, M36两种锚栓, 锚固长度分别为1 200, 1 500mm。

　　 本工程采用了基于性能的抗震设计方法, 根据结构构件的重要性, 提出了相应的性能目标。通过多遇地震、设防烈度地震及罕遇地震作用下的分析计算, 详细研究了本结构在大震作用下的变形、构件的损伤情况、整体结构的弹塑性行为, 以及关键部位、关键构件的变形形态和损伤情况, 找出结构的薄弱层和薄弱部位, 并给出了相应加强处理措施。本工程已通过超限审查, 目前正在施工。