南阳市“三馆一院”项目由博物馆、图书馆、大剧院及群众艺术馆组成，建成后将形成南阳市重要文化建筑组群，同时，“三馆一院”也是白河核心景观带中一组现代化的标志性文化设施。该项目位于光武大桥以东光武路南北两侧区域，其中博物馆和图书馆位于白河大道与光武路十字路口的西北角地块。

　　 博物馆、图书馆 (图1, 2) 总建筑面积7.4万m²，博物馆地上5层，建筑高度33.6m，结构高度31.8m;图书馆地上6层，建筑高度38.07m，结构高度37m。博物馆与图书馆均不设置地下室，两栋建筑通过一层大底盘连为一体，结构一层平面尺寸约为250m×117m，两栋塔楼从二层开始相互独立，在屋面以上又通过大跨空间钢桁架相互连接，形成具有盘龙造型的大底盘多塔连体结构。

　　 项目设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，建筑场地土类别为Ⅱ类，场地土特征周期为0.35s，建筑抗震设防类别为乙类。50年一遇基本风压取w₀=0.35kN/m²，地面粗糙度为B类，结构体型系数、风压高度变化系数、风振系数等均按照《建筑结构荷载规范》 (GB50009—2012) 取值。

　　 博物馆与图书馆一层为连为一体的通长大底盘，博物馆单体为5层带支撑 (BRB) 的钢筋混凝土框架结构，其南北侧外立面及西侧外立面均向外倾斜，结构外排柱在上述位置设置钢筋混凝土斜柱，其中南北侧外立面处斜柱外倾角度为17°，西侧外立面处斜柱外倾角度为31°;建筑西侧由于斜柱外倾角度较大，此处屋面平面相对建筑底部基线最大外伸尺寸达16.8m，为提高结构外倾悬挑部位的承载能力，此部位结构采取设置空腹桁架的方式进行处理，外倾斜柱在结构三层楼面处开始分叉，分叉柱伸至结构屋面，由分叉斜柱与楼面框架梁构成空腹桁架。图3为空腹桁架模型及结构外立面斜柱施工照片。

　　 博物馆单体内部设有U形通高中庭，U形中庭将博物馆楼层平面分割为外环及内凸两部分，这两部分平面在四层及屋面通过连桥及拉梁相互连接 (图4) 。U形中庭外周为连续阶梯式抬高的盘龙展厅，结构设计时，通过设置一系列高差1.4m的连续错层平面实现建筑效果 (图5) 。为增强博物馆主体结构的抗侧刚度，减小结构平面及竖向不规则带来的不利影响，结合建筑平面布置，在塔楼部分框架柱间设置屈曲约束支撑 (BRB) 。博物馆单体计算模型见图6。

　　 图书馆单体建筑为5层，主体结构亦采用设置支撑 (BRB) 的钢筋混凝土框架结构，典型楼层的结构平面图见图7。其西侧立面向内倾斜，此处沿斜立面设置混凝土斜柱，斜柱倾斜角度为14°。图书馆内中庭呈倒锥形，结构楼层开洞面积从下到上逐层增大，中庭顶部屋面平面开洞尺寸达42m×42m，中庭屋面采用正交管桁架 (图8) 。图书馆单体计算模型见图9。

　　 在博物馆、图书馆混凝土屋面之上，设有一抽象盘龙造型空间钢连体，该钢连体可分为A, B, C三个区域 (图10) 。

　　 其中，B区位于图书馆屋面之上，采用带支撑的钢框架结构，钢框架与图书馆屋面刚接，同时沿图书馆屋面外围挑出，悬挑尺寸为7～14m，结构采用钢桁架进行悬挑;钢框架柱采用500×500×20矩形钢管柱，钢框架梁及悬挑桁架均采用H型钢。

　　 A区及C区为设置在博物馆与图书馆之间的大跨连体，连体无实际使用功能，其结构形式采用空间管桁架。在确定连体部分与塔楼连接形式时主要做如下考虑:连体部分若采用两端设置滑动支座与塔楼连接的形式，对塔楼及自身影响是最小的，但受连体设置的位置及自身稳定性等因素的限制，该连接形式无法实现;同时，由于博物馆与图书馆体型差异及各塔楼自振特性差异较大，较难协调，连体与塔楼采用刚性连接代价很大;最终，A, C区空间管桁架采用与B区钢框架刚接，与博物馆屋面滑动连接的连接方式，并在与博物馆屋面的连接部位设置隔震橡胶支座。

　　 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 (建质[15]67号) ^[1]，本工程存在以下不规则情况:

　　 (1) 由于博物馆塔楼设有U形中庭，楼层平面开洞面积约占本层楼面面积的26.5%，楼板X向有效宽度约为该方向楼板典型宽度的40%，Y向有效宽度约为该方向楼板典型宽度的30%;由于图书馆塔楼中庭楼面开大洞，且建筑东立面设有凹形缺口，各楼层最大开洞面积约占本层楼面面积的31%，楼板X向有效宽度约为该方向楼板典型宽度的50%，Y向有效宽度约为该方向楼板典型宽度的32%;博物馆及图书馆楼板有效宽度均小于该方向楼板典型宽度的50%，属楼板不连续的情况。

　　 (2) 博物馆与图书馆在一层为连为一体的大底盘，二层以上各塔楼开始相互独立，整体结构为大底盘多塔结构，属尺寸突变的情况。

　　 (3) 在博物馆、图书馆塔楼屋面以上，通过空间钢结构连体相互连接，为多塔连体结构，属构件间断的情况。

　　 (4) 博物馆、图书馆建筑外周边均设有钢筋混凝土斜柱，且博物馆局部存在穿层柱，属其他不规则的情况。

　　 综上所述，本工程为超限复杂高层结构。

　　 (1) U形中庭外周的盘龙展厅，结构设置一系列高差1.4m的连续错层平面实现建筑效果，在结构设计时，需采取措施，保证水平力在楼层平面内连续传递，避免错层处框架柱形成超短柱。

　　 (2) 博物馆及图书馆一层大底盘平面尺寸为X向250m, Y向117m，楼层不设缝，为超长大底盘结构，结构设计需采取措施避免楼面裂缝的发展。

　　 (3) 结构屋面设置异形空间钢结构连体，受建筑造型制约，A, C区体型复杂、结构跨度大，并且一端采用滑动连接，一端采用刚接，结构受力复杂。设计时需采取措施满足连体结构受力及变形要求。

　　 对于楼板开大洞的情况，采取增大洞口周边楼板厚度，楼板采用通长配筋，增大楼板配筋率等措施;另一方面，通过在大开洞位置设置拉梁及连桥，增强结构楼层刚度，提高结构的整体性，并对拉梁及连桥进行有限元分析，根据应力分析结果复核拉梁及连接板的配筋。

　　 对于一层超长结构大底盘，除增强楼板通长配筋率外，楼面混凝土采用纤维混凝土，提高混凝土的抗裂能力;并在凝土浇筑施工时采用跳仓法，同时严格控制楼板混凝土水灰比，并加强后期养护。

　　 因结构立面大倾角斜柱的存在，与斜柱相连的楼层框架梁不但承受平面内弯矩，还承受较大的轴向拉力，为拉弯构件;结构计算时，与此部分框架梁相连楼板按弹性板考虑，梁按拉弯构件进行设计。配筋时除加强框架梁的腰筋配置外，在框架梁两侧楼板内设置1.5m宽配筋加强板带 (图11) ，增强框梁的受拉承载能力。

　　 在博物馆U形中庭外周连续错层处，设置变截面框架梁 (图12) ，从而使得不同标高处框架梁能够连续贯通，楼层水平力在结构平面内可以连续传递，并避免框架柱在错层处形成超短柱。

　　 为满足主体结构小震不坏、中震可修、大震不倒的性能目标，对结构关键构件采用性能化设计。各关键构件性能目标见表1。

　　 结构计算时，考虑竖向地震作用，内力计算增加以竖向地震作用为主的荷载组合:

　　 式中:D为恒载;L为活载;W为风荷载;E_h为水平地震作用;E_v为竖向地震作用;ψ_w为风荷载组合系数，取0.2。

　　 结构设计时，除对关键构件进行性能化设计外，同时控制连体空间管桁架主要杆件小震时的应力比:主桁架杆件应力比不大于0.80，其余杆件应力比不大于0.9。

　　 在连体空间管桁架与博物馆相连一端设置铅芯隔震橡胶支座，选择隔震橡胶支座时，要求其水平变形能力能够满足大震时支座的位移，位移量按大震时程分析结果确定。

　　 鉴于本工程的复杂性，设计时进行了多模型计算分析:1) 不带上部空间钢连体，对博物馆及图书馆分别进行建模计算，此时，钢结构作用在混凝土结构上的反力以荷载形式施加在下部混凝土结构上，计算软件采用PMSAP;2) 带有上部空间钢连体的整体模型，考虑空间钢结构与下部混凝土结构的相互作用，计算软件采用PMSAP;3) 上部空间钢连体的单独分析模型，计算软件采用3D3S;4) 以MIDAS GEN建立带有上部空间钢连体的整体模型，进行复核验算。

　　 塔楼构件设计时取PMSAP分塔与整体计算模型的包络结果;顶部连体钢结构设计取3D3S单独模型与MIDAS GEN整体模型的包络结果。

　　 计算时，梁柱按照杆系模型输入，楼板按照壳单元模拟，在钢连体与博物馆屋面支座处，按照所选铅芯隔震橡胶支座的相关参数，输入其等效刚度及阻尼比进行抗震验算。

　　 在对结构进行振型分解反应谱法 (CQC法) 计算的基础上，采用弹性时程分析补充计算。对下部混凝土主体结构底部剪力、楼层剪力、层间位移角进行分析比较，取时程计算及CQC法的不利结果。

　　 对结构进行了多模型计算，博物馆、图书馆分塔模型主要计算结果见表2，整体模型计算结果见表3, 4。

　　 从表2、表3中可以看出，对于PMSAP单塔与多塔整体计算模型，博物馆、图书馆塔楼自振周期较为接近，但整体模型周期较小，反应了塔楼顶部钢连体对塔楼自振特性有一定影响，但由于采用弱连接，相互影响较小;另外，由于结构为大底盘多塔结构，受一层大底盘约束，博物馆塔楼第1阶周期由分塔计算的X向平动变为多塔模型计算的Y向平动。

　　 从表3两种软件整体计算的结果可以看出，两种软件计算的底部剪力及结构振动特性均较为接近，反映了结构整体模型能够较为真实地模拟结构受力状态。

　　 从表2、表4可以看出，结构分塔与整体计算模型层间位移角及位移比均可满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2] (简称高规) 的相关要求。

　　 结构外围混凝土斜柱因其重要性和受力复杂性，对其设置中震弹性的性能目标;塔楼采用带支撑的框架结构，支撑采用BRB, BRB支撑小震时为结构提供侧向刚度，中震或大震时屈服耗能。因此，设计时对与BRB支撑相连框架柱以及框架梁也提出中震弹性的性能目标。从图13, 14的验算结果可以看出，相关框架柱能够满足中震弹性的性能目标。

　　 大跨度钢桁架需具有足够的刚度，不应产生过大的变形，其弹性挠度参照《空间网格结构技术规程》 (JGJ 7—2010) ^[3]的要求，对于桁架结构取其跨度的1/250进行控制。经验算，在恒载和活载标准组合下，A区桁架挠度值为195mm<70 300/250=281mm (图15) , C区桁架挠度为168mm<50 400/250=202mm (图16) ，均满足规范相关要求。A区、C区桁架变形见图15, 16。

　　 与A, C区大跨连体钢桁架相连的钢框架柱、钢框架梁以及支撑杆件对于连体结构的安全起着至关重要的作用，必须保证其具有良好的强度、刚度和延性性能。对于这部分关键构件按中震弹性、大震不屈服设置其性能目标。不同地震作用下关键构件应力验算结果见图17。从图中可以看出，在中震及大震作用下，关键构件应力比数值均较小，结构具有较高安全储备。

　　 为使连体结构中大跨桁架杆件也具有一定的安全储备，结构设计时考虑竖向地震作用，同时，对于A, C区连体主桁架杆件，控制其在小震作用下应力比不大于0.8。经验算，所有主桁架杆件均能满足要求。验算结果见图18。

　　 屋面连体钢桁架一端与图书馆刚接，另一端与博物馆滑动连接 (图19) 。为防止连体钢桁架在地震下发生脱落，支座的尺寸需满足连体钢桁架在大震下的位移。计算时，对结构进行大震弹性时程分析，各支座处的结构水平位移如表5所示。最终A区选用LRB500橡胶隔震支座，C区选用LRB700橡胶隔震支座。

　　 结构为连体多塔的高层建筑，其竖向刚度及承载力变化较大，受力复杂，易形成薄弱层，根据规范的相关要求，采用弹性时程分析方法进行补充计算。在选择地震加速度时程曲线时，主要考虑所选曲线是否满足本工程场地地震动的频谱特性、有效峰值和有效持续时间三要素的要求。

　　 本工程弹性时程计算时选取2条天然波和1条人工波，各条波计算结果见表6，从表中可以看出，3条波作用下的结构基底剪力均大于CQC法结果的65%，3条波作用下基底剪力平均值大于CQC法结果的80%，所选地震波满足规范要求。

　　 从表6可知，在天然波2作用下，结构基底剪力最大，X, Y方向基底剪力分别为CQC法计算结果的1.12倍及1.08倍，结构设计时，偏保守地对CQC法结构整体地震作用按照1.2倍放大处理。

　　 采用PKPM软件对结构进行弹塑性静力推覆分析，加载时，荷载分布模式采用弹性CQC法地震作用分布模式，分析时考虑P-Δ效应。计算结果表明，主体结构在罕遇地震作用下，塔楼X, Y向最不利弹塑性层间位移角分别为1/281, 1/269，均能满足高规中1/100的限值要求，结构可以实现大震不倒的设计目标。

　　 南阳博物馆、图书馆项目为大底盘多塔连体复杂结构，塔楼结构平面超长、大开洞、错层、外周设大倾角斜柱;结构顶部设有大跨异形空间连体钢结构，结构平面及竖向均不规则，受力复杂，从而给设计带来诸多挑战。设计时针对结构多塔、超长、错层、大开洞以及连体等复杂情况采取加有效的加强构造措施并进行多模型计算取其包络结果，对关键部位、关键构件及节点设置合理的性能目标，并进行补充计算分析，结果表明，结构各部位均能够满足设定的性能目标及现行国家规范的要求，整体结构安全可靠。