国家会议中心二期项目位于北京市朝阳区大屯路隧道以北，毗邻国家会议中心一期，大屯北路从建筑中央穿过，与地铁15号线奥森公园站接驳。项目体现“全球视野、国际标准、中国特色、大国气派、科技引领”的设计理念，为北京城市中轴线上展示首都风貌的重要建筑，主要功能为会议、展览中心及配套用房 (图1) 。

　　 项目总建筑面积约为40.9万m²，地下两层 (局部夹层) ，建筑面积约为15.3万m²，地上三层 (局部夹层) ，建筑面积约为25.6万m²，地上平面尺寸约为456m×144m。建筑主要檐口高度为45m (最高点52.0m) 。典型剖面如图2所示。

　　 地上首层 (0～20.00m) 为大会议厅和大展览厅，其中会议厅为72m×108m无柱大空间，展览厅为81m×120m及81m×114m两个无柱大空间;二层 (20～30.80m) 为会议/展览区;三层 (30.80m～屋面) 为宴会厅、峰会厅及屋顶花园。主要结构楼层及空间关系如图3, 4所示。

　　 本工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组第二组，特征周期为0.55s，抗震设防类别为重点设防类。结构安全等级为一级，地基基础设计等级为一级。

　　 主体结构在首层大空间顶设置双向转换桁架，主桁架端部支承于两侧9m长组合墙或间距9m的双柱，组合墙为带钢斜撑的混凝土剪力墙加钢管混凝土端柱，双柱间在桁架高度由斜腹杆连接形成拉压杆承担转换桁架端弯矩。巨型转换结构实现对会议、展览大空间的跨越，并支承上部2层功能房间。转换层 (标高20.00m) 及以下采用钢框架 (钢管混凝土柱) -组合抗震墙 (钢板混凝土剪力墙/带钢斜撑混凝土剪力墙) 结构体系。其中南北向考虑后期建筑及设备开洞灵活性，采用钢板混凝土剪力墙，东西向 (转换桁架方向) 采用带钢斜撑混凝土剪力墙。楼层水平位移的控制指标参考框架-核心筒结构体系，层间位移角限值定为1/1 000;转换层以上采用钢框架 (钢管混凝土柱) -支撑结构体系，层间位移角限值定为1/350;局部大跨度屋面采用平面桁架及网壳结构体系。结构整体计算模型及典型剖面见图5～7。地下室采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。

　　 本工程除会议、展览区上空大跨重载转换结构外，还存在如下不规则情况:大屯北路上空局部桁架转换 (图4) ;首层顶板局部有效楼板宽度占比40.4% (小于50%) ，南北两侧及大空间周边局部夹层、错层 (图3, 4) ;Y向偶然偏心作用下扭转位移比最大值1.47 (大于1.2限值) 。

　　 图3 首层会议区主要空间结构布置示意

　　 针对以上不规则情况，采用如下的措施确保结构安全:

　　 (1) 分别采用YJK, MIDAS Gen及BIAD-Paco软件进行多模型对比分析，校核计算模型可靠性。在此基础上采用YJK软件进行小震下的弹性时程分析，进行小震弹性时程包络设计。

　　 (2) 采用性能化的设计方法，对结构进行性能化评估，对各重点部位设定性能目标:组合抗震墙满足中震弹性，大震抗剪不屈服;转换结构满足中震弹性，大震不屈服;屋面大跨空间结构关键构件及支承构件满足中震弹性、大震不屈服。

　　 (3) 楼板采用“弹性膜”单元，真实考虑楼板面内刚度及面内变形;补充分塔模型考虑楼板不连续对地震作用传递的影响。分别提取整体及分塔模型水平地震作用下首层典型边柱、角柱地震剪力进行对比分析，并根据分析结果，采用整体模型、分塔模型对相关构件进行包络设计。

　　 (4) 采用多点多维地震动输入时程分析，考虑行波效应对超长结构的影响。

　　 (5) 对关键构件进行施工过程及传力路径分析。

　　 (6) 对转换桁架进行抗连续倒塌分析，验证转换结构安全冗余度及抗连续倒塌能力。

　　 (7) 对重载转换结构楼盖进行舒适度分析。

　　 (8) 进行大震动力弹塑性分析，考察各类结构构件的塑性发展程度及损伤情况，并控制大震下层间位移角:转换层以下不超过1/200，转换层以上不超过1/100，确保结构大震下不倒塌、竖向传力途径不失效。

　　 展览区由81m×120m及81m×114m两个无柱大空间组成，设置双向平面桁架实现大空间跨越并作为上部功能房间及办公、设备夹层的转换支承构件。本文以展览区为例，选取主方向典型转换结构进行传力路径及承载能力分析。

　　 展览区20m以下转换结构布置见图8，其中与转换桁架主受力方向相连的抗震墙采用带钢斜撑混凝土组合抗震墙，以保证转换结构传力连续及足够的结构安全冗余度，组合墙内斜撑布置见图9。

　　 设置组合墙的主要目的是增大结构整体抗侧刚度及冗余度。钢板组合墙相对厚度小，开洞灵活，因此优先选用。直接支承转换桁架的组合墙，在施工过程中，外侧边缘局部受拉，为避免混凝土产生受拉裂缝，拟采用混凝土后浇的施工方法。但组合墙中的钢板稳定依赖于混凝土，不利于混凝土的后浇，因此采用了钢支撑组合墙。即分别利用了钢板组合墙和钢支撑组合墙的优点，既满足了建筑空间和墙体开洞的需要，又最大限度避免了混凝土受拉。带钢斜撑组合墙中的斜撑构件随主体钢结构同步安装，在结构封顶之后 (含结构板) 再浇筑剪力墙混凝土。

　　 为研究转换结构施工过程及正常使用过程中的受力状态及传力路径，分以下四阶段 (图10) 对转换结构关键构件受力进行分析:

　　 (1) 0阶段:施工至首层顶板 (20.0m标高楼面) ，主要考察结构自重及施工活载作用下转换结构关键构件受力情况。

　　 (2) Ⅰ阶段:施工至二层顶板即30.8m标高楼面，主要考察结构自重及施工活载作用下转换结构关键构件受力情况。

　　 (3) Ⅱ阶段:施工至屋面 (含屋面大跨钢结构自重) ，主要考察结构自重及施工活载作用下转换结构关键构件受力情况。

　　 (4) Ⅲ阶段 (正常使用阶段) :转换层剪力墙施工完毕，主体结构进入正常使用阶段。主要考察结构在竖向荷载、风及水平地震作用下转换结构关键构件受力情况。

　　 各阶段下转换桁架典型连接支座弦杆、腹杆、跨中弦杆轴力标准值统计见图11, 12，正常使用阶段变形见图13～16。

　　 由上述分析可见，转换桁架杆件正常使用阶段主要控制组合为竖向荷载作用组合，桁架端部受压腹杆最大轴压力标准值达21 710kN，桁架跨中下弦杆最大轴拉力标准值达26 694kN，端部弦杆局部弯矩效应较大;结构自重效应占总荷载效应 (含地震及温度作用) 的30%～40%左右。在恒载+活载标准组合下，转换桁架跨中最大挠度为113.7mm，挠跨比为1/721，满足1/400规范限值 (图14, 15) 。

　　 在0阶段，转换结构内侧框柱受压、外侧框柱受拉;在Ⅰ阶段，外侧框柱仍处于受拉状态;在Ⅱ阶段，转换结构内、外侧框柱均以受压为主，结构自重作用下，内侧框柱轴压力约为18 500kN，外侧框柱轴压力约为7 500kN;Ⅲ阶段 (正常使用阶段) ，剪力墙施工完毕后，与框柱及支撑共同承担竖向及水平荷载作用。内侧框柱最大轴压力标准值达46 528kN，外侧框柱最大轴压力标准值达12 049kN。

　　 在竖向荷载作用下，剪力墙受压，最大轴压力标准值为10 608kN。在水平地震作用下，剪力墙以受压为主，部分墙肢受拉，多遇地震下最大轴拉力标准值为8 930kN，罕遇地震下最大轴拉力标准值为26 448kN。作为主要抗侧力构件，剪力墙在多遇及罕遇地震作用下，倾覆力矩百分比约为70%～80%。剪力墙主要控制组合为地震作用组合，风荷载效应不控制。

　　 为研究本工程大跨重载转换结构在竖向地震作用下的响应，采用YJK软件中的振型分解反应谱法进行整体计算，并根据规范简化算法进行包络设计。同时采用MIDAS Gen补充小震下竖向地震作用时程分析。加速度时程曲线选取同小震时程分析，其中天然波1为BigBear-01＿NO＿905，天然波2为Anza-02＿NO＿1921，人工波为Art Wave-RH3TG055。提取三条时程曲线作用下转换桁架关键杆件内力最大值，与振型分解反应谱法计算结果 (调整后) 包络设计。

　　 展览厅典型转换桁架支座弦杆、腹杆轴力标准值统计如图17所示。

　　 从上述结果可以看出，时程分析结果与调整后振型分解反应谱法计算结果相当，采用振型分解反应谱法进行本工程大跨重载转换结构竖向地震作用效应计算并根据时程分析结果进行包络设计。

　　 转换桁架作为实现大空间跨越及支承上部多层结构的重要转换构件，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[1]、《高层民用建筑钢结构技术规程》 (JGJ 99—2015) ^[2]中的相关要求，采用拆除重要构件的方法对关键部位进行抗连续倒塌验算。

　　 分别选取展览厅典型主方向、次方向转换桁架 (图18) ，对拆除端部下弦杆或腹杆后剩余结构承载能力进行计算，验证转换结构抗连续倒塌性能。

　　 经分析，在竖向荷载+0.2风荷载作用下，在选定的关键构件退出工作后，转换桁架杆件及周边相连构件承载能力均满足要求。

　　 抗连续倒塌分析结果表明，转换桁架空间作用效应显著，具有较高的安全冗余度，不会因个别关键杆件失效而引起结构发生连续倒塌破坏。

　　 转换层结构竖向振型如图19所示。展厅处及异形板洞处竖向振动频率为2.03Hz，大屯北路上方序厅处竖向振动频率为2.27Hz，序厅开洞处竖向振动频率为2.81Hz，楼盖竖向振动频率小于3Hz，因此有必要进行楼板的振动分析，验算楼板舒适度。

　　 本工程采用MIDAS Gen进行弹性时程分析，验算人员行走引起的结构振动峰值加速度。由于二层会议厅及序厅可能出现人员密集情况，对竖向振动频率较低的四个区域 (图20) 分别进行分析;计算时共进行了3种人员运动工况的分析:1) 工况1，区域行人 (考虑1人/m²) 同时行走一步;2) 工况2，区域行人 (考虑1人/m²) 同时跑动一步;3) 工况3，区域行人连续行走。

　　 分析采用程序自带行走-步荷载曲线 (Baumann曲线) 、连续步行荷载曲线 (IABSE曲线) 和跑动荷载曲线 (ARJ曲线) ，同时，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[1]附录A要求，人员行走作用力p₀=0.42kN，结构阻尼比0.01。根据模态分析的结果，各区域中间节点振幅最大，故选取各区域中点的加速度时程分析结果作为验算依据，相应舒适度验算结果如表1所示，各区域均满足规范规定的加速度限值要求。

　　 本工程主体结构地上平面尺寸约为456m×144m，结构超长，温度效应显著，本文选取主体结构典型剖面 (图21) ，论述主体结构温度作用效应，提取温度作用下结构竖向构件变形及内力，并进行关键构件承载能力分析。

　　 钢结构施工阶段温度作用为升温26℃，降温33℃;屋面构件 (考虑阳光直射，钢结构表面升温增加30℃) 升温56℃，降温33℃。考虑温度作用与结构自重荷载 (含附加恒荷载) 与施工活荷载标准组合。

　　 施工阶段温度作用下，典型剖面变形见图22, 23。首层边柱柱底温度作用效应明显，部分边柱应力比为施工阶段温度作用控制。转换桁架及屋面水平构件中部温度效应较大。由图22可知，升温工况下屋面北侧位移为-86.4mm，南侧位移为90.8mm;30.8m标高楼面处北侧位移为-48.2mm，南侧位移为56.1mm;20m标高楼面处北侧位移为-28.8mm，南侧位移为40.8mm。由图23可知，降温工况下屋面北侧位移为70.6mm，南侧位移为-81.9mm;30.8m标高楼面处北侧位移为56.5mm，南侧位移为-67.5mm;20m标高楼面处北侧位移为42.3mm，南侧位移为-52.2mm。关键构件弹性阶段主要控制工况为竖向荷载与温度作用的组合。

　　 为减轻施工阶段温度作用效应，利用握手厅 (图4) 楼板不连续特性，拟采取部分楼面梁板后装、设置施工缝方案，以减小南北向温度效应，进行施工阶段温度效应计算。边柱温度作用效应显著降低，主要楼层南北两侧升温、降温工况下变形均有所减小。施工阶段根据具体施工组织及现场条件，建议采用施工阶段局部楼面梁板后装方案以减小施工阶段主体钢结构温度效应。

　　 采用ABAQUS软件进行主体结构罕遇地震弹塑性分析，考察主体结构及关键构件在大震下的抗震性能。结构初始阻尼比取2%，附加阻尼由程序自动计算，地震波峰值400gal。每个工况地震波峰值按水平主方向:水平次方向:竖向=1∶0.85∶0.65进行调整。

　　 本工程主体结构在大震下的抗震性能总结如下:

　　 (1) X向 (南北向) 为主输入方向时，楼顶最大位移为200mm，楼层最大层间位移角为1/159;Y向 (东西向) 为主输入方向时，楼顶最大位移为188mm，楼层最大层间位移角为1/158。主体结构能够满足规范的“大震不倒”要求。

　　 (2) 部分连梁混凝土受压损伤因子超过0.5，破坏较重，形成了铰机制，发挥了屈服耗能的作用。此外，X向布置的剪力墙损伤较重，剪力墙内部分钢板进入塑性阶段，最大塑性应变0.043，剪力墙内钢支撑未进入塑性阶段。

　　 (3) 钢管混凝土柱的钢管未进入塑性阶段，仅部分混凝土出现受压损伤;部分楼面梁进入塑性阶段，最大塑性应变为0.035;部分钢支撑进入塑性阶段，最大塑性应变为0.003，转换桁架、局部桁架转换、与大跨空间结构相连的构件及大部分钢支撑均未进入塑性阶段。

　　 (4) Z向 (竖向) 为地震作用主方向输入时，部分钢支撑进入塑性阶段，最大塑性应变为0.002，转换桁架、局部桁架转换、与大跨空间结构相连的构件及大部分钢支撑均未进入塑性阶段;部分钢屋盖构件进入塑性阶段，最大塑性应变为0.022。

　　 整体来看，结构在罕遇地震作用下的弹塑性响应和破坏机制符合结构抗震工程的概念设计要求，抗震性能可达到预定的抗震性能目标。

　　 国家会议中心二期项目结构设计的重点在于解决竖向荷载作用下的大跨转换问题，转换结构主要为竖向荷载作用效应控制，水平及竖向地震不起控制作用 (除个别杆件外) ;由于结构超长，温度作用效应显著，设计中应充分评估结构构件在温度作用下的响应，并结合施工组织，采取有效措施降低温度作用荷载效应;由于本工程转换层以下采用钢框架-组合抗震墙结构，转换层以上采用钢管混凝土框架-支撑结构，如何避免混凝土墙在竖向荷载作用下过早受拉，充分发挥组合墙抗侧刚度，施工过程分析及验算显得尤为必要。

　　 本文着重对转换结构在竖向荷载、竖向地震作用、温度作用及施工过程中的传力路径及承载能力进行了系统分析;分别采用时程分析、振型分解反应谱法及规范简化算法对转换结构竖向地震作用效应进行了评估;选取典型转换桁架进行了抗连续倒塌分析，并对重载转换结构楼盖进行了舒适度分析，验证了主体结构在弹性阶段的承载能力及刚度。根据超限设计性能目标，对主体结构进行了动力弹塑性分析，论证了主体结构在罕遇地震作用下的抗震性能。

　　 分析结果表明:主体结构的各项指标均能满足规范的要求，在弹性阶段具有足够的安全冗余度，承载力及刚度满足要求;在罕遇地震作用下，结构能够达到“大震不倒”的设计目标。