合肥市科技馆新馆 (自然博物馆) 项目位于合肥高新区王咀湖东北部，彩虹路与石莲东路交口西侧，处于合肥市西部组团城市副中心核心区，建筑效果图见图1。本项目总建筑面积50 000m²，其中地上30 000m²，地下20 000m² (含地下人防) 。主体房屋总高度约38.5m，地上4层，地下1层。建筑平面形状呈平行四边形，建筑主体造型采用了南高北低的整体坡屋面造型，屋面整体从南侧26.5m高处向北倾斜至地面，局部有四处突出屋面的方筒，形成由北向南逐层升高的空间布局，建筑斜屋面+退台标高示意见图2。地下1层层高6m (地库3.9m) ，地上1～4层层高分别为8.5, 8, 11.5, 4.5m, 1～3层主要功能为展厅，4层功能为办公，地下1层为会议、教育、影院、餐饮、车库、设备、库房等功能。

　　 本工程设计使用年限50年，结构安全等级为一级。拟建场区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。地基基础设计等级为乙级，本工程抗震设防类别为重点设防类，即乙类。提高一度加强抗震措施，按8度设防和性能目标确定抗震等级，剪力墙抗震等级为一级，框架抗震等级为二级，钢框架 (桁架) 抗震等级为三级。

　　 本项目建筑造型新颖和内部功能空间多样，存在大量大跨、斜板、错层等情况，结合结构高度与抗震设防要求，主体结构采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构。抗侧力结构体系计算模型见图3。展馆区域标准柱网为12m×12m，地下车库区域柱网为8.1m×8.1m;剪力墙利用交通核尽量均匀布置，因地下1层西侧开敞，地下室外墙布置在结构北侧、东侧及南侧，挡土墙仅在地下1层设置，地下1层挡土墙位置示意见图4。门厅结构采用钢框架+支撑，门厅与主体间设防震缝，其余部位未设置永久结构缝，斜屋面标高为-0.5～26.5m，突出斜屋面的平屋面标高分别为7.8, 20.50, 21.0, 30.0, 32.5m，采光顶与主体结构一端设置滑动支座，一端与主体结构铰接连接，扣除采光顶和雨棚后，混凝土屋面呈U形平面，结构整体平面及板顶标高示意见图5。

　　 图3 结构整体计算模型

　　 图4 结构地下1层挡土墙示意

　　 剪力墙厚度为300～750mm，框架柱截面尺寸主要为800×800, 1 000×1 000，钢骨柱截面尺寸主要为1 200×1 200 (内设十字钢骨，截面为600×300×25×25) ，混凝土强度等级从下至上为C60～C50，钢材为Q345C，嵌固部位为基础顶，剪力墙加强部位为地下1层至地上2层。

　　 楼盖水平构件一般部位采用全现浇钢筋混凝土梁板结构。展馆典型区域采用十字交叉梁 (图6) ;地下车库采用主梁大板楼盖。各楼层大跨度影院和展览区域采用钢梁+钢筋桁架楼承板组合楼盖，最大跨度24m，钢梁最大高度1.7m，如图7所示。天象厅和16.0m标高夹层钢桁架示意如图8所示，天象厅顶部采用钢网架，跨度39.6m×32.85m，网架高度1.9m，如图9 (a) 所示，16.40m标高夹层钢桁架示意如图9 (b) 所示。

　　 中庭采光顶如图10所示，采用钢桁架，最大跨度33m，桁架高1.3m，与主体结构一端铰接、一端滑动，桁架剖面如图11所示。入口门厅为钢框架+支撑结构体系，结构计算模型如图12所示。

　　 本项目采用天然地基，基底持力层为黏土层，承载力为260kPa，压缩模量为15MPa。基础采用梁板式筏基，天然地基可满足承载力和变形需要，基底设置抗拔锚杆，满足抗浮需求。

　　 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) 规定，本项目存在4项不规则 (表1) ，属结构不规则超限工程。

　　 综合考虑建筑的功能和规模，确定结构构件的性能目标，要求见表2。　  

　　 首层顶平面凹进达57.8%，斜屋面、采光顶等进一步削弱楼板。采取措施如下:加强凹进、连接薄弱部位楼板，增大楼板厚度和双层双向配筋;加强错层和夹层部位框架柱和剪力墙截面、承载力;加强因夹层及斜板造成的超短柱截面、承载力。按真实结构布置建立计算分析模型，真实反映构件受力:考虑楼板实际刚度，定义为弹性板;计算中考虑错层、夹层空间关系。

　　 U形平面、斜板、竖向收进，引起偏心和扭转。采取措施如下:计入扭转影响，考虑偶然偏心、双向地震作用;补充将斜屋面简化为平屋面的模型，复核和控制位移比，以合理布置柱墙平面;加强分区边榀和角部构件。

　　 建筑造型引起立面收进，采取措施如下:加强竖向收进部位楼板;加强收进部位竖向构件。

　　 斜板在地震作用下发挥斜撑作用，单向斜板引起双向刚度不均，采取措施如下:按真实结构建立计算分析模型，斜板定义为弹性板;针对斜板引起的双向刚度不均匀情况，增加45°地震输入工况;加强斜板和斜梁，按压弯、拉弯构件计算。合理布置结构，斜板底部设置滑动支座，释放水平力，减小斜板对整体刚度影响，避免地震作用下底部内力集中，滑动支座布置位置见图13。

　　 西侧斜板大悬挑屋面，采取措施如下:加强悬挑梁、支承柱，采用钢骨混凝土梁、柱;计算中考虑竖向地震影响;支承柱执行关键构件性能目标。

　　 本项目地下一层西侧开敞，挡土墙仅设置在北侧、东侧及南侧，且因场地地形西低东高，南侧挡土墙随地势变化有部分在地面以上，地下室嵌固条件不利。采取措施如下:结构整体参数按嵌固于基础顶计算;结构承载能力按嵌固于基础顶和±0.00包络设计。

　　 因斜屋面的存在，造成局部为极短柱，为了增加极短柱的延性，采取柱内设置钢骨的形式改善极短柱抗震性能。

　　 对竖向构件的分析表明:竖向构件中震“抗弯不屈服”与小震“弹性”计算结果基本一致，仅个别穿层柱在中震“抗弯不屈服”下的计算配筋结果为小震“弹性”计算结果的1.5～2.1倍。可见，竖向构件的性能目标仅对穿层柱有提高。

　　 本工程采用PKPM-PMSAP, MIDAS Gen, PACO三种不同空间结构计算程序分别对主体结构进行分析计算。本项目地下1层西侧开敞，挡土墙仅设置在北侧、东侧及南侧，且因场地地形西低东高，南侧挡土墙随地势变化有部分在地面以上。因此本项目将嵌固层设置在基础顶，结构整体参数按嵌固于基础顶计算，结构承载能力按嵌固于基础顶和±0.00包络设计。

　　 PKPM-PMSAP, MIDAS Gen, PACO程序计算的结构自振周期见表3。由表3可知，三种软件计算的结果基本一致。结构前两阶为平动振型，第三阶为扭转振型，扭转周期比满足小于0.90要求。

　　 由于结构较复杂，为了充分反映高阶振型对地震响应的影响，计算振型取200个，计算结果表明X, Y向质量参与系数均满足大于90%的要求。

　　 PKPM-PMSAP, MIDAS Gen, PACO程序计算得出的结构最大层间位移角见表4，满足不大于1/800的要求。

　　 本项目因存在U形平面、斜板、竖向收进等，引起结构偏心和扭转。采用PMSAP软件将斜屋面简化为平屋面的模型进行补充计算，如图14所示。通过控制结构扭转位移比，以合理布置柱墙平面。斜屋面简化为平屋面后X, Y向最大扭转位移比分别为1.41, 1.39，小于1.5，满足规范^[1,2]要求。

　　 本工程结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩为总倾覆力矩的16.4%，可以按照框架-剪力墙结构进行设计。框架部分计算分配的X, Y向层剪力与基底剪力之比，多数楼层大于10%，最小值大于5%，框架可较好地发挥二道防线作用，满足相关要求。

　　 按照《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) 第8.1.4条要求，本工程框架部分分配的地震剪力标准值按0.2V₀和1.5V_max二者的较小值进行调整，可满足二道防线要求，框架柱剪力调整系数为首层1.5，其余层为1.0.

　　 选用7条地震波进行弹性时程分析，其中2条人工波 (RH1TG035, RH4TG035波) ，5条天然波 (TH004TG035, TH076TG035, TH073TG035, TH061TG035, TH003TG035波) 。将主方向地震波分别加于计算模型的X向 (0°) 、Y向 (90°) ，结构阻尼比取0.05。

　　 PMSAP的计算结果见表5。从结果中可知，所选地震波X, Y向最小基底剪力均大于振型分解反应谱法 (CQC法) 的65%，平均值大于CQC法的80%，7条地震波时程反应谱与规范谱对比，在结构第一平动周期附近，与CQC法所用的地震影响系数曲线相比相差不大于20%，符合“在统计意义上相符”。

　　 本工程选用与规范反应谱 (罕遇地震) 对应的3条地震波时程，其中1条人工波 (RH4TG0402波) 、2条天然波 (TH076TG040, TH004TG040波) 。分析计算采用的地震波满足以下要求:特征周期为多遇地震特征周期加0.05s，取特征周期为0.40s;最大峰值加速度符合规范要求 (7度时地震加速度进程最大值为220cm/s²) ;多组时程波的平均加速度反应谱在结构主要周期点上与规范反应谱相差不大于20%;有效持续时间为结构基本周期的5～10倍。

　　 X, Y向大震弹塑性及小震弹性基底剪力计算结果见表6。由表6可知，大震弹塑性时程计算的X向基底剪力为小震弹性时程计算结果的4.95～5.00倍，Y向为4.61～5.91倍，小于大震峰值加速度和小震峰值加速度的比值6.29，说明结构在大震作用下进入损伤耗能，刚度退化;同时也说明弹塑性时程计算的基底剪力在合理范围，计算结果可靠。

　　 X, Y向大震弹塑性及小震弹性基底剪力计算结果表6

　　 3条地震波作用下结构层间位移角见图15。由图可知，X, Y向弹塑性时程计算的层间位移角最大值分别为1/320, 1/207，均小于规范限值1/100，满足大震不倒的性能要求。

　　 关键构件损伤情况见图16。由图可知，剪力墙损伤轻微，且主要集中在底部加强部位;大部分剪力墙为无损坏，底部加强部位部分墙体轻微损坏，个别轻度损坏，满足关键构件性能要求。连梁在大震下出现明显损伤，耗能效果明显;大部分连梁为轻度损坏或中度损坏，少数跨高比较小的连梁为重度损坏或严重损坏，满足耗能构件性能要求。框架柱在底部无损伤或轻微损伤，上部框架柱出现轻微或轻度损伤，满足关键竖向构件和普通竖向构件性能要求。

　　 楼板损伤情况见图17。由图可知，大震下楼板主要损伤部位为大悬挑部位、斜板宽度较窄的弱连接部位和一些洞口的角部应力集中的位置。从构件损伤情况看，斜板对柱墙构件的影响范围无明显规律。

　　 本工程楼板要求满足中震弹性性能目标。由于2层顶是楼板受力最大的楼层。以2层顶为例，图18为楼板内力云图。从计算结果可以看出:在中震作用下，2层楼板局部应力集中区域的最大面内拉应力为6 609.68kPa (X向) 、6 362.98kPa (Y向) 。相关区域楼板配14@100双层双向钢筋，可满足该拉应力需求。因此，通过合理配筋，楼板可满足中震弹性的要求。

　　 本工程存在扭转不规则、偏心布置、凹凸不规则、楼板不连续、斜柱、穿层柱等不规则类型，属于规则性超限的高层建筑。在设计中应用概念设计和抗震性能化设计方法，采用多种计算软件对比分析。通过超限可行性分析论证，得出如下结论:1) 结构在竖向荷载、风荷载和多遇地震作用下的承载力和刚度等各项指标满足规范要求;2) 罕遇地震下结构层间位移角满足规范要求，实现大震不倒要求;3) 对结构关键构件和普通竖向构件提出了更高的性能要求，在中震和大震下的性能水平，满足本工程拟定的性能目标;4) 大震下构件塑性发展规律符合结构概念设计要求，结构体系具有有效的耗能机制，具有良好的抗震性能;5) 采用多种计算程序进行弹性和弹塑性计算，结果可靠。

　　 综上，本工程满足抗震性能目标要求，设计合理，安全可行。