福州数字中国会展中心 (图1) 位于福州市长乐区滨海新城大东湖畔，总建筑面积11.59万m²，平面尺寸124m×263m，屋顶最大高度42m，形似“数字福船”扬帆起航，是“数字中国”建设峰会永久会址及“一带一路”等国际峰会、会展的举办场馆。

　　 该工程采用了钢框架-支撑结构体系，地上、地下结构的主要信息见表1。其中，展览中心展厅及大型会议厅具有结构空间尺度大、荷载重、空间关系多变的特点，其典型层高为16m，最大无柱空间平面尺寸为68m×144.5m，且2层楼面具有举办车展的重载要求，具有较大的设计难度。结构剖面图见图2。该工程主要结构设计参数如表2所示。由于工程所在地近海，参照相关规范^[1]将基本风压取为0.9kN/m²。

　　 本场地在0～50m范围内地基土主要由填土、砂土、粉质黏土组成，土工条件较差，且为轻微液化场地。场地距离文武砂水库约100m，抗浮设防水位接近地表。综合采用“桩端+桩侧联合后注浆的大直径钻孔灌注嵌岩桩+防水板”的形式解决地基承载力、沉降及抗浮问题。桩端均嵌入强风化层内1.5D (D为桩径) ，部分抗压桩兼做抗拔桩。桩基参数见表3。

　　 本工程地上各层平面布置如图3所示。可见8m和24m楼板对应于展厅和大会议厅区域存在大开洞，由桁架搭建出顶部大跨空间。除上述区域外，典型柱距为17, 25.5m，结构底层柱承担的轴力较大。采用钢管混凝土柱以降低框架柱轴压比，有利于增大结构延性。

　　 本工程大空间区域结构抗侧刚度小，通过在大空间周围设置斜撑来改善刚度分布的不均匀性，控制结构扭转。结构整体指标计算结果见表4。

　　 层间斜撑采用Q235B钢材。由于楼层高度较大、斜撑较长，为避免受压整体稳定导致斜撑截面较大，设计时指定斜撑后装。

　　 分别采用普通工字形钢支撑 (方案1) 、普通箱形钢支撑 (方案2) 和防屈曲支撑 (BRB) (方案3) 进行结构布置 (图4) ，通过结构整体计算得到各自的截面需求如表5所示。普通工字形交叉斜撑轴向刚度大，吸收地震力多，导致斜撑的承载力需求高，用钢量大。BRB (芯材采用王字形截面) 的用钢量小，且具备中大震下良好的耗能能力，因此最终选用BRB以实现结构安全和节省材料。

　　 结构长向尺寸达263m，为防止温度应力的不利影响，一方面选用截面相对较小的BRB而非普通工字形或箱形钢支撑，另一方面将沿结构长向的斜撑仅布置于结构中部，避免端部布置长向斜撑对结构变形形成强约束。最终的斜撑布置见图5虚线框所示。

　　 概念清晰、受力合理是保证大跨结构安全性和经济性的前提。本节对桁架布置、端跨上弦和下弦设计以及舒适度设计进行了说明。

　　 综合考虑如下3个方面进行桁架布置。

　　 (1) 考虑大跨空间平面的长宽比。以16m标高楼层为例 (图6) ，左右两侧大空间四周均匀布置框架柱，具备较好的支座条件。其中右侧大空间长宽比为2.1∶1，长向桁架无法有效分担短向桁架受力，因此短向桁架间距较密 (8.5m) ;左侧大空间长宽比为1.1∶1，具备良好的双向受力条件，在同样桁架高度的情况下，桁架间距可加大至17～25.5m。

　　 (2) 考虑大跨空间周边支座完整性。以24m楼层为例 (图7，虽然大跨空间平面长宽比为1.33∶1，但大空间上边界柱位缺失。若仅布置水平向单向桁架，为满足建筑功能需求，需加密桁架间距至4m以下，经济性欠佳。考虑到大空间上边界恰好为建筑隔墙位置，通过设置6m高边榀大桁架作为中部桁架的可靠支承点，从而形成双向受力系统，桁架间距可增大至5.7m。

　　 (3) 考虑大跨空间的使用需求。32m标高存在与24m标高对应的一边无柱的大跨空间，但由于建筑功能布置变化，要求除虚线所示 (图8的三道房间分隔墙外的空间净高尽可能高。设计时，去掉隔墙位置以外的其余桁架，并将桁架与框架柱相连一侧改为上承式连接 (图8，尽可能使桁架下弦受拉，避免了在桁架端部形成需设置侧向稳定支撑的负弯矩区，同时保证了结构安全性和建筑视觉效果。

　　 文献[2,3,4]提出可在大跨桁架反弯点处下弦设置屈曲约束支撑以形成延性桁架式框架 (图9) ，通过中、大震下BRB进入屈服来实现结构耗能。其中，BRB采用后装方式，在恒载加载完成后进行安装。

　　 随着延性桁架跨度的增大，不仅反弯点处的BRB距离框架柱端部更远，而且反弯点与框架柱之间的桁架段L_d承担着反弯点处更大的竖向荷载F_v，使桁架端部下弦对框架柱的水平作用力F_h显著增大。若桁架跨度从文献[2,3,4]中的典型跨度27m增至本项目的68m，在保持楼面荷载及桁架高度不变的前提下，竖向荷载作用下桁架端部下弦对框架柱的水平作用力将增大至27m跨桁架方案的约6倍，显著增加了框架柱对承载能力的需求。

　　 本项目提出一种新型延性桁架，将桁架下弦BRB的安装位置由反弯点处移动到端跨，以降低框架柱的受力需求。图9为改进前后的延性桁架 (局部) 受力示意图。在各受力阶段，新型延性桁架的受力特点如下:1) BRB安装前，在恒载作用下桁架下弦对框架柱不产生水平力。2) BRB安装后，仅新增的活载和地震荷载通过桁架下弦对框架柱产生水平力。在正常使用工况下，桁架端部下弦BRB保持弹性，对提高楼盖刚度，改善楼盖舒适度有利。3) 在中、大震作用下，桁架下弦对框架柱产生的水平力可控 (由BRB极限承载力决定) ，从根本上保证了框架柱的安全。

　　 以16m标高典型的68m跨度桁架为例进行试算，如图10所示，新型延性桁架端部下弦对框架柱产生的水平力比改进前降低了86% (18 672-2 698) /18 672=86%) ，达到了预期效果。现场安装的桁架端部下弦BRB如图11所示。

　　 采用上述改进方案后，在BRB安装前，楼盖恒载由上承式桁架承担，桁架端部上弦由局部弯矩产生的应力较大 (表6) ，需采用合适的方式减小端部上弦杆局部弯矩并提高其截面承载能力。

　　 表6展示了3种不同截面形式的桁架端部上弦的内力构成。其中，3类截面的截面面积相近但惯性矩有较大差别。可见，虽然瘦高工字形截面的抵抗矩比矮胖工字形大约37%，但由于前者抗弯刚度较大导致吸收的弯矩较多，总应力比反而比后者高出11%。王字形截面的中横板对抗弯刚度贡献不大，不会造成弯矩的显著增大，同时又能分担轴力作用，使其板厚比同高度工字形截面可减薄约26%。

　　 表6中的矮胖工字形或王字形截面的板件厚度均超过了40mm，需对钢板提出Z向性能要求并采取防层状撕裂的连接构造。参考规范^[5]，采用弦杆翼缘贯通的方式进行桁架-柱连接节点设计 (图12) ，由弦杆翼缘板打断框架柱壁板并外扩出至少1倍板厚，以提高厚板焊接及受力时抗层状撕裂能力。

　　 采用SAP2000软件对16, 24m标高大跨桁架区域进行舒适度分析，利用Rainer^[6]建议的步行荷载曲线进行人行荷载激励，人群密度取1人/1.5m²，行人质量取75kg，同步率取0.05。由表7所示，未添加TMD的大跨空间一阶竖向振动频率均低于3Hz，楼盖振动最大加速度达0.3m/s²，不满足规范^[7]规定的小于0.07m/s²的要求。

　　 根据不同部位楼盖自振特性的不同，选用3类TMD (表8) 布置在各区域振幅最大部位 (图13) ，总计布置152台TMD。

　　 通过扫频分析得到加TMD后的楼盖振动加速度最大值为0.07m/s² (表7) ，减振率达69%～80%，显示出良好的减振效果。

　　 建筑主入口上方布置有4层曲面玻璃幕墙，呈现凹凸相间的波浪效果 (图14) 。幕墙宽34m、高16m，要求从视觉上弱化结构构件以实现视野通透。

　　 在各层波浪分隔处布置3道由薄片状箱形构件 (宽×高≤600×340) 构成的鱼腹式水平桁架 (图15) ，以将水平荷载传递至两侧框架柱;在桁架中部布置8对钢拉杆，每对拉杆位于水平桁架两侧，以将竖向荷载传递至屋面结构。

　　 水平桁架跨高比超过1/1 000，需慎重确定拉杆拉力数值，以满足水平桁架受力和找形的要求。拉杆张拉施工分如下两个阶段:1) 水平桁架就位后进行张拉，以控制结构竖向位移为目标，满足吊装和安装的要求;2) 以结构最终成型为目标，在结构和幕墙自重及预拉力作用下，拉杆达到目标拉力。

　　 利用MIDAS Gen计算软件进行张拉施工模拟 (图16) ，采用倒拆法确定每根拉杆分段张拉时的拉力值。计算工况为:终态—卸载幕墙自重—卸载二级张拉力—卸载一级张拉力。张拉计算时，注意控制幕墙安装前的结构挠度小于1/300，以满足幕墙玻璃逐步安装的要求。

　　 为保证曲面幕墙施工和使用过程中的安全，对每根拉杆进行了健康监测，当监测拉力达到设计拉力的70%，80%，90%时进行多级预警，提示施工方或运维方采取相应的检查或处理措施。完工后的曲面幕墙效果如图17所示。

　　 福州数字中国会展中心具有结构空间尺度大、荷载重、空间关系多变的特点。为满足结构整体受力需求，对层间斜撑截面形状、布置位置进行了讨论;为满足大跨空间的设计需求，对桁架布置形式、桁架端部上弦截面形状和桁架端部下弦BRB布置位置进行了比选，并通过添加TMD保证了大跨楼盖的舒适度;通过对结构体系的特殊设计，使曲面幕墙达到了通透的视觉效果。最终实现了结构安全性、舒适性和经济性的整体提升。