乌鲁木齐市文化中心项目位于乌鲁木齐市水磨沟区红光山片区，工程以“雪莲花”为造型，美术馆、博物馆、图书馆、大剧院、音乐厅、规划馆六大场馆仿佛“雪莲花”的六朵花瓣(图1)，围绕着中心的“花蕊”文化塔，犹如一朵盛开的“雪莲花”。本文重点介绍文化中心重要场馆之一的美术馆结构设计。美术馆含地下室在内共六层，从结构2层开始逐层外伸形成“上大下小”的建筑外形，建筑屋盖采用钢结构网架，层高7.5m，建筑总高度为45m(不含屋盖造型网架高度)，总建筑面积33 700m²。

　　 (1)本工程建设地点位于地震断裂带附近，但根据地震安评报告，此断裂带为非全新世活动断裂，同时土层的覆盖层厚度大于60m，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2011)(2016年版)^[1](简称抗规)第4.1.7条，可忽略断裂错动对地面建筑的影响，同时考虑到地震时此断裂对上部建筑可能会带来不利的影响，因此将水平地震影响系数进行了适当放大，取α_max=0.21，场地特征周期T_g=0.5s。2层平面X向总长度为102.2m,Y向总宽度为75.4m且不设伸缩缝，属于超长结构，因此主体结构计算时考虑了使用阶段的温度应力组合。较大的水平地震力加上使用阶段的温度应力组合，导致结构构件的内力较大，如果盲目加大结构构件的截面尺寸，会导致结构刚度增大从而使结构的地震水平力进一步加大，给结构构件的配筋设计带来极大的困难。美术馆结构剖面及平面布置图见图2～5。

　　 (2)建筑呈“圆蛋形”平面布局且从结构2层开始逐层外伸形成“上大下小”的建筑体型，且上部结构外伸部分为非对称布置，平面(1)轴顶层最大外伸宽度7.2m,(11)轴则不外伸。“圆蛋形”平面布局导致平面刚度不对称，(11)轴的抗侧力刚度明显大于(1)轴，同时外伸部分的非对称布置使各层平面重心朝抗侧力刚度较弱的(1)轴“漂移”。怎样合理确定结构抗侧力构件的位置及刚度以减小主体结构的扭转效应成为结构抗侧力构件布置的难点。

　　 (3)2层楼面及屋面开有较大的洞口且2层带有悬挑转换，2层楼面洞口对结构整体刚度的影响较大，楼板应力较为复杂。

　　 (4)本工程采用地暖供热，楼面铺装层较厚，且建筑主要使用功能为展厅，因此结构自重及活荷载均较大。

　　 (5)屋盖造型网架的结构刚度及振型对下部主体结构计算结果影响明显，同时下部主体结构刚度及振型对屋盖网架杆件的内力也存在较大的影响，因此必须进行整体计算才能同时保证下部主体结构及屋盖造型网架的安全。

　　 (6)结构3层至屋面大跨度钢框架梁最大跨度27m，应考虑竖向地震作用，且还应充分考虑大跨度钢框架梁跨中在竖向地震作用下的放大效应，才能保证大跨度钢框架梁在竖向地震作用下的安全。

　　 (7)建筑楼层高度7.5m，且由于本工程为超限高层建筑，框架楼层剪力在《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)^[2](简称高规)的基础上进行了适当放大，较大的楼层高度加上较大的水平地震力导致主体结构的倾覆力矩很大，局部剪力墙端柱在水平地震力的作用下出现拉力。

　　 (8)结构构件以抗震性能设计为主要目标，对不同的结构构件在满足不同性能目标的前提下进行配筋设计。

　　 (9)由于水平地震力较大，剪力墙连梁刚度对主体结构的影响较大，主体结构计算时部分剪力墙连梁剪压比超限，剪力墙连梁设计需采取特殊的结构技术措施。

　　 由表1可知，本工程有四项不规则，按规定应进行超限审查，2015年2月接受了国家超限委员会的审查并获得通过。

　　 本工程采用框架-剪力墙结构体系，由于建筑使用功能多为大空间，只能利用楼电梯间设置剪力墙，X向剪力墙的最大间距27m,Y向剪力墙的最大间距28m，底部4层剪力墙的厚度为0.5m，顶部两层减薄为0.4m。严格控制单片剪力墙的刚度，位于柱跨间的剪力墙中部均开设适当宽度的洞口。为加强结构平面抗侧力较弱的一端的刚度，在平面(1)轴4～6层的框架柱之间设置了“X”形钢结构支撑。27m大跨度楼盖采用井字布置的工字形截面钢-混凝土组合楼盖，钢梁截面为1 500×400×30×40，钢框架梁与梁端的型钢-混凝土组合柱采用固接。平面周边外伸部分采用钢框架结构，外围框架斜柱为钢管混凝土柱。

　　 屋盖造型采用钢结构网架，为减少网架的计算跨度以及增强网架的抗侧力刚度，采用四角锥支撑柱(图6)，支撑柱上端与网架固接，并与下部的主体结构采用固定铰支座连接。

　　 根据高规，结构抗震性能目标分为A,B,C,D四个等级，结构抗震性能分为l,2,3,4,5五个水准，每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应，见表2。

　　 根据建筑的使用功能以及结构的重要性，本工程选用C级性能目标。

　　 (1)普通框架梁及剪力墙连梁按小震弹性进行设计。

　　 (2)框架柱、剪力墙端柱以及剪力墙抗弯承载力按中震不屈与小震弹性进行包络设计。

　　 (3)框架柱及剪力墙抗剪承载力、节点域抗剪承载力以及施工缝抗滑移按中震弹性进行设计。

　　 (4)2层悬挑转换梁及3～5层及屋面27m钢框架梁考虑竖向地震作用组合按大震不屈服设计。

　　 (5)拉结外围钢管混凝土斜柱的顶层钢框架梁按中震弹性进行设计。

　　 (6)屋盖造型网架支撑柱满足小震弹性及中震不屈服的应力要求，其他杆件满足小震弹性的应力要求。

　　 工程抗震设防类别为重点设防类(乙类)。抗震设防烈度为8度，水平地震影响系数α_max=0.21，设防地震分组为第二组，场地特征周期T_g=0.5s，多遇地震阻尼比取0.045。框架及剪力墙抗震等级为一级，楼面洞口穿层柱抗震等级为特一级，剪力墙端柱在中震出现拉力时按特一级设计，主体结构的嵌固端取在基础顶面。

　　 本工程X向2层平面总长度为102.2m,Y向总宽度为75.4m，因此在主体结构计算时考虑了使用阶段的温度应力组合，楼面后浇带合拢温度为25℃，由于考虑冬季采暖，因此温度应力按升温10℃，降温15℃计算，计算温度应力与地震荷载组合的构件配筋时，按弹性膜计算楼板刚度，温度应力作用的组合系数取0.6。

　　 剪力墙连梁刚度折减系数根据刚度需要及弹塑性分析得出连梁的破坏程度取0.5～0.7。2层楼面与悬挑转换梁相邻的剪力墙连梁刚度不折减。本工程建筑隔墙较少且均采用轻质墙体，因此周期折减系数取0.85。

　　 基本雪压为0.9kN/m²,50年一遇基本风压为0.6kN/m²，楼面展厅使用活荷载取5kN/m²，屋面网架的风荷载体型系数采用风洞试验结果。

　　 放置空调设备的夹层由于面积较小，夹层楼面钢梁与竖向构件采用铰接连接，夹层对主体结构刚度的影响可以忽略，夹层荷载作为柱中部竖向荷载考虑。

　　 采用YJK,SATWE,SAUSAGE等多个程序进行分析计算，计算内容包括多遇地震下的弹性分析，中震及大震等效弹性分析、罕遇地震下的动力弹塑性分析。采用YJK软件将屋盖造型网架与下部主体结构进行整体计算分析，计算模型见图7。

　　 结构前6个振型周期见表3，其他一些主要控制参数见表4。

　　 计算结果中，X向振型有效质量参与系数为92%,Y向为93%，满足规范对有效质量参与系数的要求。以扭转为主的第一振动周期为平动为主的第一振动周期的70%，满足高规第3.4.5条要求。

　　 由以上计算结果可以看出，尽管本工程体型复杂且受2层楼面及屋面较大洞口的影响，但由于抗侧力体系布置较为合理，主体结构在平动时的扭转效应并不明显。由于结构平面沿X向为非对称布置，且重心位置朝平面的(1)轴“漂移”，因此Y向的扭转位移比较大，但仍然满足小于楼层平均值1.5倍的规定。

　　 美术馆为超限高层结构，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年]67号)的要求及计算结果，底部总剪力0.2V₀远大于1.5V_max，框架的总剪力在高规的基础上放大30%，按1.95V_max进行控制，调整结果见表5。

　　 中震采用等效弹性分析方法进行计算，通过增加结构的阻尼比以及加大连梁刚度折减系数来计算中震竖向构件及关键部位构件的组合内力。中震等效弹性分析主要用于结构构件抗震性能设计，不同的结构构件根据其重要性采用不同的性能目标。中震等效弹性计算时，结构阻尼比取0.06，剪力墙连梁的折减系数取0.3，周期折减系数取0.95。

　　 中震水平地震影响系数按规范取α_max=0.45，中震等效弹性基底剪力与标准的8度多遇地震剪力的比值(表6)X向达到1.83×0.21/0.16=2.40倍，Y向达到1.81×0.21/0.16=2.38倍，同时X向的中震等效弹性基底剪力相当于中震弹性基底剪力的0.86倍，Y向的中震等效弹性基底剪力相当于中震弹性基底剪力的0.85倍，满足中震结构构件的抗震性能设计要求。

　　 剪力墙施工缝需满足中震弹性要求下的抗滑移计算，在施工缝处设置数量足够的抗剪插筋，局部位置施工缝设置抗剪型钢，对框架节点域进行中震弹性要求下的抗剪承载力的计算，采取梁端加腋或设置型钢节点等措施提高节点的抗剪能力。

　　 中震时主体结构X向的最大层间位移角1/435,Y向的最大层间位移角1/463，满足抗规附录M要求的小于2倍弹性位移限值的要求。

　　 本工程采用SAUSAGE软件进行大震下的时程分析，主要用于大震时结构构件的混凝土应力分析、混凝土损伤程度判断以及进行楼板应力分析。从分析结果(表7,8)得出，大震弹塑性基底剪力与小震基底剪力的比值满足相关要求，大震时最大层间位移角满足规范要求。通过SAUSAGE软件计算的构件损伤图可以得出，竖向构件中框架柱混凝土没有出现严重损伤，底部楼层剪力墙在大震下出现局部损伤，但损伤的范围很小，剪力墙端柱纵向钢筋部分进入屈服状态，说明竖向构件具有良好的抗震性能。剪力墙连梁破坏较严重，起到连梁作为耗能构件的重要作用。

　　 屋面网架分别采用整体模型以及网架单独模型(图8)进行计算。采用网架单独模型分析计算时，根据整体组装分析时网架部分的剪重比与结构底层剪重比的比值确定网架水平地震影响系数的放大系数，网架杆件截面综合两种计算结果进行包络设计。

　　 为减轻结构自重，27m跨楼盖结构采用井字布置的工字形截面钢-混凝土组合楼盖，平面周边外伸部分采用钢框架结构，周边框架斜柱采用直径0.6m的钢管混凝土柱，钢管壁厚20mm，支承楼盖大跨度钢梁的框架柱采用型钢混凝土组合柱。

　　 为解决平面端部的抗侧力刚度严重偏小、地震作用下扭转效应明显的现象，在(1)轴4～6层框架之间根据刚度需要设置了“X”形钢结构支撑(图9)，有效地加强了平面端部上部楼层的抗侧力刚度，减小了扭转效应。钢结构支撑采用□400×500×30箱形截面，按中震不屈服设计。仅在平面的局部位置设置“X”形钢结构支撑，对于整体结构而言，不足以使下部楼层形成薄弱层，但对于(1)轴上的抗侧力体系而言，3层的刚度已经小于4层的0.9倍，在3层形成了局部薄弱抗侧力体系。为保证(1)轴2,3层框架剪力墙的安全，按照高规第3.5.8条的要求，将此轴线上2,3层的框架剪力墙的地震剪力乘以1.25的增大系数进行配筋设计，保证此轴线上2,3层框架剪力墙的安全。

　　 由于剪力墙承受的倾覆力矩较大，底部楼层局部剪力墙端柱在地震作用下存在较大的拉力，采用普通混凝土端柱会导致底部楼层部分剪力墙端柱的配筋率超过5%的构造限值，采用“十字”型钢组合柱虽然可以提高剪力墙端柱的抗拉能力，但会增加柱内型钢的焊接工作量并且造成梁柱接头位置钢筋施工困难，而按满足规范规定的含钢率设计时，会使剪力墙刚度增加导致剪力墙弯矩进一步加大而使剪力墙端柱配筋进一步加大。为解决梁柱接头位置钢筋施工困难问题，部分剪力墙端柱采用厚壁钢管混凝土组合柱(图10)，厚壁钢管主要用来抵抗剪力墙端柱的拉力，弯矩由框架柱纵筋来承担，厚壁钢管采用299×40的Q345无缝钢管，抗剪连接件采用焊接钢筋环。

　　 剪力墙抗剪承载力按中震弹性设计(不考虑抗震等级调整系数)时，局部剪力墙截面尺寸不满足剪压比要求，而混凝土强度等级受到施工条件的限制不能进一步提高，且加厚剪力墙会导致墙肢刚度的加大使剪力墙剪力设计值进一步加大。为提高剪力墙的抗剪承载力而又不使剪力墙的刚度明显增加，在局部位置剪力墙采用了钢骨剪力墙，以减小剪力墙混凝土部分的平均剪应力。与通常将钢骨配置于剪力墙的边框柱内不同，为减小剪力墙的刚度以及减小剪跨比对钢板抗剪承载力的不利影响，抗剪钢骨设置在剪力墙的中部位置，抗剪钢板的截面面积需满足高规第11.4.12条的计算要求，同时需满足《钢骨混凝土结构设计规程》(YB 9082—2006)(简称钢骨混凝土规程)第6.2.8条弯剪构件f_vb_wh_w≥0.1β_cbh₀的构造要求，钢骨的设置高度延伸至计算所需钢骨的上一层，下端则锚固于嵌固端。为避免钢骨剪力墙的剪应力集中，对钢骨剪力墙采取了特殊的加强构造措施。

　　 以其中一片钢骨剪力墙为实例进行抗剪验算，剪力墙厚度b=500mm，剪力墙高度h=3 000mm，混凝土强度等级C50，剪力设计值V=6 807kN，剪力墙剪跨比λ=0.808。

　　 YJK软件超限信息显示，剪力墙截面不满足抗剪要求，即:

　　 抗剪钢板采用Q345GJ钢板，可知f_v=190N/mm²，根据高规第11.4.12条，λ=0.808<1.5，取λ=1.5。由式(1)计算结果可得:

　　 根据式(2)得:

　　 采用b_w=20mm厚钢板，钢板计算长度为584mm，实际取h_w=1 000mm，根据钢骨混凝土规程第6.2.8条:f_vb_wh_w=190×20×1 000=3.8×10⁶N>0.1×1×23.1×500×3 000=3.47×10⁶N，钢骨截面满足要求。

　　 根据钢骨混凝土规程第6.4.13条，钢板承受的剪力比值(4.95-4.08)/4.08=0.21<0.25，剪力墙配筋计算时，不考虑钢板的抗剪作用，按普通剪力墙计算剪力墙水平筋。钢骨剪力墙构造见图11。

　　 剪力墙连梁的刚度折减系数根据不同部位弹塑性分析的破坏程度取0.5～0.7，局部剪力墙连梁在多遇地震下的剪压比超限，因此部分连梁采用了钢板混凝土组合连梁(图12)。钢板混凝土连梁应满足钢骨混凝土规程有关弯剪构件的计算及构造要求，同时应满足《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》(CECS 230∶2008)^[3]的有关要求。

　　 为降低剪力墙连梁的刚度而不削弱连梁的抗剪承载力，部分连梁采用了设缝设计(图13)，缝宽取20mm，设缝的次数根据主体结构刚度需要确定。

　　 当连梁承受楼面次梁传来的集中力时，为避免地震时连梁发生破坏而丧失承受竖向荷载的能力，采取在连梁中设置暗梁的加强措施。

　　 对于8度区的大跨度结构应进行竖向地震力计算，结构3～5层楼面及屋面27m跨度钢框架梁考虑竖向地震作用按大震不屈服设计。大跨度钢框架梁充分考虑了跨中竖向地震作用系数相对支座的放大系数。采用弹塑性分析软件SAUSAGE进行时程法分析，统计大跨度钢梁跨中节点竖向加速度以及支座节点竖向加速度见表9。

　　 通过表9可以看出，6层楼面27m跨度钢框架梁跨中竖向节点加速度为支座节点加速度的1.67倍，因此6层楼面大跨度钢框架梁的竖向地震作用系数按0.15×1.67=0.25进行计算。

　　 (1)将屋顶造型网架与下部主体结构进行整体计算，充分考虑了两部分结构的相互影响，从而保证了两部分结构在地震作用下的安全。

　　 (2)采用钢板混凝土组合连梁及连梁设缝有效减少了连梁刚度，保证连梁刚度折减系数在规范允许的范围之内。

　　 (3)在平面端部的局部楼层设置了“X”形钢结构支撑，有效加强了平面端部的抗侧力刚度，使结构楼层刚度分布更加均匀合理，有效减小了平面端部的位移，从而有效地减小了结构的扭转效应。

　　 (4)剪力墙端柱采用厚壁钢管混凝土组合柱，有效地解决了梁柱接头位置钢筋施工困难的问题，并提高了剪力墙端柱的抗拉能力。

　　 (5)采用内置钢骨混凝土剪力墙，有效减小了剪力墙的厚度，从而有效地减小了结构的剪重比，并大幅度提高了剪力墙的抗剪承载力。

　　 (6)通过时程计算方法确定大跨度梁跨中相对支座竖向地震作用系数的放大系数，有效保证了大跨度构件在竖向地震作用下的安全。