苏州博物馆西馆位于苏州高新区狮山湖畔的狮山广场 (原苏州乐园) , 紧邻狮子山, 建成后将用于展陈历史藏品及美术作品、艺术作品等。博物馆是由10个边长约25m的建筑单体组合成的建筑群, 每个建筑单体之间通过跨度约5.8m的楼板连接形成一个整体。博物馆总建筑面积32 152m², 地上建筑面积17 802m², 地下建筑面积14 350m², 建筑效果图及剖面图如图1, 2所示。

　　 苏州博物馆西馆最大结构高度28.5m, 地上3层, 地下2层, 标准层层高7m, 最大层高14m。采用大空间剪力墙结构体系, 局部布置少量框架柱, 剪力墙抗震等级二级, 框架抗震等级二级。结构设计基准期50年, 设计使用年限100年, 结构安全等级一级, 抗震设防烈度7度, 设计基本地震加速度0.10g, 建筑场地类别Ⅲ类, 特征周期0.45s, 抗震设防类别重点设防类 (乙类) 。结构嵌固端位于基础顶面。100年重现期基本风压0.50kN/m², 地面粗糙度类别B类。风荷载体型系数1.3。苏州博物馆西馆典型结构平面布置图如图3所示。

　　 本项目结构设计存在以下特点^[1]:1) 每个建筑单体之间通过跨度约5.8m的楼板连接形成一个整体, 但每个单体在3层以上又是相对独立的, 同时为保证展厅的大空间, 只能在单体周围及楼梯间、电梯间设置竖向构件。2) 各单体之间采用楼板连接, 连接较为薄弱, 见图3。如1#单体与2#单体间采用总长10m的楼板连接, 2#单体与3#单体间采用总长9.6m的楼板连接。3) 较多单体上下均通高。如4#, 6#, 8#, 9#单体, 除楼梯间、电梯间区域在楼层处存在楼板以外, 其他区域均为大开洞, 抗侧力构件无支撑高度较大, 水平力得不到有效传递, 易发生相对振动。4) 楼面体系跨度大 (约25m×25m) , 受建筑净高及设备管线要求, 梁高不能太大, 且多数楼面功能为展厅, 人流较密集, 楼面体系设计复杂。5) 4#单体东北侧角部的竖向构件不能落地, 在7.000 m标高处为悬挑, 最大悬挑长度东西向约10m, 南北向约20m。

　　 根据上述结构特点, 分别试算了4种结构方案, 分析比较了不同结构方案的优缺点, 如表1所示。通过方案比选, 本项目最终采用大空间剪力墙结构体系, 在每个单体四周角部布置剪力墙, 使得各单体在结构受力上既完整又独立。4#单体的悬挑部位采用型钢混凝土空腹桁架。结构整体计算模型如图4所示, 4#单体计算模型如图5所示, 结构主要构件截面及材料如表2所示。

　　 根据《博物馆建筑设计规范》 (JGJ 66—2015) ^[2] (简称博物馆规范) 第1.0.4条, 本工程博物馆属于“大型馆”;根据博物馆规范第10.1.1条, 本工程设计使用年限为100年, 安全等级为一级。由于一般工程的设计基准期均为50年, 与设计使用年限100年不一致, 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3] (简称抗规) 、《工程结构可靠性设计统一标准》 (GB 50153—2008) ^[4] (简称可靠性标准) 对本工程计算分析过程中所采用的计算参数做如下调整:1) 结构重要性系数γ₀取1.1。2) 根据抗规第3.10.3条条文说明, 对地震作用进行调整, 调整系数取1.4;相应调整设防地震及罕遇地震的设计反应谱参数及时程分析地震加速度峰值, 具体取值见表3。3) 风荷载、雪荷载均按100年重现期取值^[5]。4) 根据可靠性标准附录A, 活荷载效应调整系数γ_L取1.1。5) 采取措施提高结构耐久性。

　　 采用YJK软件对本工程进行多遇地震下的弹性计算, 并以此作为设计依据, 同时采用PMSAP软件进行验算, 计算结果作为设计参考。两种软件计算结果见表4。

　　 由表4知, 两种软件计算结果接近, 从侧面反映结构建模与分析的正确性;结构主振型以平动为主, 周期比、层间位移角、剪重比、位移比、刚度比、受剪承载力比均满足抗规要求, 表明结构体系是合理的。

　　 采用YJK软件对结构进行多遇地震下的弹性动力时程分析, 选取7条地震波, 并依据抗规要求将每条地震波的加速度峰值调整到多遇地震地震动作用的峰值 (49gal) 。各条地震波弹性时程分析计算结果如表5所示。

　　 由表5可知, 结构在每条地震波作用下的基底剪力均大于振型分解反应谱法 (CQC法) 计算结果的65%, 基底剪力平均值大于CQC法计算结果的80%, 但不超过CQC法计算结果。同时, 对比各楼层剪力 (限于篇幅未一一列出) , 时程分析的平均值相比CQC法计算结果, 放大系数最大值仅为1.008, 二者相差不大, 对于工程设计的精度而言可忽略。因此直接取CQC法计算结果作为包络值进行结构设计。

　　 苏州博物馆西馆结构最大高度为28.5m, 结构高度未超限, 存在4项一般不规则 (扭转不规则、楼板不连续、凹凸不规则、尺寸突变) , 无严重不规则^[6]。

　　 根据结构不规则情况及结构分析计算结果, 结构设计时应采取一定设计措施保证结构安全性。

　　 针对本工程的结构特点和不规则情况, 设定结构关键部位抗震性能目标如表6所示。

　　 根据既定的性能目标对结构进行了设防地震、罕遇地震下的性能复核, 根据复核结果对结构进行了设计加强。限于篇幅, 结构相关构件的性能目标复核过程及结果无法一一列出, 计算结果表明结构构件均能满足既定的性能目标。本文仅列出罕遇地震下剪力墙剪压比验算结果, 如图6所示, 墙肢剪压比均小于规范限值0.15, 墙肢在罕遇地震下的剪压比均满足既定的性能目标要求。

　　 博物馆平面主要由10个单体连接而成, 由于连接部分楼板比较薄弱, 在地震作用下可能导致结构分裂成多个单体。为了保证结构安全性及多道抗震防线设计要求, 除上述整体结构设计外, 设计时还验算了结构分成10个单体以后各单体的整体指标, 同时为保证构件具有足够的抗震承载力, 验算构件承载力时进行整体模型与10个单体模型的包络设计。

　　 较多单体上下均通高, 在楼层处无楼面刚性板。上下通高的单体按分层模型 (通高部分按多个标准层建模) 和并层模型 (通高部分按1个标准层建模) 分别计算, 对构件稳定和承载力进行包络设计。以4#单体为例, 分层模型与并层模型如图7所示。

　　 苏州博物馆西馆结构存在4项一般不规则, 除验算结构构件抗震性能目标及进行必要的包络设计以外, 对于结构中关键部位的关键构件需进行单独验算, 以保证结构的安全性。本项目关键部位的关键构件及其设计计算措施如表7所示。

　　 限于篇幅, 表7所述关键构件的验算过程无法一一列出, 下面仅阐述楼盖舒适度的分析及4#单体墙肢稳定性的分析。

　　 本项目多数区域建筑功能为展厅, 楼盖采用普通钢筋混凝土梁板体系, 框架梁跨度较大, 约25m, 楼板跨度约5m, 楼板厚度为180mm。为了研究本项目的楼盖振动特性, 选取典型楼盖 (1#单体及2#单体二层楼盖) 作为研究对象, 其梁板布置见图3。采用MIDAS Gen软件计算楼盖的舒适度^[7]。

　　 采用梁单元模拟楼面梁, 四边形及三角形壳单元模拟楼板, 并按0.5m进行网格剖分。对于楼板同剪力墙连接处, 约束3个方向的平动位移, 释放转动约束;根据高规附录A, 阻尼比采用0.02。典型楼盖竖向振动频率如表8所示。楼盖的最小自振频率为4.48Hz, 满足高规大于3Hz的要求。

　　 采用动力时程分析方法计算楼盖振动峰值加速度, 采用国际桥梁及结构工程协会IABSE提供的步行荷载, 步行荷载频率为2.0Hz, 激励曲线见图8。

　　 基于步行频率在1.6～2.5Hz之间, 步距按0.75m, 可得到激励节点和响应节点的位置, 步行荷载 (取3×3方阵行走, 单人质量取70kg) 轨迹如图9所示。

　　 各控制点加速度曲线如图10～12所示。控制点1加速度峰值为0.134 m/s², 控制点2加速度峰值为0.030 m/s², 控制点3加速度峰值为0.050m/s²。楼盖在步行荷载下的峰值加速度满足高规对于竖向加速度不大于0.15m/s²的要求。

　　 综上所述, 楼盖竖向自振频率及加速度峰值均满足规范要求。

　　 本项目较多单体上下均通高, 在楼层处无楼面刚性板, 按照高规验算各单体墙肢的稳定性, 以4#单体为例说明验算过程及结果。

　　 4#单体墙肢编号如图13所示, 墙肢稳定性验算如表9所示。

　　 设计使用年限为100年的结构必须保证其在正常维护下具有良好的耐久性。根据《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[8] (简称混规) 第3.5节, 本工程采取以下措施保证混凝土结构的耐久性:

　　 (1) 一类环境下, 混凝土最低强度等级为C35;混凝土中的最大氯离子含量为0.06%;混凝土中碱含量不得大于3.0kg/m³;混凝土结构构件保护层较50年设计基准期提高1.4倍, 保护层厚度取值见表10。

　　 (2) 二类环境下, 根据混规规定设计使用年限100年的混凝土结构应采取专门的有效措施。本工程基础、地下室属于二类环境的构件拟采用以下措施确保混凝土结构的耐久性^[9]:1) 限制混凝土水胶比 (取0.4) 。2) 提高混凝土抗渗透能力 (提高一级抗渗等级, 抗渗等级按P10) 。3) 构件表面增加防护层使构件不直接承受环境作用:底板及承台垫层采用150mm厚C20素混凝土垫层;地下室外墙、顶板涂抹防水砂浆层并采用建筑防水。

　　 本项目采用大空间剪力墙结构体系, 根据结构不规则情况及结构特点, 设定了抗震性能设计目标, 计算分析结果表明, 结构体系及构件各项性能均能达到预定的抗震性能目标。对于结构整体设计进行了多塔及单塔模型、并层及分层模型的包络设计。对于结构关键部位的关键构件进行了单独验算。给出了设计基准期50年、使用年限100年时地震反应谱、结构设计措施以及耐久性措施。通过以上工作, 有效地保证了结构的安全性和耐久性。