作者；郑晓敏
1 工程概况
青海科技馆位于西宁市海湖新区内、新区主干道五四西路以北，总建筑面积3.5万m2。建筑平面尺寸约为140m X144m，地面以上最大高度约33m。建筑包括弧形主展馆和椭球形中心展馆两部分，两者通过展廊连接。建筑整体呈现“高原明珠”造型，轻盈独特，效果如图1所示。
弧形主展馆地上从最低处的2层21m高缓慢渐变到最高处的5层33m高，中间层数为2~5层不等，主要功能为大跨度的展览空间、会议及办公等，主要柱网尺寸为(5～7)m×(11～16)m，并设有23m×26m的多功能厅，弧形主展馆的展厅部分主要层高为7~ 10m。主展馆沿弧线方向共39榀，每榀的外框架柱根据造型要求内倾或外倾渐变，倾斜角度为70°~ 89°不等；各榀框架顶部框梁位置处的建筑装饰均突出屋盖2~3m，呈子弹头造型。主展馆框架柱主要截面为800×800，框架梁截面为400×800及350×600，混凝土强度等级为C35。椭球形中心展馆长轴为80m、短轴为50m、高度为33m，主体为一层，层高33m。
本项目耐久性年限100年，建筑结构安全等级为一级，抗震设防类别为乙类，地基基础设计等级甲级。抗震设防烈度为7度(0.1g)，建筑场地类别为Ⅱ类，地震设计分组为第二组，结构重要性系数为1.1。地面粗糙度类别为B类，50年一遇基本风压为0. 35kN/m2。
为满足建筑造型及使用功能需要，弧形主展馆主体混凝土楼面以下部分采用钢筋混凝土框架结构，上部采用钢框架结构，楼盖采用普通钢筋混凝土结构，屋面采用轻钢复合板。椭球形中心展馆屋盖采用单层钢网壳结构，上设轻钢屋面板。本工程于2008年4月完成结构设计，主体结构于2011年全部完成竣工验收，现已投入使用。
2 结构选型与布置
2.1弧形主展馆
2.1.1结构选型
结构设计时进行了多方案比较，包括纯混凝土结构方案、纯钢结构方案以及钢-混凝土混合结构方案。对于纯混凝土结构方案，因不能很好地满足建筑造型及使用功能要求，建筑设计不同意采用该方案。对于钢结构方案，因结构用钢量较大，技术经济指标差，且节点设计、加工制作及施工均较复杂，也未采用。
对于钢一混凝土混合结构，主要考虑了三种形式。方案A:外框为钢结构、内部为混凝土，两者形成整体；方案B：外框为钢结构、内部为混凝土，两者脱开；方案C：主展厅混凝土楼板下部为钢筋混凝土框架结构，上部为大跨度钢框架，整体结构形式为混合结构。考虑外框钢架和内部混凝土框架整体共同受力的机制不明确，钢柱（梁）与混凝土梁板的节点
连接做法也很复杂，施工难度大、周期长，因此未采用方案A；方案B为两个完全独立的受力结构，外框架的跨度及高度均很大，结构的总造价很高，也未采用；经反复比选计算，最终采用了方案C。该方案可充分发挥混凝土和钢材各自的优点，能很好地满足结构受力需要，结构造价相对较低，且能很好地满足建筑造型及功能需要。
2.1.2结构布置
主展馆平面呈弧线形，最大直线长度达144m．外侧弧线最大长度达266m，平面形状不规则，建筑高度及层数渐变。为满足结构受力要求并尽量减小温度应力，在适当位置设置防震缝，见图2。由图可见，设缝后整个建筑分为4部分，各单元的结构形式、高度较为一致，较好地解决因办公区层高不一致带来的错层问题，其整体性及规则性也相对较好，结构分析结果更易满足《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)（简称抗规）的要求。分缝后，主要楼层结构平面布置见图3和图4，结构径向典型框架立面布置见图5。由图3～5可见，各结构单元内部相对均高大空旷，除2层楼板较为完整外，3，4层楼板均缺失较多，造成楼板局部不连续，对楼板传递水平力及结构抗震不利，为此需要采取相应的设计措施。
(1)采用下部为混凝土上部为钢结构的混合结构方案，尽量减小构件截面，减轻上部大跨度结构的重量，从而减轻地震作用。同时，上部外框钢柱采用变截面箱形，钢柱下插一层形成钢骨柱，一方面加强上部钢结构与下部混凝土结构的连接构造，另一方面通过对钢骨柱相关梁板加强形成对空旷及楼板缺失部分的加强。钢柱上部截面随大跨度梁截面变化，并与屋面框梁采用圆弧连接，使结构受力及构造均做到平滑过渡，并满足建筑造型需要。另外，由于屋面次梁设在屋面框梁的下翼缘位置，为满足屋面梁的整体稳定性要求并与钢柱平顺过渡，各榀屋面钢框梁也采用箱形截面，使结构的整体受力较好。
(2)楼盖结构采用普通现浇钢筋混凝土梁板体系，在洞口附近设置边梁，并适当增加开洞处的楼板厚度和配筋。在开洞后形成的较窄楼板处，均适当加大板厚并按双层双向配筋，同时适当增加梁侧配筋，以提高整体平面外刚度和强度。
(3)通过反复调整梁柱截面，控制结构的扭转效应，保证楼层在考虑偶然偏心的情况下最大弹性水平位移与两端弹性水平位移平均值控制在1.4以内。同时，结构构件设计配筋时采用符合楼板平面内实际刚度变化的弹性板模型，并考虑扭转的影响。
(4)在建筑功能允许的前提下适当增加柱截面，适当增加柱纵筋及箍筋的配筋率，以保证柱构件的承载力及延性。
2.2椭球形中心展馆
椭球形中心展馆为一空旷的大空间，设计时反复比较了双层网壳及单层网壳方案，结果表明，采用单层网壳结构体系能很好地满足建筑造型及受力需要。单层网壳支承在6. OOOm标高的钢骨混凝土环梁上，节点采用直接相贯节点，屋盖采用金属轻屋面板，局部采用玻璃屋面，屋盖下不设吊顶，尽现结构轻盈之美。中心展馆与其余部分之间设防震缝，以满足受力需要。
对单层椭球网壳的网格划分比较结果表明，标高28m下部采用葵花三向网格，标高28m以上比较平缓，为便于网格划分并满足受力要求，采用扇形三向网格，顶部8根杆交汇于一点，网格尺寸控制在3m左右，见图6。在28m标高以下，均为水平环向构件贯通，其余构件与水平环梁直接相贯连接。在28m标高以上，首先是径向构件贯通，再水平构件贯通，其余构件均与之直接相贯焊接。在顶节点处为短向径向构件贯通。在网壳底部，由于建筑使用功能需要，设置了两处12m×6.5m左右的开洞，在该部位对开洞附近的杆件进行了局部加强。单层网壳屋盖大部分杆件截面为口200×10，材质采用Q345C。
3 基础设计
设计时详细比较了桩基础方案及筏板基础方案。根据地勘报告，基础下有较厚的湿陷性黄土，且土层厚度较大，达4~5m左右，按《湿陷性黄土地区建筑规范》( GB 50025-2004)要求需进行地基处理，处理工程量大；另外由于柱距较大，柱网不均匀，筏板也较厚，部分位置配筋很大，筏板的工程量也较大。因此经比较并与勘察单位一起咨询分析，最终采用了大直径人工扩孔桩基础。
考虑湿陷性对建筑地面的影响，对建筑范围内无地下室底板的房心土部分进行了换填处理，处理要求为采用1：9灰土对建筑地面下土体进行换填，换填厚度不小于1m，并根据现场开挖的实际情况进行调整，换填土的压实系数不小于0. 95。
4 结构计算分析与设计
4.1弧形主展馆
4.1.1整体分析
弧形主展馆主体结构采用SATWE（2005版）软件进行方案优选比较及结构整体分析。采用SPAS软件建立了精确的空间模型，采用PMSAP软件进行多遇地震下的弹性时程分析和包络设计。分析时考虑扭转耦联效应和双向地震效应。
由于弧形主展馆平面不规则，结构内部空旷，楼板整体工作性能较差，且建筑物布置与水平方向有一定角度。因此设计时还按每15。进行了斜向地震的受力分析。结构分析模型如图7所示（各结构单元拼一起）。以弧形主展馆C为例，结构主要分析结果见表1。
由表1可见，SATWE与PMSAP两种软件计算出来的结果比较吻合。由于采取了各种有效措施，结构平面不规则带来的扭转效应得到了有效控制，结构在两个方向的刚度比较接近；各项指标均满足抗规的要求，选用的结构方案及优化调整后的结构布置受力性能较好。
4.1.2温度效应分析
由于弧形主展馆平面尺寸大，即使分缝后，外侧弧线最大长度仍达88m，超过《混凝土结构设计规范》( GB 50010-2002)设置伸缩缝长度要求较多，且考虑西宁地区日夜温度差较大，结构温度应力不能忽视。整体分析完成后，采用PMSAP（2005版）软件对结构的温度应力定量分析的计算结果表明，温度效应最大主要作用在2层混凝土楼面上，2层梁轴力较大，并在该层两侧端柱产生较大的弯矩。对于2层以上梁柱，由于柱端约束刚度相对减小，且屋盖标高逐渐变化，温度应力相对小得多。在升温15℃工况下，最大轴力发生在弧形主展馆C的2层外侧梁处，梁轴向拉力最大值为107kN。弯距最大值也发生在该段柱底，在降温- 25℃工况下，弯矩最大值分别为My= 213 kN·m，Mz=243 kN·m。由于结构产生的温度内力较大，设计时在板中适当布置了温度筋，并对温度应力大的梁柱加强配筋。
4.1.3弹塑性静力推覆分析
为考察结构在罕遇地震下的抗震性能并发现本工程可能存在的薄弱部位，采用EPDA（2005版）软件对结构进行弹塑性静力推覆分析。以弧形主展馆C为例，按最不利方向角计算得到的结构需求谱曲线、周期一加速度曲线（能力曲线）以及周期一最大层间位移角曲线如图8所示。
由图8可见，弧形主展馆C按最不利方向角计算得到的结构最大弹塑性层间位移角分别1/176，满足抗规小于1/50的要求。出现塑性铰的部位为下部楼层的梁两端及个别柱顶，在钢骨段及顶层框架梁两端均未出现塑性铰，说明本工程结构选型合理，采取的结构布置及设计加强措施到位，结构具有较好的整体性及地震作用下的安全性。
4.1.4单榀框架分析
由于结构径向各榀外框架柱均为内倾或外倾的斜柱，个别倾斜角度达70°，对结构受力有一定的影响，且大部分顶部均为大跨单榀钢框架，最大跨度达40m，下部为2～4跨的大跨混凝土框架，跨度最大达25m，各榀框架间的联系较弱。设计时，除根据此特点采用上部为钢结构、下部为混凝土结构的混合结构方案，充分发挥钢和混凝土的材料优势外，还对典型径向框架按单榀框架进行了计算分析，并与整体模型的分析结果比较进行承载力包络设计，以保证结构的安全。分析结果表明：对下层柱，按单榀分析比按整体模型分析结果大10%~20%，对于楼层梁，单榀分析结果比按整体模型分析结果大20%~30%。因此，进行单榀分析是非常有必要的。
4.2椭球形中心展馆
4.2.1椭球形单层网壳整体分析
椭球形中心展馆单层网壳屋盖采用SAP2000软件进行结构的有限元整体计算、稳定分析以及带初始缺陷的几何非线性分析等，采用MST2006进行校核。计算时，网壳构件采用梁柱单元，各构件节点均为刚接，支座采用固定刚接支座假定。分析结果表明：屋盖结构的整体性很好，由于屋盖最下部网格杆件锚固在钢骨混凝土环梁上，球壳屋盖的嵌固条件较好，对屋盖结构的受力十分有利。
在竖向荷载作用下，该单层椭球壳的构件受力特点是：杆件内力以轴力为主，弯矩很小，基本为竖向杆件受压，水平杆件受拉，且从上到下各层杆件轴力逐渐增大，大部分水平杆件的轴力较竖向杆件的轴力大，说明水平杆件的环箍效应明显，故设计时下部水平杆件贯通。
屋盖结构的前10阶自振周期如表2所示，前4阶振型如图9所示。由表2及图9可见，单层球壳的自振周期较小且比较密集。网壳前2阶分别为以X，y向水平振动为主的整体振型，然后是2个以竖向振动为主的整体振型，接着是以大开洞附近振动为主的局部振型。这说明网壳的整体性还是很好的。另外，由各阶振型图可见，由于网壳下部混凝土框架高达6m，其侧向刚度较差，因此均参与到各主要整体振型中，这也说明下部结构对屋盖的影响是不可忽略的。
在地震荷载作用下，网壳基底X，y向的地震剪力分别为2 032，2 261kN，剪重比约为12%，13%。有效质量参与系数分别为92. 5%，91. 2%。在地震作用下，球壳顶部节点X，y向的位移分别为8mm和4. 4mm，层间位移角分别为1/4 125和1/7 500，说明网壳的水平刚度较大。在竖向荷载作用下，网壳最大位移为9. 2mm，相对变形量仅为1/5 434，远小于1/400，说明网壳的竖向刚度较大，可满足《网壳结构技术规程》( JGJ 61-2003)（简称网壳规程）的要求。考虑椭球形中心展馆屋盖跨度较大，设计时考虑了竖向地震力的影响，除程序自动计算竖向地震力外，人工添加了5%的重力荷载代表值作为竖向地震力。
不考虑初始几何缺陷，采用SAP2000对球壳进行了整体屈曲计算，初设屈曲荷载为竖向恒载，屈曲系数为20.1，满足网壳规程的要求，表明网壳的整体性很好。
根据第1阶屈曲形态，考虑最大偏差为1/300，即167mm的初始缺陷进行考虑几何非线性的整体分析，得到的整体稳定系数为5.4，满足网壳规程的要求。考虑初始缺陷的整体稳定分析得到的最大水平位移达540mm，竖向位移达280mm，说明初始几何缺陷对结构受力的影响非常大，施工时应该充分减少安装加工等各种初始缺陷的不利影响，确保结构安全。
4.2.2构件设计
根据上述内力分析结果，采用SAP2000自带的规范校验功能进行构件的详细设计，包括强度和稳定检验，长细比、宽厚比等构造要求校验，确保构件承载力、变形、稳定性等满足设计要求。杆件的计算长度系数按网壳规程确定，对大开洞位置周边构件，则根据连接杆件的相对刚度关系确定。对应力过大者，重新调整局部杆件布置或构件截面尺寸。
5 结语
青海科技馆弧形主展馆采用了下部为钢筋混凝土框架、上部为大跨度钢框架的混合结构体系，该体系有较好的受力性能，既满足结构受力要求，又能很好地满足建筑功能及造型需要，并取得了较好的经济性指标。设计时建立了精确的空间模型，进行了详细的计算分析并采取了相应的设计措施。大跨度椭球形中心展馆屋盖采用了矩形钢管单层钢网壳结构体系，节点采用直接相贯节点。采用SAP2000对结构进行整体计算、整体屈曲分析和带初始缺陷的几何非线性分析。结果表明初始几何缺陷对结构受力的影响非常大，施工时应该充分减少安装加工等各种初始缺陷的不利影响。
6[摘要] 青海科技馆主展馆平面为大曲率的弧线形，建筑层数、层高、建筑高度及跨度从建筑一端到另一端连续变化，建筑外立面向内外两侧倾斜，形状不规则，造型独特。弧形主展馆采用了下部为钢筋混凝土框架、上部为大跨度钢框架的独特的混合结构体系。椭球形中心展馆长轴80m、短轴50m、高33m，跨度及高度均为国内罕见，采用节点直接相贯的矩形钢管单层钢网壳结构体系。整体结构设计很好地满足了建筑功能造型需要并取得了较好的经济性指标。
