免責聲明：本文來自建築結構《南京美術館新館結構設計》作者：朱偉1， 張新英， 趙友清等，版權歸原作者所有，本次僅用于分享！

摘要］ 南京美術館新館建築外形獨特，結構存在平面不規則、豎向不規則、大懸挑等超限情況。介紹了該工程采用的結構體系，設計過程中的技術難點、解決方案和采取的針對性措施，通過多種計算分析軟件對結構進行了中震、大震計算，樓蓋舒适度，防倒塌設計，節點有限元等專項分析。結果表明: 本工程結合建築元素所采用的組合筒體－斜柱-鋼桁架混合結構具有良好的受力性能，能夠達到既定的抗震性能化目标。

［關鍵詞］ 鋼桁架; 鋼闆混凝土剪力牆; 鋼管混凝土斜柱; 混合結構; 性能化設計; 舒适度分析; 防連續倒塌

南京美術館新館位于南京市江北新區的核心區，在石佛大道與萬壽路交叉口西側，南至萬壽路，東鄰石佛大道，北側和中央公園相鄰。建築創意取材于大山大水，寓意“雲中山水，寫意江北”。新館主要由“一館三中心”構成，“一館”為美術館，是南京美術館新館的基本功能部分; “三中心”是南京美術館新館可經營部分，包括藝術品展示拍賣中心、實驗影像藝術中心和公共教育培訓服務中心。該館定位為國家公益一類美術館，項目總用地面積約3. 5 萬m2，總建築面積約9. 7 萬m2，整體效果圖見圖1。

本工程地下2 層，層高分别為4. 0m 和6. 0m，地下室平面尺寸為136. 50m×198. 60m，主要建築功能為停車庫、設備用房和庫房。地上5 層，1 層主要由藝術培訓教室、報告廳以及劇場等功能區組成，建

築标高為±0. 000m; 2 層為架空層樓面，局部商業，主要建築功能為美術館主入口和交流區，建築标高為6. 600m; 3 層無具體功能，僅保留豎向構件，建築标高為12. 600m; 4 層、5 層的建築标高分别是18. 600m 和25. 200m，主要功能為展覽大廳、辦公用房和會議室等，建築的西南側設有夾層，用作畫家工作室; 主屋面标高31. 800m，為上人種植綠化屋面; 中央大廳部分的屋面标高43. 350m。建築平面總體呈現不規則的回字形，外輪廓尺寸為147. 46m×103. 29m，内開洞尺寸為102. 80m×38. 00m。回字形平面中間為中央大廳，在樓層标高處通過條形連廊與主體連接。中央大廳的外圍護及屋頂均采用玻璃幕牆，底部平面尺寸約為43. 90m×28. 30m，從下到上逐步收進，玻璃頂高出周圍屋面。5 層結構平面布置圖見圖2，建築剖面圖如圖3 所示。

主體結構設計使用年限50 年，耐久性設計滿足100 年的要求。抗震設防類别為重點設防類，建築結構安全等級一級，地基基礎設計等級為甲級。拟建場區的抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度為0. 10g，設計地震分組為第一組。根據地勘報

告，場地類别為Ⅲ類，設計特征周期為0. 45s。基本風壓ω0 = 0. 40kN/m2( 50 年重現期) ，地面粗糙度為B 類。基本雪壓S0 = 0. 65kN/m2( 50 年重現期) 。南京地區月平均氣溫: 最低－6℃，最高37℃。

本工程主體采用組合筒體-斜柱-鋼桁架混合結構，2層以上僅通過4 個筒體和10 根圓鋼管混凝土斜柱作為豎向構件支撐起整個上部結構。4 層以上的平面形狀呈回字形，由大跨度桁架、懸挑桁架及周圈環形桁架構成; 在桁架的上下弦，即4 層和屋面層設有水平支撐，其與豎向桁架一起構成了穩定的空間桁架體系。中央大廳采用框架結構，由下至上呈逐漸縮小的梯形，其中正立面有兩根大傾角斜柱，并利用兩側的樓電梯間增設了部分框架柱，中央大廳分别在18. 600m 和25. 200m 标高與主體有細長形連廊拉接。2 層架空層采用混凝土框架結構，根據建築造型柱網呈不規則布置，其頂闆亦随建築起伏采用結構找坡。上部結構拆分示意如圖4所示，架空層與主體結構的關系見圖5。

上部結構的嵌固位置設在地下室頂闆面，圓鋼管混凝土斜柱均向下伸至基礎頂面，圓鋼管柱在地下室範圍内外包成鋼管混凝土疊合柱。鋼闆剪力牆亦伸入地下室，四角的鋼端柱插入承台。根據場地條件，4 個筒體下部采用樁筏基礎，筏闆厚度2. 5m，承壓樁樁徑1 000mm; 其餘部分按防水闆設

計，厚度為600mm，柱下設直徑800mm 的抗拔樁( 兼承壓) ，承台厚度為1 600 ～ 2 400mm。樁端持力層為⑥－2中等風化泥質粉砂岩，樁長約61m。基礎平面布置圖見圖6。

3. 1 超限情況和判别

根據《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點》( 建質〔2015〕67 号) ［1］有關規定，本工程存在扭轉不規則、樓闆不連續、剛度突變、承載力突變、其他項不規則，共計5 項不規則項，屬于特别不規則的特殊類型高層建築，具體判别見表1。

3. 2 超限應對措施

針對本工程不規則超限問題，依據《建築抗震設計規範》( GB 50011—2010) ( 2016 年版) ( 簡稱抗規) 、《高層建築混凝土結構技術規程》( JGJ 3—2010) ( 簡稱高規) 和相關資料［2-3］主要采取如下技術措施:

( 1) 鑒于結構造型獨特、模型複雜，故有必要采用兩種不同的分析軟件分别建立計算模型，對比各荷載作用下的計算結果，以相互驗證力學模型的可靠性。

( 2) 因建築功能複雜，錯層、降闆、斜闆等情況普遍，計算整體參數指标時宜抓大放小，隻在主要标高( 架空層樓面6. 600m，頸縮處12. 600m，桁架下弦樓面18. 600m，桁架中弦樓面25. 200m，桁架上弦屋面31. 800m) 上設定樓層，部分構件按層間構件建模。構件設計時補充增加樓層定義的計算模型，按包絡設計考慮。

( 3) 鑒于中央大廳與外圍連接較弱，設計時取整體模型和剔除中央大廳的模型進行包絡設計; 中央大廳也按整體計算和單獨驗算取包絡。

( 4) 因存在大跨大、懸挑結構，抗震設計時須充分考慮豎向地震作用; 懸挑部位按最不利荷載進行複核。

( 5) 因本結構屬于複雜高層且豎向不規則，采用彈性時程分析法進行小震下的補充計算，與振型分解反應譜法的計算結果取包絡。

( 6) 根據性能化設計要求，進行中震和大震作用下的構件驗算，加強薄弱部位，補齊短闆。

( 7) 對斜柱進行屈曲分析，校核其計算長度系數。

( 8) 進行大震彈塑性時程分析，驗證結構整體抗震變形和塑性發展規律是否滿足性能化設計要求。

( 9) 對結構進行整體屈曲分析，檢驗結構整體穩定性。

( 10) 補充大跨、大懸挑部位樓蓋的舒适度驗算，采取必要的減振措施。

( 11) 由于結構存在樓闆開大洞、局部連接較弱等情況，采用薄殼單元模拟樓闆，對洞口周邊和細長形樓闆進行精細化分析，超長結構考慮溫度作用，根據結果采取相應的加強措施。

( 12) 進行防倒塌設計，提高結構的抗災性能。

( 13) 對結構重要部位( 桁架與筒體的連接處)補充節點有限元分析，确保關鍵節點在中震、大震作用下的安全性。

3. 3 結構抗震性能目标

針對超限情況，參照抗規的條文說明，依據本工程的抗震設防類别和結構特點，綜合超限審查專家組的意見，結構抗震性能目标設定為C 級，各類構件具體的抗震性能目标如表2 所示。

4. 1 結構振動特性

本工程屬于特别不規則的大跨度複雜結構，結構計算時必須考慮豎向地震作用，特征值分析采用多重Ｒitz 向量法，計算54 階振型，有效質量參與系數達90%以上。PMSAP 和MIDAS Gen 模型的前6階平動振型基本一緻，兩種軟件的前3 階平動振型對照如圖7 所示。按應變能排序的前6 階豎向振型也基本一緻，前3 階對照如圖8 所示。

對比分析結果可以看出，結構主要振型模态基本一緻，前3 階振型分别為Y 向平動、X 向平動和整體扭轉; 結構的第1 扭轉周期與第1 平動周期之比小于0. 85，滿足規範要求。兩種軟件計算的豎向振動頻率基本一緻，豎向質量參與系數

大于90%。此可判定計算模型的分析結果準确、可信。

4. 2 小震補充彈性時程分析

彈性時程分析時按建築場地類别、設計地震分組，選用5 組天然波和2 組人工波進行時程分析。時程分析所得的基底剪力符合規範的限定要求，彙總結果如圖9、圖10 所示。時程分析得到的樓層剪力，在X，Y 兩個方向均小于CQC 法計算得到的樓層剪力，故CQC 法得到的計算結果較為安全，設計時可不進行調整。

4. 3 中震等效彈性分析

中震作用下，對除了普通樓闆和次梁以外的其他構件進行了承載力驗算，關鍵豎向構件滿足抗剪和抗彎彈性; 關鍵水平構件按彈性設計; 普通豎向構件按不屈服設計; 筒體外牆連梁滿足中震不屈服的抗震性能化目标。

由于4 個筒體承受了上部絕大部分的豎向和水平荷載; 通過對中震作用下牆肢應力進行統計發現，大部分牆肢受壓，但有少量出現拉應力，最大拉應力為1. 19MPa，小于混凝土抗拉強度設計值。鑒于上述情況，綜合考慮性能化設計要求，為提高筒體的延性，同時确保鋼桁架的内力在筒體内可靠傳遞，筒體外牆按700mm 厚鋼闆混凝土剪力牆進行設計，混凝土強度等級為C45，内置鋼闆厚度t =30mm，材質Q345GJC，在參考和借鑒國内鋼闆剪力牆的相關研究［4-6］後，鋼闆混凝土剪力牆構造做法如圖11 所示，施工現場見圖12。

支撐上部桁架結構的10 根斜柱傾斜方向和角度各不相同，最大傾斜角度約為30°，采用圓鋼管混凝土柱，直徑1 200mm，壁厚40mm，材質為Q345GJC，内灌C45 無收縮自密實混凝土。在中震作用下，按彈性設計。考慮到2 層以上存在兩層通高情況，計算長度遠大于其他樓層，後文有對斜柱計算長度進行專項分析。斜柱柱頂按鉸接設計，布置成品球型鉸支座，斜柱頂端節點做法如圖13所示。

鋼桁架在中震作用下按彈性設計，地震組合内力調整系數取1. 0; 荷載分項系數、材料分項系數及抗震承載力調整系數均與小震彈性分析相同; 材料強度采用設計值，中震下水平地震影響系數最大值αmax = 0. 23; 不考慮風荷載; 桁架杆件的最大應力比控制在0. 8 左右。

4. 4 大震承載力驗算和彈塑性時程分析

4. 4. 1 大震作用下筒體承載力驗算

根據性能化設計目标，采用PMSAP 有限元軟件驗算鋼闆剪力牆在大震作用下的牆肢内力( 計算采用等效彈性方法，阻尼比取0. 06，連梁剛度折減系數取0. 3，特征周期為0. 50s) 。表3 給出了其中

一個筒體外牆( 圖14) 的抗剪驗算結果。由表3 可以看出，筒體外牆肢抗剪符合截面控制條件，抗剪承載力均大于地震剪力設計值，滿足性能化設計要求。

4. 4. 2 大震作用下彈塑性時程分析

采用MIDAS Gen 對結構進行大震作用分析，選擇2 組天然波和1 組人工波，采用三向地震輸入，地震波加速度峰值主次向按1 ∶ 0. 85 ∶ 0. 65 輸入。結構在大震作用下的彈塑性反應及破壞機制，符合結構抗震工程的概念設計要求，能夠達到預期的抗震性能目

标。層間位移角曲線見圖15，主要分析結論如下:1) 根據大震作用下的變形和塑性鉸發展趨勢，可以判斷結構計算模型合理; 2) 大震下樓層最大層間位移角X 向為1 /177，Y 向為1 /122，未出現明顯薄弱層，滿足規範要求; 3) 大震下計算樓層最大基底剪力與小震下基底剪力比為4. 69 ～ 5. 70，在合理範圍内; 4) 大震作用下筒體剪力牆、連梁的塑性發展次序、程度及分布規律合理( 圖16) ，符合概念設計要求( 剪力牆塑性鉸模型中未考慮内置鋼闆的作用) 。

4. 5 專項分析

4. 5. 1 舒适度分析

上部桁架結構的最大軸線跨度54m，最大懸挑超過22m，前3 階豎向振動頻率為2. 48，2. 50，2. 98Hz( 分布在三個不同區域) ，均小于3. 00Hz，根據高規須驗算峰值加速度。采用MIDAS Gen 進行樓闆舒适度計算，考慮三組随機人行激勵荷載模型，其中一組人行激勵荷載施加位置如圖17 所示。

通過計算得出，結構樓層在人行荷載激勵下的加速度最大值為0. 069 4m/s2，小于0. 15m/s2，滿足規範限值要求。由于前兩階振動頻率接近快速行走頻率，補充分析了多人齊步行走的不利工況，在加大個别大跨次梁截面高度後，樓蓋舒适度可滿足規範限值要求。

4. 5. 2 斜柱屈曲分析

鑒于支撐上部桁架的10 根圓鋼管混凝土斜柱所承擔的荷載較大，傾斜角度也較大，兩層通高且柱頂通過球型鉸支座和桁架連接，設計時斜柱對計算長度十分敏感。安全起見，參照相關研究［7］對其進行了專門的屈曲分析，得到其第1 階屈曲模态( 圖18) 和對應的特征值，根據歐拉壓杆穩定公式反算每根斜柱的計算長度le

式中: μ 為計算長度系數; L 為杆件長度; E 為材料彈性模量; I 為截面慣性矩; Pcr為失穩臨界力。

經計算，斜柱的計算長度系數μ＜1. 0。施工圖設計時斜柱的計算長度統一取地下室頂闆面至桁架底的實際長度。

:4. 5. 3 包絡設計

圖19 展現了中央大廳在各樓層标高與回字形主體結構的關系，考慮到中央大廳與周邊的連接較為薄弱。主體結構按照是否剔除中央大廳分别進行了計算。因中央大廳部分為純框架結構，去除中央大廳後使得主體結構周期略有減小，對主體結構的振動特性影響不大，前後對比見表4。

通過計算得出，剔除中央大廳後主體結構的周期比、層間位移角和變形等主要設計參數均滿足規範要求。施工圖設計時采用包絡設計，确保結構相關構件安全可靠。

中央大廳也按整體計算和單獨驗算取包絡值，各項關鍵指标均滿足要求，此處不再贅述。

4. 5. 4 防倒塌設計

整個上部桁架體系主要依托下部4 個筒體和10 根圓鋼管混凝土斜柱，因此有必要對結構的防倒塌能力進行評估。根據《建築結構抗倒塌設計規範》( CECS 392 ∶ 2014) ［8］的相關規定和國内學者的研究成果［9-10］，采用拆除構件法對結構進行抗連續倒塌分析: 選定了3 根各自區域内受力最大的斜柱，具體見圖4( d) 主體結構部分。

相關作用區域考慮動力放大系數2. 0，對剩餘結構進行彈性靜力分析，剩餘結構構件的承載力均滿足規範要求。

4. 5. 5 樓闆分析

樓闆在整個結構中，除了承受和傳遞本層豎向荷載，還起到把水平力傳遞和分配給豎向抗側力構件，協調變形的作用。本工程由于下部主要抗側力構件為4 個彼此獨立的筒體，因此加強樓闆的平面内剛度，使其将水平作用合理地分配給各個筒體，就顯得尤為關鍵。基于上述原因，在設計時考慮在桁架的上下弦杆所在樓層增設水平支撐，如圖20 所示。驗算結果表明，設置水平支撐後可提高上部結構的整體性，并有效降低樓闆在水平荷載作用下的局部應力。

4. 5. 6 節點有限元分析

桁架與筒體的連接節點是本工程最為關鍵的連接部位，為确保該部位的可靠連接: 首先，設計上在筒體四周設置了方鋼管混凝土端柱，通過端柱的過渡，可以讓鋼桁架的内力可靠地傳遞給剪力牆;其次，按整體分析的計算結果: 取中震下最不利組合( 1. 2 恒載 0. 6 活載 1. 3 水平地震作用 0. 5 豎

向地震作用) 的杆件内力，采用ABAQUS 軟件對關鍵節點進行有限元分析( 不考慮組合結構中混凝土的有利作用) ，節點應力雲圖如圖21 所示。

根據計算結果，節點最大應力為284．8MPa，小于材料的屈服強度( 300MPa) ，滿足中震彈性的抗震性能化設計要求。

施工階段為确保鋼桁架的焊接質量，加快建設周期，在地下室頂闆施工完成後，在頂闆面鋪設胎架，進行上部鋼桁架的拼裝，拼裝完成後在4 個筒體及2 個臨時提升塔架的周圍布置29 個提升點實施同步整體提升，提升到位并卸載後再進行上部樓闆澆築工作。根據相關規定，對該提升方案進行了專項施工方案論證。整個施工階段分析采用SAP2000和MIDAS Gen 兩種軟件計算并相互驗證校核，對局部構件采取了必要的臨時加固措施。采用計算機同步控制及傳感檢測系統确保整體提升的同步性。

為保證提升過程中結構的安全，在桁架主要受力構件、2 個臨時提升塔架、提升支架以及地下室擡柱位置共計布置了231 處應力應變監測和45 處位移監測，主要設備有全站儀、振弦式應變計、壓差式靜力水準儀等。整個監測系統由傳感器、數據采集系統、配套設備及監測軟件構成，傳感器和采集器之間通過屏蔽信号線連接，一起通過光纖轉換接入工控機，監測人員可在工控機終端控制儀器同步采集數據，當超過預警閥值時( 閥值根據構件設計承

載力結果、施工模拟分析結果并結合工程實際情況确定) ，将及時報警，确保安全。

南京美術館新館主體結構為大跨度複雜結構，根據獨特的建築外形和結構動力特性，合理選擇結構體系，根據構件的重要程度，設定相應的抗震性能化目标，通過精細化設計、專項分析，使得整個結構高效合理，抗震性能良好，達到既定目标。

本工程自2018 年12 月開始施工，于2019 年9月完成整個地室施工，2019 年11 月完成4 個核心筒施工，2019 年12 月底完成整體提升，随後上下同步施工，上部進行樓闆施工，下部架空層施工。已于2020 年5 月底完成主體結構施工，結構封頂，目前進入室内外裝修階段。

［1］ 超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點: 建質〔2015〕67 号［A］． 北京: 中華人民共和國住房和城鄉建設部， 2015．

［2］ 楊學林．複雜超限高層建築抗震設計指南及工程實例［M］．北京: 中國建築工業出版社， 2014．

［3］ 北京市建築設計研究院有限公司．BIAD 超限高層建築工程抗震設計彙編［M］． 北京: 中國建築工業出版社， 2016．

［4］ 組合結構設計規範: JGJ 138—2016 ［S］．北京: 中國建築工業出版社， 2016．

［5］ 郭蘭慧，馬欣伯． 鋼闆-混凝土組合剪力牆［M］．北京:科學出版社， 2013．

［6］ 孫建超，王楊，孫慧中，等． 鋼闆混凝土組合剪力牆在中國國家博物館工程中的應用［J］． 建築結構，2011，41( 6) : 14-19．

［7］ 傅學怡．實用高層建築結構設計［M］．2 版．北京: 中國建築工業出版社， 2012．

［8］ 建築結構抗倒塌設計規範: CECS 392 ∶2014［S］．北京:中國計劃出版社， 2015．

［9］ 顧祥林，印小晶，林峰，等． 建築結構倒塌過程模拟與防倒塌設計［J］． 建築結構學報，2010，31 ( 6) :179-187．

［10］ 周健，崔家春． 結構抗連續倒塌設計規範和方法比較［J］． 建築結構， 2015， 45( 23) : 98-105．

免責聲明：本文來自建築結構《南京美術館新館結構設計》作者：朱偉1， 張新英， 趙友清等，版權歸原作者所有，本次僅用于分享，如涉及侵權，請聯系删除！

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