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【摘要】中国黄海湿地博物馆是在原无锡高铁站的基础上改建而成。 上部结构采用框架+BRB结构，下部屋架采用大跨桁架钢筋网壳结构。
对大跨钢箱梁选型优化的简化模型进行了比较分析。 介绍了主体结构的加固方案。
结果表明：桁架钢筋网壳结构综合了桁架和网壳结构的优点，钢屋架的整体稳定性和抗连续倒塌性能较好。
与平面外墙相比，马鞍形外墙的垂直和水平挠度要大得多。 在结构设计中，充分利用桁架钢筋网壳结构和马鞍形造型的优点，实现了结构高度较小的大跨度空间。
1 项目概况
中国黄海湿地博物馆位于广东省盐城市。 该项目是盐城市原火车站改造项目，包括博物馆（约1.9万平方米）和酒店会议中心（约10.5万平方米）两个子项目。 博物馆是在原火车站的基础上重建的。 改造前的照片如图1所示，改造后的效果及完成图如图2、图3所示。本文主要讨论博物馆的结构设计。
图1 原火车站照片
图2 博物馆效果图
图3 博物馆建设规划
原火车站建于2007年，采用混凝土框架（部分铁管混凝土梁、柱）+屋顶大跨度网架结构。 原始框架模型如图4所示。
图4 原火车站混凝土框架模型
改造过程中，拆除了屋顶网架和部分混凝土框架，在原火车站结构上增加了部分钢结构，并新建了大跨度钢结构山墙。
原火车站结构按C类建筑及后续使用年限50年进行鉴定和加固。 博物馆没有地下室。 改造后地上4层，大跨钢屋架标高37.5m。 结构抗震设防烈度为7度，设计基本洪水加速度为0.10g，场地类别为IV类，设计洪水组为第三组，场地特征周期Tg=0.90s。 基本风压为0.45kN/m²，100年一遇的风压为0.55kN/m²。
2 负载选择
程序手动考虑山墙钢构件的自重，将密度放大1.1倍考虑节点重量。 其他荷载还包括：外墙静荷载（包括外墙法、吊顶等，室外区域0.75kN/m²，室内区域1.3kN/m²）、无人外墙活荷载（0.5kN/ m²）、局部幕墙荷载、风荷载、雪荷载（大于外墙活荷载）、温度效应（±30℃）、地震效应等。
大跨度结构是一种对风荷载敏感的结构。 硬度校核计算考虑100年重现期的风压，变形校核计算考虑50年重现期的基本风压。 通过物理风洞试验确定了风荷载体系数、风振系数等估算参数。 风洞试验模型如图5所示，根据试验报告，取整个山墙的风振系数为1.55。
图5 实体风洞试验模型
3 结构系统 3.1 主要结构
原火车站结构通过抗震缝分为A、B、C区三个结构单元，如图6所示。
图6 原火车站结构划分
改造后，需要对外幕墙进行整体整形。 如果主体结构仍有抗震缝，玻璃幕墙也需要被截断，这将对建筑的疗效产生很大影响。 因此，本次改造将三个结构单元合二为一，进行整体估算和分析。
将原火车站结构断缝处的双柱采用加强截面法连接成木柱，如图7所示。
图7 地震缝位置双柱连接
抗震缝外的墙体以导墙的形式连接在一起，并局部加厚以加强连接。
三个结构单元连成一体后，该工程宽度达到190m，高宽比为5.4，扭转位移比难以控制。 因此，在博物馆两端设置屈曲约束支撑（BRB），以减少结构的整体扭转效应。
原火车站框架上方的附加结构采用钢框架+BRB支撑结构，减轻结构重量，减少对原基础的荷载减量。
3.2 山墙结构的选择
桁架钢筋网壳结构在国外已有一定的应用和研究基础。 博物馆屋顶桁架的形状类似于马鞍形，有7个拱门从曲面上突出。 山墙拱带最大厚度220m，最小宽度203m，塑造出极具视觉冲击力的建筑轮廓。
山墙轴测图如图8所示，鸟瞰图如图9所示。
图8 山墙轴测图
图9 山墙俯视图
根据山墙的形状，合适的结构方案是采用格子柱来加强跨度外墙桁架，并且建筑形状严格限制了结构的高度。 拱圈截面如图10所示，根据外墙板的建造方法，拱带结构高度仅为3.3m，拱带之间的连接结构高度仅为1.4 m，如图11所示。
图10 拱环截面
图11 拱形带剖面
常规桁架结构的高度通常为跨度的1/16至1/12，而3.3m的桁架高度似乎难以满足结构受力要求，必须寻求新的解决方案。
根据建筑造型和布局，山墙有以下特点：
1）山墙呈马鞍形，可考虑山墙的拱形效应；
2）拱带较密，中心宽度9m，拱带采用板连接；
3）四侧幕墙的风荷载主要作用在内部结构上，山墙仅部分承受幕墙的风荷载；
4）拱带桁架HJ1、HJ3、HJ4（如图9所示，HJ1跨度为203m，自东向北跨度递减，HJ7跨度为220m）。 支点。
根据上述特点，考虑采用桁架钢筋网壳结构。 山墙墙三维模型如图12所示，垂直支点处剖面如图13所示。7个拱带设置7个主桁架，桁架截面为五边形，桁架高度为3.3m 。 桁架通过连接桁架和斜杆连接，形成桁架加固的单层网壳结构。
图12 山墙3D模型
图13 垂直支点处剖面
立柱设置在 HJ1、HJ3 和 HJ4 下面跨度的 1/3 处。 立柱底部和顶部铰接，立柱为摆动立柱，仅承受竖向荷载。 如图13所示，从右侧立柱算起，向左挑檐22.5m，边跨主桁HJ5、HJ6、HJ7最大跨度为220m。
大跨桁架两端为四边形格构钢柱，格构钢柱受建筑效果要求限制，不能直接采用单层网壳连接。 它们通过约6m远的单层网壳连接，如图14所示。
图14 格构钢柱连接局部模型
3.3 山墙墙结构简化模型对比分析
博物馆屋架的马鞍形造型使其在受力特性上与平面山墙有很大不同。 为了便于理解，搭建了山墙的简化模型进行试算，如图15所示。
图15 山墙简化模型
简化模型平面尺寸7.5m×15m，高5m，4个框架，框架之间设置连接梁。 梁、柱均采用截面为φ450×10的工字钢管。 外墙20个节点的竖向荷载为5kN。 4个节点的X向水平荷载分别为100kN，5个屋顶节点的Y向水平荷载分别为100kN。
M11、M12、M21、M22车型的车顶为平顶，其余四款车型的车顶为马鞍面； M11、M12、M31、M32型号柱顶采用梁直接连接，其余四种型号柱顶采用无梁直接连接； M11、M21、M31、M41的柱底为刚性连接，其他4种型号的柱底为铰接。
8个模型的变异结果如表1所示。
从表1可以看出，M31型号的三个方向的挠度最好。 与平面外墙模型M11相比，竖向挠度增加85.5%，Y向挠度增加644.0%，X向挠度增加10%。 76.3%，主要是因为外墙形状像马鞍，山墙整体呈现拱形效果。
与M31型相比，柱顶无梁连接的M41型挠度增加有限。 博物馆初步设计采用M41模型，柱底采用刚性连接。
3.4 山墙结构柱脚优化分析
在施工图设计过程中，发现格构柱4个柱脚全部刚性连接时，部分柱底部竖向拉力很大。 在1.3静载+1.5温升+1.05活载工况下，格子室内侧柱压力为单点最大压力； 室外侧柱上的拉力为单点最大拉力。 由于本工程为改造工程，新建基础面积有限，较大的拉力给基础设计带来很大的张力。 这是非常困难的。
同时，柱底只是连接，所以所有的钢柱都需要埋入基础中，基础长度加强，施工也很复杂。 因此，除东北角最低点桁架直接插入基础墩外，其余格构柱均考虑在两侧柱肢底部铰接。 拉压力集中到两侧柱腿上，如图16所示，与M42型号类似。
图 16 柱脚约束
与常规型号M11相比，型号M42的垂直和Y方向挠度仍然具有优势，但X方向挠度增加很多。 较大，且X向幕墙风荷载主要由上部主体结构承受，传递到山墙结构的X向幕墙风荷载相对较小。
将山墙模型（模型1）与刚性连接的格子柱的四个底座与两个铰链和两个空山墙的山墙模型（模型2）进行比较，发现最大压力在第二柱底部模型减小为 ，最大拉力减小为 ，与模型一相比急剧减小。
改变柱脚约束方式后，与模型1相比，模型2的竖向挠度和水平挠度必然增大。 估算模型2在1.0恒载+1.0活载条件下较模型1有竖向变形。 由269mm减少到277mm（桁架HJ7跨中位置），竖向挠度增加有限，竖向变形为277mm。 按220m跨度估算，应力为1/797。
考虑挑檐宽度为22.5m，山墙端部竖向变形为261mm。 若考虑跨度为挑檐宽度的2倍，则山墙应力许用值为1/172，不符合《空间网架结构技术规程》（JGJ7—2010）1/的要求。 3.5.1条规定的250，但考虑到活载作用下山墙端部竖向变形为39.7mm，应力为1/1133，远大于《钢结构设计标准》（—2017）的要求 B 限制的 1/500。
外墙采用防水卷材和铝塑复合板，具有较强的适应变形能力，结构荷载主要由恒载形成。 恒荷载下应力过大的问题可以通过起拱来解决。 在吸风条件下，仅考虑结构自重，不考虑外墙恒载。 山墙垂直向下变形仅为110mm，因此吸风情况下的垂直变形没有控制作用。
在模型2的X向洪水作用下，X向变型较模型1从15.1mm减小到18.6mm，减小比例为18.8%，绝对值仍然较小。
模型2在X向风荷载作用下，与模型1相比，X向变形由49.9mm减小到52.7mm，减小比例为5.6%，水平变形与结构高度之比为1/711 。
在模型2的Y向洪水作用下，Y向变体较模型1从5.8mm减小到9.6mm，减小比例达到65.5%，但绝对值仍然很小。
模型2在Y方向风荷载作用下，与模型1相比，Y方向变形从3.8mm减小到4.2mm，减小比例达到9.5%，绝对值仍然很小。
取消HJ1、HJ13、HJ14桁架下的立柱或斜柱，发现山墙应力由277mm减小到（桁架HJ7跨中位置）。 传递到桁架中间柱或斜柱。 立柱或斜柱上端采用成品铰接钢支撑，下端采用径向关节轴承与桁架连接，以满足摆柱的设计假设。
综上所述，模型2避免了格构柱一侧受拉另一侧受压的不利情况，柱脚拉力急剧减小，挠度增大但在可接受的范围内。 因此，施工图设计采用模型2，柱底设置为能承受拉、压、剪力的成品铰接钢支撑，如图17所示。
图 17 柱脚细节
4 超限判断及对策 4.1 超限判断
博物馆无地下室，下部结构翼缘位于基础顶部（标高-1.000m左右），钢屋架山墙高度37.5m，属于高层结构。
博物馆建筑面积不足²，根据《建筑工程抗震设防等级标准》（-2008）属于小型博物馆。 地震措施。
本工程结构超标情况见表2，超标量超过3处时，需进行高层结构抗震设防专项论证。
4.2 采取的举措
针对扭转不规则性，结构抗震性能设计按照性能目标D级进行，关键预制构件在D级基础上进行改进，满足中震弹性要求。 单向洪水不包括在意外偏心率中，双向洪水包括在意外偏心率中进行估计。
鉴于墙体的不连续性，采用考虑墙体弹性变形的估计模型来估计中小地震时的墙体挠度。 采用加厚墙体、增设钢筋等措施，满足洪水作用下墙体的受力要求，并加强大洞口周围梁、柱的弯矩。
针对局部不平整情况，关键预制构件按照中震弹性设计，保证结构抗震性能。 对关键预制构件截面进行加强、弯矩强化，并进行抗震性能设计。
结构的关键预制构件有：桁架HJ1、HJ3、HJ4下方的立柱或斜柱，桁架两端的格构柱，立柱或斜柱周围的桁架弦杆和角柱门楼牌坊，上部结构BRB及周边预制构件，和转移光束。
采用YJK和MIDAS两个程序对结构的风荷载和余震效应进行分析。 两个程序的模态分解反应谱法的估计结果基本一致，满足规范的要求。 采用时程分析方法对频繁发生的洪水进行分析。 结果表明，各时程曲线估算的结构顶部弯矩不大于振型分解反应谱法估算结果的65%。 顶弯矩平均值在振型分解反应谱法估计结果的89%~122%之间，估计结果为时程法平均值与振型分解法的较大值响应谱法。
在罕见洪水条件下，利用该软件对整体结构进行动态弹塑性时程分析。 结果表明，结构X、Y方向平均基础弯矩分别为49044.4kN和52570.3kN，对应的剪重比分别为21.88%和23.46%，分别为80.26%和78.50%罕见洪水弹性时程分析结果的平均值。
结构弹塑性层间位移角符合规范要求，预制构件以轻微损坏、轻微损坏、无严重或轻微损坏为主。
5 钢屋架分析 5.1 钢屋架弹性分析
钢屋架预制构件均采用Q355B工字钢管，主桁弦截面为φ328×8～φ450×10，单层网壳弦截面为φ273×6.5～ Φ450×30，格构柱弦截面为Φ450×12～Φ450×30，中跨柱或斜柱截面为Φ500×20～Φ600×30。
经估算，结构第一振型以X方向平移为主，周期为0.90s； 第二种模式以Y方向平移为主，周期为0.78s； 第三模态以X方向振动为主，周期为0.68s； 四振型以Z向振动为主，周期为0.61s。
各工况下，柱、桁架弦等主要预制构件挠度比控制在0.80以内，桁架、双层网壳等其他预制构件挠度比控制在0.85以内。
5.2 钢屋架整体稳定性分析
博物馆钢屋架为桁架筋网壳结构，由格构柱、中间柱或斜柱支撑。 考虑初始缺陷的屈曲分析和非线性全局稳定性分析。
发现在1.0恒载+1.0活载联合工况下，山墙墙一阶屈曲荷载系数为17.1，屈曲模式为HJ7面内失稳； 在1.0恒载+1.0风荷载联合工况下，山墙墙一阶屈曲荷载系数为19.7-35.4； 在1.0恒载+1.0活载+0.6风载的组合工况下，山墙墙一阶屈曲荷载系数为16.9～24.5； 1.0恒载+1.0 在活载+0.6气温的联合工况下，山墙墙体在采暖工况和制冷工况下的一阶屈曲载荷系数分别为15.6和16.5。
由于特征值屈曲分析只能得到理论条件下结构的极限稳定承载力和可能出现的屈曲模式，不能反映结构挠度的退化规律和屈曲后结构的热性能。 因此，对结构进行有效的非线性“荷载-位移”全过程跟踪分析是非常有必要的。
该钢材采用双折线本构模型，其中该段第二段的斜率为第一段的1/100。 非线性整体稳定性分析是根据一阶模态的位移施加初始缺陷，最大缺陷以结构跨度的1/300为值。 借助弦长法柱脚加固灌浆料，提取结构中位移最大的节点荷载-位移过程曲线进行跟踪。 将荷载达到的临界点作为结构的极限荷载，得到不同荷载条件下结构的荷载-位移曲线。
分析发现，在1.0静载+1.0活载的组合工况下，非线性整体稳定分析得到的稳定荷载系数小于4.44； 在1.0恒载+1.0风载的组合工况下，稳定载荷系数小于5.41； 在1.0恒载+1.0活载+0.6风载的组合工况下，稳定荷载系数小于4.57； 在1.0恒载+1.0活载+0.6气温的组合工况下，稳定载荷系数小于4.40，均满足规范规定的小于2.0的要求。
5.3 钢屋架抗连续倒塌能力分析
为了防止意外暴风雨中关键构件失效导致外墙结构连续倒塌，采用瞬态动力时程分析方法考虑关键构件失效后结构状态变化的惯性效应。
该程序用于估计，幂积分形式为显式积分。
初始载荷状态为：1.0静载荷+1.0活载荷。
根据山墙两侧格构柱、中跨柱或斜柱的荷载，以及破坏后倒塌的可能性，经过初步判断和分析，对于该建筑关键预制构件的破坏情况两个格子柱，分别进行详细的模拟解剖。
工况1为拆除HJ1的高点柱肢，工况2为拆除HJ6的低点柱肢，工况3至5分别为三个摆柱，见图18。
图18 关键预制构件失效情况
通过对山墙墙在5种破坏工况下的抗连续倒塌能力进行模拟分析，发现各工况下结构均未发生明显的发散变形； 工况1至工况4的摆柱和拱圈构件未进入塑性状态，处于弹性状态，整体结构基本完好。 部分预制构件在工况5阶段进入塑性，结构部分破坏，但应力和塑性变形均在正常范围内。
说明该结构冗余度高，在杆件意外失效的情况下仍具有较高的承载能力，不会出现连续倒塌的情况。
6 足弓足推力分析
博物馆东北部钢桁架拱直接插入基础主梁。 在1.0恒载+1.0活载作用下，水平推力比较大，达到。
拱脚基础采用钻孔灌注桩，有效桩长21.0m，桩径根据理论估算和桩试验报告。 竖向承载力特征值取水平承载力200kN。
博物馆东北角毗邻新建会议中心的地下室。 拱架的基础桩位于会议中心的地下室区域，将两个基础连接在一起柱脚加固灌浆料，抵抗水平推力，如图19所示。
图19 拱脚基础及会议中心地下室基础
考虑到桥台在水平推力作用下会发生水平变形，从而影响山墙结构的受力。 根据理论估算和试桩报告，确定桥墩的水平挠度，并在结构模型中设置弹簧支撑进行模拟。 经测算，弹簧支撑下山墙的竖向位移仅减少了8mm，拱脚水平反力由1减少到2，表明地基水平变形对山墙影响不大结构。
7 上部结构加固设计
该博物馆是一个改造工程，涉及到原有结构的加固设计。 经分析，博物馆原结构的预制构件存在以下不足：
1）部分柱轴压比超限，剪、弯承载力不足；
2）部分梁的剪、弯承载力不足；
3）墙体承载力不足。
针对上述预制构件承载力不足的情况，对于轴压比超限的柱和抗剪承载力不足的梁柱预制构件，采用减少灌浆材料截面的加固方法； 对于抗弯承载力不足的梁，柱的预制构件采用外包型钢和压花板，浇注结构胶进行加固； 针对墙体承载力不足的情况，墙体上部增设纵梁，减少板材跨度，墙体下部采用粘贴钢板加固。
8 推论
(1)桁架钢筋网壳结构结合了桁架和网壳结构的优点，实现了以较小的结构高度跨越大空间。
(2)马鞍形外墙的竖向和水平挠度远大于平面外墙，在结构设计中应充分利用其形状优势。
(3)当格构柱柱脚刚性连接且柱肢拉力很大时，可采用部分柱肢铰接、部分柱肢不倒向基础的解决方案。
(4)桁架钢筋网壳结构的整体稳定性和抗连续倒塌性能良好。
(5)当拱脚推力较大时，可与周围结构的桥台结合，共同抵抗水平推力，经济可靠。
