张江科学会堂——复合减震技术在复杂形体中的创新应用

张江科学会堂位于上海市浦东新区张江科技园区，是面向国际的科技论坛、交流、会务和展示的活动场所。建筑犹如一块岩石浮出地面，屋面标高从西南角的0m顺时针盘旋上升到西南角的最高点约49m，整个屋面形成从地面到屋顶的连续观景平台。

图1 张江科学会堂效果图

图2 张江科学会堂南立面

图3 张江科学会堂建筑功能布局

考虑本项目超长、跨度大、转换结构及荷载重的特点，主体采用钢结构方案。钢结构方案有以下优势：

图4 复杂形体的结构选型

主会场上方叠加F2至屋面的楼层，为避免影响主会场大跨度无柱空间的使用，同时考虑满足主会场的净高的要求，结合外立面，采用巨型桁架（TRUSS1和TRUSS2）转换。主会场北侧转换桁架TRUSS1，左侧转换柱柱顶标高只能升至17m标高，同时因室外空间使用要求，建筑师要求左侧大斜腹杆不能与转换柱柱顶直接连接，否则影响空间使用，将该桁架斜腹杆向下移动，形成折形桁架。

主会场及多功能厅为大跨度无柱空间，其中主会场跨度为68m，设置大跨桁架TRUSS3。为提高桁架的效率和降低屋盖面层的重量，结合屋面的找坡方向和坡度（3%），采用结构找坡，大跨桁架TRUSS3采用变高度的桁架，桁架两端高3.3m，中间高4.3m。

图5桁架平面布置

图6转换桁架布置图

图7南侧转换桁架现场施工

主体结构体系采用钢框架-支撑结构，形成双重抗侧力结构体系。框架柱结合建筑柱网和空间需求设置，布置在大空间的周围和普通空间的轴网处。框架柱采用钢管柱，主会场周边的四个转换框架柱内填充高强混凝土。

支撑设置在建筑的竖向交通核及设备用房的周边，避免对建筑功能和布局的影响。支撑与框架形成支撑筒，考虑整体结构质量分布不均匀，各区域刚度需求不一致，南侧设置5个支撑筒，北侧设置3个支撑筒，尽量减少质心与刚心的偏心，减少扭转效应。为控制结构的刚度在合适范围，部分支撑采用屈曲约束支撑。

图8 抗侧力结构布置图

图9 支撑筒体构成 

 图10 屈曲约束支撑

图11 黏滞阻尼器

张江科学会堂采用混合减震技术，由屈曲约束支撑和黏滞阻尼器组成，改善结构性能，实现“双提双减”——提高结构抗震性能、提高结构抗震韧性，减小扭转效应，减小温度效应。

屈曲约束支撑在小震下提供一定的刚度，中震及大震下屈曲约束支撑屈服耗能减震。黏滞阻尼器提供附加阻尼比，在小震、中震、大震作用下耗散地震能量，提高主体结构的抗震性能。

图12 地震下阻尼器滞回曲线

表1 阻尼器耗能及附加阻尼比

图13 罕遇地震下地震能量耗散分布图

屈曲约束支撑和黏滞阻尼器在地震发生时吸收主要的能量，保护主体结构，减小主体结构损伤。地震后，这些耗能元件可以在不影响建筑实用功能的前提下更换，大大提高建筑抗震韧性。

屈曲约束支撑代替普通支撑，除了耗能之外，还可以根据各区域结构的需求，提供适度的刚度，实现结构刚度均匀分布，减小结构扭转效应，结构扭转位移比控制合理的范围之内。

图14 结构扭转位移比

黏滞阻尼器代替普通支撑，小震即可耗能减震，降低结构刚度需求，结构可以设计得更柔，温度效应可减低36%。

表2 是否采用减震技术结构的温度效应对比

转换桁架TRUSS1由于建筑布置要求，端部出现转折，分别考虑中震弹性和强节点弱杆件工况，对该部位进行精细有限元分析，验证节点受力满足安全要求。

（a）中震弹性工况        （b）强节点弱杆件工况

图15 TRUSS1桁架端部精细有限分析

张江科学会堂结构具有超长，大跨、长悬挑、转换结构以及刚度质量分布不均匀等特点。结构遵循建筑形体和功能布局，选择钢框架-支撑结构，并创新性采用复合减震技术，通过精细分析和精心设计，从而实现复杂形体建筑拥有优越的结构性能。

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