平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

單敏

摘 要 現(xiàn)代建筑設(shè)計中，由于建筑使用功能上的需要，及建筑效果上的要求，樓板上開大洞的現(xiàn)象屢見不鮮。從而引起樓板削弱，造成建筑平面不規(guī)則，形成超限工程，這在設(shè)計中要特別注意。本文結(jié)合工程實例，針對樓板開大洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程、加強(qiáng)措施、超限抗震審查等一一闡述，供業(yè)內(nèi)人士參考。

關(guān)鍵詞 樓板開洞；平面不規(guī)則；超限；抗震；樓板應(yīng)力

前言

根據(jù)目前的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范[2]》（GB50011-2010）中規(guī)定的抗震設(shè)防目標(biāo)，即小震不壞、中震可修、大震不倒，利用三水準(zhǔn)二階段的抗震設(shè)計原則，在小震（多遇地震）下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的截面強(qiáng)度計算和設(shè)計，在大震（罕遇地震）下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的薄弱層變形驗算，來控制和達(dá)到預(yù)期的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

樓板和屋蓋是結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，除承擔(dān)樓層面豎向荷載外，還擔(dān)負(fù)著連接各豎向構(gòu)件形成空間結(jié)構(gòu)的重要作用。在地震時是傳遞水平地震作用的主要構(gòu)件，因此其水平剛度對結(jié)構(gòu)的抗震性能影響很大。

但是在平面復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，由于樓板的凹進(jìn)凸出，錯層或開洞面積過大，樓板在其平面內(nèi)無法保證無限剛度的模型假定，就必須采用能真實反映樓板空間工作特性的結(jié)構(gòu)模型，防止部分抗側(cè)力構(gòu)件因承擔(dān)過多的水平剪力和變形，較早進(jìn)入塑性變形甚至破環(huán)狀態(tài)，造成結(jié)構(gòu)的安全隱患；同時由于樓板的凹凸不規(guī)則性和開洞影響，在樓板的陰角（薄弱處）出現(xiàn)樓板的開裂或局部破壞，因此對薄弱部分的樓板應(yīng)進(jìn)行加大板厚和加強(qiáng)配筋的設(shè)計，達(dá)到抗震設(shè)防三水準(zhǔn)的要求[1]。

1 工程實例

工程實例為上海外高橋物流園區(qū)二期3#地塊商檢查驗場地及配套用房，建于上海外高橋物流園區(qū)。配套用房為地下一層，地上八層的建筑。地下一層為汽車停車庫，層高3.550m；地上一層層高3.900m，二層層高3.600m，三至八層層高3.500m，室內(nèi)外高差0.600m，建筑面積16746.20m2。建筑長57.300m，寬42.700m，建筑總高29.100m。

該工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，場地特征周期為0.9s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。場地類別屬上海IV類。基本風(fēng)壓為0.55KN/m2。采用框架結(jié)構(gòu)，抗震等級為二級。基礎(chǔ)采用筏板+樁基礎(chǔ)的形式，樁型為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。

由于該建筑樓、屋面板多處開大洞，具體表示如下：

①二層由于建筑報檢大廳上空，樓板開大洞，有效樓板寬度為該層樓板典型寬度的40%，小于該層樓板典型寬度的50%，開洞面積占樓面面積的28%； ②四、五、七層由于建筑陳列中庭上空，開洞面積占樓面面積的16%；③八層由于建筑陳列中庭上空及大會議室上空，開洞面積占樓面面積的38%，大于該層樓面面積的30%。④屋面層由于建筑設(shè)置玻璃頂棚，開洞面積占樓面面積的20%。

因此，該建筑屬于平面不規(guī)則類型，為一項結(jié)構(gòu)超限。

2 結(jié)構(gòu)分析

由于該項目房屋總高度為29.1m，為高層結(jié)構(gòu)，故配套用房屬于平面不規(guī)則的超限高層建筑。根據(jù)建設(shè)部第111號令、建質(zhì)[2010]109號文件、滬建[2003]702號文件的要求，應(yīng)對該樓進(jìn)行超限高層初步設(shè)計抗震設(shè)防專項審查。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）第3.6.6條第3款的要求，對于該超限工程，我采用了兩個不同的、適合于結(jié)構(gòu)實際受力情況的有限元計算分析程序，采用了振型分解反應(yīng)譜法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震作用下的整體分析。具體如下：

①SATWE—高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與計算軟件（中國建筑科學(xué)研究院編制）；②PMSAP—特殊多高層建筑結(jié)構(gòu)有限元分析與計算軟件（中國建筑科學(xué)研究院編制）。

分別采用SATWE和PMSAP進(jìn)行了整體分析計算，取前18個振型，考慮雙向地震作用及扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)作用，采用CQC法計算扭轉(zhuǎn)與平動振動的偶聯(lián)反應(yīng)，以反映扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的動力增大作用。在抗震計算時，按規(guī)范進(jìn)行活荷載折減，地震作用方向分別取沿各抗側(cè)力構(gòu)件方向。主要計算結(jié)果整理分析如下：

2.1 振型分析

前3個振型的結(jié)構(gòu)自振特性基本參數(shù)列于表1。兩個程序都表明了第一、第二振型都是以平動分量為主，第三振型則以扭轉(zhuǎn)分量為主。并且以扭轉(zhuǎn)為主的第三周期與以平動為主的第一周期的比值不超過0.90，滿足規(guī)范要求。

2.2 剪重比

表2給出了SATWE和PMSAP計算所得出的基底地震力與建筑物總重量之比值，滿足規(guī)范要求。

2.3 水平位移反應(yīng)

SATWE的計算結(jié)果最大值是1/589，PMSAP的計算結(jié)果是1/566，均能滿足抗震規(guī)范要求的地震作用下1/550的限值。扭轉(zhuǎn)放大效應(yīng)SATWE 計算結(jié)果為1.17和1.18、PMSAP的計算結(jié)果為1.06和1.08，均小于抗震規(guī)范中1.5扭轉(zhuǎn)的限值，亦小于1.2倍的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則判別的限值。

2.4 軸壓比

兩個程序都顯示了計算結(jié)果在適用范圍以內(nèi)。地下一層框架柱的最大軸壓比為0.72，滿足規(guī)范要求。

2.5 彈塑性變形分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性變形分析，均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.6 綜合評價

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》精神，該工程的結(jié)構(gòu)體系存在著平面不規(guī)則的情況，這可能會形成結(jié)構(gòu)在地震作用下的薄弱部位。我充分地認(rèn)識到了這一點，對該工程進(jìn)行了詳細(xì)的分析計算。通過計算結(jié)果的分析比對，我們得到了結(jié)論如下：

（1）結(jié)構(gòu)體系是合理的。計算分析的結(jié)果表明，本工程的結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。彈性分析、彈塑性變形分析的結(jié)果都說明，結(jié)構(gòu)設(shè)計完全滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的各項指標(biāo)要求。

（2）SATWE 、PMSAP兩個程序的計算結(jié)果，盡管在數(shù)值上略有區(qū)別，但其規(guī)律性是一致的。都顯示了第三周期是一階扭轉(zhuǎn)周期，而且在前三個振型中，平動和扭轉(zhuǎn)振動之間基本上沒有耦聯(lián)發(fā)生。盡管如此，分析中還是采用CQC法計算了扭轉(zhuǎn)與平動振動的偶聯(lián)反應(yīng)，以充分反映高階振型中的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)動力增大作用。以扭轉(zhuǎn)為主的第三周期與以平動為主的第一周期的比值控制在0.90以內(nèi)，因此扭轉(zhuǎn)分量對整個結(jié)構(gòu)的水平位移反應(yīng)的作用是很小的。該建筑不屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的范疇。

3 樓板應(yīng)力分析

根據(jù)該項目的超限高層建筑初步設(shè)計抗震審查報告的要求，須對該樓的第二、八層進(jìn)行多遇地震下樓板應(yīng)力分析，控制樓板的主拉應(yīng)力在多遇地震下小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，基本烈度地震下板內(nèi)鋼筋不屈服。對于超限高層建筑結(jié)構(gòu)的樓板進(jìn)行設(shè)防烈度下的應(yīng)力分析，是保證結(jié)構(gòu)達(dá)到小震不壞、中震可修、大震不倒的三水準(zhǔn)目標(biāo)的重要措施。因此我利用ANSYS軟件進(jìn)行分析，得到如下應(yīng)力計算結(jié)果。

3.1 重力荷載代表值作用下樓板應(yīng)力分布

二層樓板的主拉應(yīng)力最大值為4.45MPa，八層樓板的主應(yīng)力最大值為3.38MPa，均分布在該層的邊沿和角落處。

3.2 多遇地震及重力荷載組合作用下樓板應(yīng)力分布

由于樓板的應(yīng)力最大值僅出現(xiàn)在樓板的局部區(qū)域，考慮將二層和八層樓板分塊。

（1）根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，二層樓板最大應(yīng)力為10971.9KPa，現(xiàn)樓板配筋為Φ16@100雙層雙向，板厚為140mm，鋼筋滿足最大應(yīng)力下的配筋要求。

As=10.9719x1000x140/400=3840mm2

（2）根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，八層樓板最大應(yīng)力為8105.97KPa，現(xiàn)樓板配筋為Φ14@100雙層雙向，板厚為140mm，鋼筋滿足最大應(yīng)力下的配筋要求。

As=8.10597x1000x140/400=2837mm2

（3）樓板應(yīng)力均由鋼筋來承擔(dān)，混凝土應(yīng)力小于ft，因此本次設(shè)計滿足樓板應(yīng)力的分析結(jié)果[3]。

4 結(jié)束語

對于平面復(fù)雜結(jié)構(gòu)我們要嚴(yán)格控制各項計算指標(biāo)，確保以扭轉(zhuǎn)為主的第三周期與以平動為主的第一周期的比值控制在0.90以內(nèi)，確保有效質(zhì)量系數(shù)達(dá)到90%以上，周期比、剪重比、軸壓比均符合規(guī)范要求。并加強(qiáng)樓板配筋，和洞口周圍梁柱的剛度和配筋，加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。

平面復(fù)雜結(jié)構(gòu)只要采取有針對性的合理的構(gòu)造措施和計算措施，結(jié)構(gòu)設(shè)計能達(dá)到抗震設(shè)防“小震不壞、中震可修、大震不倒”的目標(biāo)，確保結(jié)構(gòu)的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] GB50223-2008.建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] JGJ3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社2010.