地震模擬振動臺實驗室結構設計淺析

桑永良 張雪蓮

（江蘇信息職業技術學院 214153）

1 工程概況

擬建工程場地位于蘇州高新區濱河路西側、何山路南側，蘇州科技學院江楓校區內，±0.000對應的八五高程為2.900m。本工程為地震模擬振動臺的實驗室，建筑總面積約4201.69平方米。其中三層附屬用房高度為10.5米，平面尺寸為60.0米×7.4米，橫向為7.5米×8跨，與實驗大廳連為一體；一層試驗大廳高度為23.9米、平面尺寸為75.2米×36.0米，縱向為10跨，兩端跨為7.6米，中間跨為7.5米，排架柱在附房樓層標高處、15.4米處及屋面處由框架梁連接；橫向即為排架方向，中間跨柱在屋面由鋼梁連接，同時在15.4米處設置牛腿，上有吊車梁，承載兩臺吊車，分別為75噸和30噸；兩端抗風柱在附房樓層標高、15.4米處及屋面處由框架梁連接，另有一層配電房高度4.8米，與實驗室主體脫開。實驗室內部為震動臺，設置在地下-5.770米標高處，四周由隔振溝將震動臺與周邊土體隔開。下圖是建筑的平面和剖面圖：

結構二層平面布置圖

框排架計算簡圖

2 設計過程及計算結果

該項目位于蘇州市高新區，本地區抗震設防烈度為 6度，建筑結構安全等級為二級，主體設計使用年限為 50年，根據《建筑抗震設防分類標準》[4]（GB 50223-2008），建筑抗震設防類別按丙類，設計基本地震加速度值為 0.05g，設計地震分組是第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期0.45s。由于內部有地震模擬振動臺，工作時產生的振動效應會對建筑本身及周邊建筑造成影響，故該建筑的設防要求需慎重考慮，根據《液壓振動臺基礎技術規范》(GB 50699-2011)及同濟大學、東南大學專家組的意見，本工程宜按 8度抗震設防設計；依據試驗大廳使用特點按如下條件進行包絡設計：(1) 參數方面（總信息、周期、位移），本實驗大廳建筑抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，地震影響系數αmax=0.08，特征周期0.45s。其中混凝土框架和排架柱抗震等級為（提高至）二級；鋼梁抗震等級為（提高至）三級）；(2) 結構配筋方面，考慮實驗大廳使用特點，抗震設防烈度為 7度，地震影響系數 αmax=0.23，特征周期0.45s，即按7度中震彈性性能化設計；(3)本實驗大廳為較規則的輕鋼屋面框排架結構，排架部分按平面排架設計；采用參數,抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第一組，特征周期0.45s，考慮水平和豎向地震作用；其中混凝土框架和排架柱抗震等級為二級；鋼梁抗震等級為三級復核位移及配筋。

設計時為減小設計工作量，施工圖前期對兩種抗震情況進行比較，因為 8度小震不屈服的地震影響系數為0.16，而7度中震彈性的地震影響系數為0.23，所以預估7度中震彈性的計算結果較大，而后整體建模進行試算。

從計算結果看出，7度中震彈性時二層③軸、④軸上梁在?端負彎矩處配筋計算值為分別為16和25，而8度小震在對應梁兩個位置12和18，比較其它位置及其余層均有7度中震彈性計算結果大于8度小震的結果，與預判一致，所以在施工圖期間采用前者計算結果進行設計，這樣減小了工作量又保證了結構的安全可靠的性能。

在結構形式包絡設計上，考慮到該工程結構空曠，跨度大，在樓層中間無結構聯接，屋面又是鋼結構連接較為薄弱，所以結構整體性較差，故對實驗室整個設計過程分為兩個步驟：第一步按照排架結構（PK）計算，其中包括：1、對實驗大廳單獨排架建模計算，2、對附房單獨排架建模計算，3、對實驗大廳及附屬用房聯合建模計算，比較以上三個排架模型的計算結果取大值。第二步對整個框排架結構，按照空間模型建模(SATWE)計算，得出縱向框架梁及抗風柱間的混凝土梁進行配筋。根據以上排架和框架兩種計算結果包絡設計。

在第一步設計時，由于橫向跨度較大，為控制排架柱頂的位移，需將柱做大，這樣會增大結構自重及材料費用，對結構合理性及經濟性都不好，故將排架柱設計成雙柱，中間用混凝土梁連接，這樣即減輕了結構的自重又增大了排架柱的側移剛度，且在兩柱間空隙可以設置平臺用作走道檢修。現將第一步的三個排架的計算結果表述如下：實驗大廳排架外側柱底配筋最大值為 1928mm2，附房排架模型外側柱底配筋為1786mm2，大廳與附房聯合排架模型外側柱底配筋為1574mm2，從以上計算結果看出，大廳與附房聯合時柱底計算配筋均小于兩個分開的模型，這是由于聯合模型增加了結構的贅余度，同時也增強結構的整體效應，柱底計算彎矩結果小于單個模型結果，配筋值也相應減小。因此，如果按照整體建模則不能發現單個模型的問題，故按照上面三種情況先對PK模型進行包絡設計，保證結構設計的安全性。而后按照整體空間模型，用SATWE計算，結果顯示，中間榀柱單邊配筋為 1700 mm2，小于排架包絡的計算結果，建筑端榀柱單邊配筋為 3300 mm2，大于排架包絡的計算結果，按照包絡設計思想，對中間榀柱單邊按照PK計算結果，對端榀柱單邊按照SATWE計算結果。

在雙柱中間設置的框架梁由于會受到水平荷載作用，且該梁跨高比較小，該梁受力狀態已不能完全按照一般框架梁配筋，需對該梁配置斜向鋼筋，具體如下詳圖；在計算時，由于抗風柱截面較寬（第一層為900mm，以上各層為800mm寬），梁寬為 250mm，梁邊與柱外邊齊，梁偏心超出柱寬的四分之一，所以需對梁與柱交界處進行加腋處理，而中間橫梁處需要斜向鋼筋加強，以保證橫梁的安全性。

3 結論和建議

1、設計工作中所遇到各種情況，在沒有針對性理論和直接解決辦法時，可采取包絡設計的方法，既對工程的各種情況逐一考慮，既考慮到局部連接失效的情況，又考慮到整體連接有效的情況，保證建筑物在各種情況下都具有抵抗地震的能力和足夠的安全儲備；

2、對于工作中對建筑物本身產生地震影響的情況，建議邀請該方面的專家組對抗震烈度及相關措施給出建議，保證建筑的結構的安全性、合理性和經濟性。