特別不規則結構的計算分析
——以馬尾物聯網會議中心結構為例

陳克用

(福建眾合開發建筑設計院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

隨當今社會建筑技術提高，大量型式形態各異的建筑不斷涌現，也相應產生了各種體系不規則結構，但對于特別不規則結構仍需補充必要分析驗證，找出結構的薄弱部位并采取相應措施予以加強，以確保結構安全。基此，本文以馬尾物聯網會議中心結構為例，探析特別不規則結構的計算。

1 工程概況

福州馬尾物聯網項目位于福州馬尾快安，為福州市重點工程，其中會議中心單體為3層多層結構，建筑面積7700 m2，建筑高度17.80 m。結構平面約64 m×38 m呈L形狀。目前，該項目已經建成投入使用。其二層結構平面如圖1所示，三層結構平面圖如圖2所示，效果圖如圖3～圖4所示。

圖1 二層結構平面

圖2 三層結構平面

圖3 會議中心外立面實景圖

圖4 會議中心室內實景圖

2 設計參數

該工程設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，風荷載按50年重現期取0.7 kPa,地面粗超度取B類。工程所在場地地震烈度為7度，地震分組為第三組，場地土類別為三類。結構計算阻尼比為0.05。

3 結構設計

由于該工程建筑內部功能變化和外立面需要，相應結構不規則項較多。具體有：躍層斜柱、平面凹凸不規則、平面開大洞。

基于上述情況，該工程結構采用兩種軟件(YJK和邁達斯Building)進行小震分析，在常規多遇震反應譜分析基礎上，補充了彈性時程分析和平面樓板。

應力性能分析對結構平面內剛度進行評估，樓板中大震下滿足結構材料應力要求；同時，以施工全過程完成后內力結果作為初始荷載狀態，補充罕遇地震靜力彈塑性分析，以滿足大震不倒的性能水準要求。

4 結構體系及計算結果分析

4.1 結構體系

該工程上部采用現澆鋼筋混凝土框架結構，主要柱距為8000 mm×8400 mm，其中，西南側二層標高處因室內挑空開大洞形成西側一列結構為躍層斜柱，傾斜角為11.2°，最大躍層高度為13.4 m，躍層斜柱采用型鋼混凝土組合圓柱形式。同時，平面東北側兩根大框架躍層柱凸出平面也伴有開大洞，同時還形成L形不規則平面的多種因素組合結構不規則。

4.2 小震計算結果

基于2個不同軟件的多遇震分析，結果如表1所示。

表1 多遇地震分析結果

表1分析結果顯示，兩個軟件結果相近，結構指標可接受；在多遇地震下，各指標結果均小于規范限值。

4.3 彈性時程[2]補充分析

該工程基于特征周期Tg=0.65s前提下，并滿足選波頻譜特性、時程波有效持續時間和有效峰值原則，選取兩條天然波Coalinga-03_NO_392 (Tg=0.64)、TH1TG065(Tg=0.65)和一條人工波ArtWave -RH1TG065(Tg=0.65)進行彈性時程補充分析，規范譜與反應譜對比圖如圖5所示。

圖5 規范譜與反應譜對比圖

從圖5中曲線結果可知，3條時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，相差小于20%，符合規范中統計意義上相符的要求；時程分析結果如表2～表3所示。

表2 時程分析結果與反應譜比較(方向0度)

表3 時程分析結果與反應譜比較(方向90°)

表2～表3結果顯見，每條時程曲線計算所得基底剪力均介于振型分解反應譜法的65%～135%之間，且3條時程曲線計算所得基底剪力平均值介于振型分解反應譜法的80%～120%，故，所選的各條波均滿足規范要求，且3條波包絡值小于反應譜值，說明采用振型分解反應譜法計算結構包絡時程分析結果，小震分析采用振型反應譜結果。

4.4 樓板中震應力分析

為了保證結構有效地協調豎向構件的變形，結構各抗側力構件之間仍能協同工作，各豎向構件可靠地傳遞分配地震剪力至關重要。為此，針對二～四層結構平面開大洞，進行了設防烈度地震彈性和大震不屈服樓板應力分析。

經分析，設防烈度地震作用下結構樓板應力最大值為1.043 MPa，均能滿足C30混凝土材料抗拉強度標準值ftk=2.01 MPa，結構仍屬于彈性范圍。在X向罕遇地震作用下四層局部應力最大值高達2.399 MPa，Y向罕遇地震作用下四層局部應力最大值高達2.24 MPa，均超過ftk=2.01 MPa，如圖6～圖7所示。而二層5軸交C軸處樓板平面出現內陰角，應力集中明顯，樓板在大震作用下，X向應力突增高達1.99 MPa，如圖8所示。

圖6 四層樓板大震(X向)應力

圖7 四層樓板大震(Y向)應力

圖8 二層樓板大震(X向)應力

為此，通過上述樓板應力云圖，結構在罕遇地震作用下，對二層局部應力突變較大處和四層樓板應力超過材料強度限值處，局部樓板板厚由原120 mm加厚至150 mm，并采取雙面雙向配筋，控制配筋率不小于0.25%方式予以加強。

4.5 結構罕遇地震的PUSHOVER分析[1,3-7]

結構在地震反應中的側向位移是最能反映結構整體性能的一個重要指標性參數。根據《抗規》1.0.1條規定：當建筑物遭受高于本地區抗震設防烈度的預估的罕遇地震影響時不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞，結構在較大的地震作用下某些部位要發生屈服，從而結構的工作狀態會從彈性過渡到彈塑性，隨著塑性的發生和發展，結構的反應性能會發生改變，需要考慮結構進入非線性狀態的地震反應分析。而推覆分析是一種在不同水準的地震作用下，以結構頂部側向位移作為整體抗震性能判據的靜力非線性分析方法。

該工程采用通用有限元軟件MIDAS/Building，在塑性鉸設置方面，各框架梁設置了彎矩鉸，在框架柱端設置了軸力彎矩鉸(PMM鉸)，推覆荷載分別按X向和Y向的第一模態形式及加速度分布形式加載。該初始荷載為1.0恒載+0.5活載，并按采用位移控制法對結構進行推覆，得到的能力譜和需求譜曲線如圖9所示。

圖9 PUSHover曲線

從推覆分析結果來看，罕遇地震下結構X向頂點位移最大值為130.7 mm，最大層間位移角為1/109，結構等效阻尼為12.2%；Y向頂點位移最大值為108.9.7 mm，最大層間位移角為1/133，結構等效阻尼為12.1%；均滿足規范對罕遇地震下的變形限值要求。

通過能力譜曲線可以看出，結構達到性能點時，性能點以上曲線處于上升段，還具有上升的能力空間,有一定的安全儲備，結構能保證大震不倒的性能要求。

同時，根據圖10～圖11結構在性能點時對應出的鉸狀態可知，在罕遇地震作用下，結構僅少數柱出現塑性鉸。基此，考慮在躍層斜柱柱腳出現塑性鉸，結構采取躍層斜柱中增設型鋼加強措施，以保證該關鍵構件的承載力。

圖10 性能點對應柱出鉸狀態

圖11 性能點對應梁出鉸狀態

5 結論

(1)多項不規則多層框架結構在反應譜分析基礎上，應對結構不規則具體情況作有針對性的補充分析。

(2)該項目樓板開大洞，較大程度削弱了樓板平面內剛度，進行樓板應力分析，并對局部應力加大處和薄弱部位進行有針對性加強，可控制樓板有效協調豎向構件的變形。