多層建筑的超限結構設計

馬俊杰

摘要：隨著我國近幾十年經濟的高速發展，社會的進步，人們現在對生活品質的追求也越來越高。而建筑常常被比喻為凝固的音樂，建筑師要求其作品不僅僅是滿足基本的使用功能，而且要有創造性的風格，能夠表達其設計理念及思想。并且我國城市化進程發展至今，土地越來越稀缺，地塊也經常出現不規則、狹長、凹凸變化復雜的情況，這些偶爾也對建筑的規則性有一定影響和限制。此類造型新穎的建筑物，很容易出現了各種結構設計不規則的情況。雖然很多情況下這類建筑是多層結構，但這些建筑基本上是建筑面積大、人員密集、使用頻率高的重要建筑，因此其不規則情況依然需要引起我們重視。多層建筑的不規則判別與高層建筑的判別原則相同，但控制指標可結合工程具體情況有適當放松，具有多項不規則時，需要進行抗震專項論證。基于此，本篇文章對多層建筑的超限結構設計進行研究，以供參考。

關鍵詞：多層建筑;超限結構;設計方法

引言

當前，我國社會的主要矛盾是人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展不之間的矛盾。人民日益增長的美好生活需要，其中就包括了開始追求更高層次的教育與文化娛樂的需求。本文以湖北省交通投資集團有限公司與某央企共同合作投資的文旅項目為例，對此類建筑的設計流程及注意事項進行討論總結，包括不規則情況進行分析，對抗震薄弱部位進行加強，對多層超限建筑進行補充計算及分析等，供同類型的建筑參考。

1.多層建筑的超限結構設計分析

1.1項目概況

本項目位于湖北省恩施市土家族苗族自治州方家壩，東側為恩施許家坪機場，北側為恩施火車站，西側以山峰為主，南側靠近市區。打造集活力中心、室外水樂園及IP主題樂園、九龍山麓等為一體的旅游商業綜合體的大型項目。其中的飛行影院為大型懸臂式的球幕影院，分裸眼2D和3D 立體兩種觀影模式。其動感座椅會被提升到半空中，游客雙腳懸空面垂直于地面，面對大型球幕，動感座椅會模擬飛行過程中的加速和俯沖，游客則跟隨鏡頭飛翔，感受全方位的沉浸式體驗。飛行影院為地下一層，地上五層的框架結構，如圖所示。建筑高度為22米，總建筑面積為3298平方米。其中一層主要為排隊區域，二層為預演區域，二至四層為觀眾觀影區。標準層平面主要由觀眾區與球幕安放區域構成，球幕為一個直徑為23米的半球體，半球豎向徑切面自負一層豎立至屋面，因此，球幕安放區平面位置自二層樓面至屋面均需做大開洞處理。

飛行影院采用少墻框架結構，框架抗震等級為四級，剪力墻抗震等級為三級。結構設計使用年限為 50年。抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度值0.05g，設計地震分組為第一組，場地類別II類，特征周期0.35s。本項目位于山坡等抗震不利地段，地震放大系數按1.2考慮。本工程基礎采用樁承臺加防水板，樁采用直徑600mm的旋挖灌注樁，樁基設計等級為乙級。樁端持力層為3-2層中風化粉砂巖，勘察場地20m深度范圍內沒有飽和砂土或飽和粉土層分布，故不考慮地基土的地震液化。

1.2工程重、難點分析

a、飛行影院位移比（1.28）大于1.2，屬于平面不規則中的扭轉不規則。結構布置的不對稱、不規則造成平面質量中心與剛度中心不重合，將導致水平地震作用下結構的扭轉，會加重結構的破壞，結構及構件的抗扭能力位較弱，將導致結構的明顯破壞。

b、本項目因需要布置巨型球幕，需要在多處樓板開大洞，如三層開洞面積為420平方米三層樓面面積為1350平方米，開洞面積大于該層樓面面積的30%，屬于平面不規則中的樓板局部不連續 。

c、頂層屋面部分出屋面的構架存在梁抬柱的情況，豎向抗側力構件的內力由水平轉換構件向下傳遞，豎向抗側力構件不連續 。

d、躍層柱，西側由于布置巨型球幕的需要，形成了三根躍層柱。

e、外包裝荷載大，因本項目的龍之谷主題樂園裝飾效果需要，在結構主體的屋面及外墻部位設置主題包裝。外墻建筑結構荷載按立面展開面積進行預留，每平方米按3.75kN考慮。屋面建筑結構荷載按屋頂平面展開面積進行預留，每平方米按3.75kN考慮。

f、坡道斜板剛度大，本工程主要功能為球幕影院，豎向交通主要依靠在建筑三面設置的Z字形斜坡道板。其跨度較大，人流集中。

1.3采取的抗震加強措施

a、扭轉不規則。本項目因平面大開洞造成的東西兩側剛度分布不均勻。為滿足規范對位移、剛度的要求，需增加抗側力構件截面才能實現對結構指標的控制。因此，圍繞平面剛度被削弱的洞口周邊以及建筑物的角部，在適當的位置設置了6道剪力墻，經計算對比，剪力墻的設置減小了結構的位移，同時也增強了結構的抗側剛度，降低了結構的扭轉效應。扭轉位移比由原來的1.57下降到設置剪力墻后的1.28。周期比由原來的0.9下降到設置剪力墻后的0.85。

b、樓板局部不連續。對于樓板局部不連續的情況，本項目將洞口周邊的樓板設置為彈性板，并將洞口周邊相關區域樓板厚度修改為150mm;大洞周邊梁寬度加至400寬，箍筋加強并增設抗扭鋼筋;相關區域樓板板配筋雙層雙向，配筋率提高至0.25%，使其在多遇地震作用下混凝土主拉應力不大于抗拉強度標準值，并按中震不屈服復核樓板配筋;相關區域樓板位于框架梁角部配置1.5米寬45度斜向雙層鋼筋網。

c、梁抬柱。多層結構梁上抬柱的梁不同于JGJ3-2002第10.2 節的框支梁，局部梁抬柱，一般不作為框支結構考慮，但應采取構造加強措施。控制轉換梁轉換梁截面高度不宜小于計算跨度的1/8;梁截面寬度不應小于其上所托柱在梁寬方向的截面寬度。沿腹板高度配置腰筋，其直徑不宜小于12mm、間距不宜大于200mm;轉換梁縱向鋼筋接頭宜采用機械連接，同一連接區段內接頭鋼筋截面面積不宜超過全部縱筋截面面積的50%，接頭位置應避開上部墻體開洞部位、梁上托柱部位及受力較大部位;并且宜雙向設梁。

d、躍層柱。對于形成的這幾根柱躍層柱，將其抗震等級由四級提高至三級。且由于存在長短柱并存受力狀態，對躍層柱進行整體屈曲穩定承載力分析，并按同層普通柱的最大剪力復核長柱抗剪承載力，保證截面及配筋滿足要求。采取相應抗震加強措施：采用井字復合箍筋，箍筋全程加密。控制柱軸壓比小于0.65。提高縱向鋼筋配筋率不小于1%。

e、外包裝荷載大。對于這種外包裝荷載較大的情況，本工程中墻體盡量使用輕質材料、簡化樓面面層設置的方法，盡可能的降低結構自重。

f、坡道斜板剛度大。由于本項目坡道斜板剛度較大，對于結構剛度的影響不可忽略，所以將坡道按實際輸入分析模型中。并且將坡道板設置為彈性板，加大板厚，板鋼筋雙層雙向拉通。

1.4超限結構設計的計算及分析論證

a、多遇地震作用下結構分析

本工程采用盈建科YJK及PKPM-SATWE 兩種分析軟件對結構整體分析進行對比。從主要結果可以看出，兩個軟件分析結果相近，數值上的差異在工程允許范圍之內，各樓層不同指標曲線也基本吻合，可以判定計算假定及分析模型相對準確，其計算結果也比較可靠，對于關鍵構件在配筋計算時，對兩個軟件的計算結果進行包絡設計。YJK計算結果：周期T1=0.5949s T2=0.6586s Tt=0.5106s 周期比Tt/T1=0.85剪重比X向=2.55% Y向=2.29% 最大層間位移角X向=1/1900 Y向=1/2363 最大位移比X向=1.24 Y向=1.28。SATWE計算結果：周期T1=0.6002s T2=0.6611s Tt=0.5125s 周期比Tt/T1=0.85剪重比X向=2.58% Y向=2.32% 最大層間位移角X向=1/1884 Y向=1/2322 最大位移比X向=1.26 Y向=1.29。

b、多遇地震作用下的彈性時程分析

本工程將采用YJK進行多遇地震作用下的彈性時程的分析作為多遇地震反應譜計算的補充。分析選用同本場地匹配的地震周期的2條天然波和1條人工波。天然波和人工波加速度時程曲線的有效時長均滿足不小于建筑結構基本周期的5～10倍且不小于15 s。地震波采用雙向輸入，主方向、次方向的峰值加速度按照 1∶0.85 的比例調整。

第1號塔包絡值（主方向最大值： 1/1510， 次方向最大值： 1/2884）; 第1號塔平均值（主方向最大值： 1/1835， 次方向最大值： 1/3496）? ;第1號塔CQC結果（主方向最大值： 1/1901， 次方向最大值： 0.00）。

第1號塔包絡值（主方向最大值： 1587.36，次方向最大值： 1638.72）;第1號塔平均值 （主方向最大值： 1430.07， 次方向最大值： 1259.34）;第1號塔CQC結果（主方向最大值： 1786.92， 次方向最大值： 0.00）。

彈性時程分析得出以下結論 ：（1）每條時程曲線計算所得的結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%且不大于135%，3條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%且不大于120%，因此選用的地震波滿足規范的相關要求。（2）地震作用下的樓層剪力無明顯突變，均可滿足規范要求，未顯示明顯的結構薄弱層。（3）彈性時程分析的底部剪力結果均小于反應譜結果，故樓層地震剪力不必放大。綜上所述，判斷本結構體系可行。

c 、設防地震作用下構件驗算

本工程分別采用“中震彈性”及“中震不屈服”兩種方法對結構進行設防地震下的彈性近似計算，以保證結構在中震作用下達到“中震可修”的性能狀態。中震彈性方法地震影響系數按小震的2.8倍取值，同時取消了內力調整系數，保留荷載分項系數和抗震承載力調整系數，材料強度按設計強度取值;中震不屈服設計地震影響系數按小震的2.8倍取值，去掉了所有的安全度，可以近似看作是中震彈性設計的承載能力極限狀態，在取消內力調整系數的基礎上，進一步取消荷載分項系數及承載力抗震調整系數，且材料強度取為標準值。施工圖中取中震與小震結果包絡值進行構件配筋。

d、樓板應力分析

樓板應力分析的一般要達到以下性能目標。小震不裂，一般控制小震下混凝土核心層不開裂;中震不屈服，中震按承載能力極限狀態設計樓板的抗拉強度。根據樓板布置情況及其在整個結構中所起的作用，一般可按中震彈性或中震不屈服控制。本項目因需要布置巨型球幕，需要在多處樓板開大洞，造成樓板局部不連續。而樓板作為水平力傳遞的主要構件，需保證其足夠的剛度。本工程在結構設計時采取了一定的加強措施，如前文所述。樓板按照中震彈性進行設計，分析時將洞口周邊的樓板設置為彈性板6，根據應力計算結果進行復核，并針對薄弱部位進行加強。由計算結果可知，在坡道和局部洞口及轉角位置出現應力集中，其余部位的樓板最大拉應力基本不超過 0.85 MPa，小于 ft/γre=1.43/0.85=1.68 MPa（混凝土強度等級 C30）。設計時，對樓板應力集中部位進行加強，適當加大板厚，配筋采用雙層、雙向，并增設附加鋼筋。其余樓板單層單向配筋率大于等于0.25%。由計算結果可知，在坡道和局部洞口及轉角位置出現應力集中，最大拉應力為1.15MPa，小ft/γre=1.43/0.85=1.68 MPa。對這些薄弱部位（應力較大區域）的樓板，根據應力云圖定性判斷，按計算配筋結果進行雙層雙向配筋加強后，樓板均能滿足多遇地震作用下彈性，設防烈度地震作用下抗彎不屈服。

2.結語

本文以實際的超限多層結構飛行影院為例，闡述了如何依據現行結構設計規范，注重抗震概念設計，從整體結構體系、關鍵構件設計、節點設計及增強重要構件的延性等方面對結構進行加強及優化，使結構的抗震性能獲得較大提升的過程。介紹了多層超限建筑結構設計中需要注意的一些設計要點，重點介紹了多層超限結構的不規則情況、對應加強措施以及補充計算及計算結果。在設計過程中，除了多遇地震作用下結構分析，還補充了多遇地震作用下的彈性時程分析、設防地震作用下構件驗算、樓板應力分析等，供今后類似項目參考。