某不規則框架結構抗震分析研究

焉宇飛

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092

1 工程概況

本工程位于啟東市蝶湖新區，東至蝶湖公園，南至蝶湖公園，西至江海南路，北至黃浦江路。本工程是蝶湖片區的重要組成部分，立足蝶湖公園西北角，打造匯集五星級酒店、SOHO辦公、商務辦公及配套商業為一體的超高層城市綜合體項目（見圖1）。

圖1 建筑效果圖

主要建設內容包括：兩幢塔樓、裙房和地下室?？傆玫孛娣e8.2萬m2，總建筑面積37.6萬m2。塔樓一地上43層，塔樓二地上44層，裙房一地上3層，裙房二地上4層，地下室2層。裙房一以商業功能為主，裙房二以酒店功能為主。本文對裙房二進行抗震分析研究。

2 結構體系

裙房二采用鋼筋混凝土框架結構體系，抗震設防類別為乙類（重點設防類）。嵌固部位設在地下室頂板，框架抗震等級為二級，局部大跨區域為一級。

裙房與塔樓設置抗震縫脫開，軸網間距9.0m，裙房二地上4層，層高分別為6.0m、5.8m、6.5m、4.4m。塔樓與裙房共用一個二層的整體地下室，B1層高6.5m，B2層高4.0m。

3 結構計算分析及不規則項判別

3.1 模型建立

采用YJK建立計算模型進行分析（見圖2）。其中，計算參數如下：

圖2 結構體系示意

（1）考慮平扭偶聯計算結構的扭轉效應，控制振型參數使振型參與質量不小于總質量的90%。

（2）由于各層樓板開洞較多，故整體指標計算及承載力復核計算均不強制采用剛性樓板假定。

（3）周期折減系數取0.70。

（4）風荷載體型系數取1.3。

（5）水平地震影響系數最大值取0.08。

（6）地下室樓層的側向剛度超過相鄰上部樓層側向剛度的2倍，地下室頂板可作為底部嵌固端。

3.2 結構分析結果

結構分析結果見表1。從表中可見，周期比、位移角滿足規范要求，結構體系、結構布置基本合理?？紤]偶然偏心后，Y向最大扭轉位移比為1.47，屬于扭轉不規則。

表1 結構分析結果

3.3 結構不規則判別

依據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011-2010）[1]，進行平面及豎向的規則性判斷[2]。

1）扭轉不規則：在具有偶然偏心的規定水平力作用下，最大扭轉位移比為1.47，大于1.4，屬于平面不規則。

2）凹凸不規則：結構屋面平面上呈現一個L字形，水平凸出方向尺寸與相應投影方向總尺寸的比為47774/96374=49.5%，大于30%，屬于平面不規則。

3）樓板局部不連續：結構在二、三層形成大開洞，有效樓板寬度小于典型寬度的50%，屬于平面不規則。

4）豎向抗側力構件不連續：結構在二、三、四層均存在梁上立柱，屬于豎向不規則。

綜上，本工程具有“扭轉不規則、凹凸不規則、樓板局部不連續、豎向抗側力構件不連續”共四項一般不規則項，具有“扭轉偏大”一項特別不規則項，屬于特別不規則建筑。

4 針對不規則項及薄弱部位的抗震設計措施

4.1 性能化設計要求

穿層柱、轉換柱、轉換梁、桁架支撐柱等關鍵構件性能化設計要求見表2。

表2 關鍵構件性能化設計要求

4.2 針對性抗震設計措施

1）抗扭性能加強

針對扭轉不規則及凹凸不規則，采用如下措施提高結構抗扭性能：

（1）結構布置上盡量做到抗側力構件分布與結構平面、立面布置匹配，使結構剛心和質心盡量一致，并滿足剛度要求。為提高結構平面的抗扭轉剛度，對結構外圍構件進行適當加強。現扭轉周期比小于0.90。

（2）計算時，根據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011-2010）[1]，采用空間結構計算模型，計入雙向地震作用下的扭轉影響，考慮耦聯影響。

（3）針對凹凸不規則，適當加強平面轉角區域樓板，適當提高樓板的配筋率。

2）對樓板開大洞部位進行加強

結構二、三層樓板有較大開洞，為確保地震作用下樓板能夠可靠有效傳遞地震等水平力，保證結構的整體抗側性能，適當加大薄弱部位的樓板厚度，提高薄弱部位樓板配筋率。

按照全樓彈性樓板假定進行設防地震作用下的樓板應力分析。分析結果表明，除樓板邊界凹角處及洞口周邊尤其在角部外，樓板應力分布較小，在恒+活+地震標準組合作用下的主應力均在2.0MPa以下，該部分樓板中震不屈服的性能目標配置少量拉通鋼筋即可實現。

對于樓板大開洞、周邊薄弱處及樓凹凸角部，這幾個區域樓板應力普遍較大，設計將采用增加樓板厚度、適當提高樓板配筋率、樓板配筋按雙層雙向拉通設置等措施，保證實現這些區域樓板的性能目標。

3）關鍵構件計算及加強措施

（1）對于穿層柱、轉換柱、轉換梁，按照設防地震作用下承載力不屈服的性能要求進行計算（見表3），并采用箍筋全長加密等加強措施。

表3 設防地震作用下關鍵構件驗算

（2）對于穿層柱、轉換柱，罕遇地震作用下剪壓比計算均小于1（見表4），滿足設計要求。

表4 罕遇地震作用下關鍵構件剪壓比驗算

綜上所述，結構采取以上抗震設計及抗震構造加強措施后，該結構能夠滿足抗震設防要求。

5 罕遇地震作用下靜力彈塑性分析

本工程為不規則的多層建筑，應采用彈塑性靜力推覆分析法[3]，對其進行罕遇地震作用下的彈塑性補充計算，共進行X+向、X-向、Y+向、Y-向四個方向的推覆驗算。

靜力推覆分兩步進行加載：第一步為施加重力荷載代表值，并在后續施加水平荷載過程中考慮其影響，即計算中考慮了P-Δ效應；第二步為逐步施加豎向分布模式為按該方向主振型模態分布的水平荷載，直至結構達到終止條件為止。表5列出了罕遇地震作用下靜力彈塑性分析所得的性能點處相關指標。從表中可看出：在罕遇地震作用下，性能點處各層彈塑性位移角最大值小于規范限值1/50，滿足設計要求，可實現“大震不倒”的抗震設防目標。

表5 罕遇地震作用下靜力彈塑性分析所得的性能點處相關指標

同時，在罕遇地震下較多框架梁端出現塑性鉸，較少框架柱出現塑性角，整體結構基本合理，可采用增加受力鋼筋及箍筋來加強柱抗震性能。

6 結論

本工程裙房采用鋼筋混凝土框架結構體系，嵌固部位設在地下室頂板，框架抗震等級為二級，局部大跨區域為一級。本文對其進行抗震分析研究，主要結論如下：

（1）結構計算分析表明，結構周期比、位移角滿足規范要求，結構體系、結構布置基本合理。

（2）結構具有“扭轉不規則、凹凸不規則、樓板局部不連續、豎向抗側力構件不連續”共四項一般不規則項，具有“扭轉偏大”一項特別不規則項，屬于特別不規則建筑。

（3）通過合理設定關鍵構件性能化設計要求，分別從抗扭性能加強、樓板開大洞部位加強、關鍵構件計算及加強措施幾個方面對結構進行專項抗震設計措施后，結構能夠滿足抗震設防要求。

（4）對結構在罕遇地震下進行彈塑性靜力推覆分析，分析結果表明，在罕遇地震作用下，性能點處最大層間位移角小于1/50，滿足設計要求，可實現“大震不倒”的抗震設防目標。同時，在罕遇地震下較多框架梁端出現塑性鉸，較少框架柱出現塑性角，整體結構基本合理，可采用增加受力鋼筋及箍筋來加強柱抗震性能。