某實驗室結構抗震分析

焉宇飛

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

實驗室類建筑不同于常規民用建筑的特殊之處在于，其功能性非常強，有特定的實驗空間和實驗工藝要求，需要進行空間合理性劃分以滿足使用方各種需求，因此經常會導致實驗室結構具有大開洞、大懸挑、穿層柱、梁上立柱等情況，為設計帶來困難。文中以上海市某實驗室為背景，研究其不規則性對結構的影響，并采取一定程度的加強措施，提高抗震性能。

1 工程概況

工程位于上海市嘉定區，項目用地面17023.21m2，總建筑面積24900m2。項目建筑地上5層，地下1層，建筑高度23m。項目的實驗功能高度復合，主要為地上結構抗火實驗室、地下結構抗火實驗室、水利實驗室、爆炸抗火實驗室四大實驗室組成，各單體平面位置見圖1。

圖1 各單體平面位置

其中，地上結構抗火實驗室包括單層大跨實驗大廳以及4層實驗輔助用房。此實驗室中可開展火災下及火災后材料力學性能實驗、材料高溫疲勞與熱機械疲勞性能實驗、構件抗火性能實驗、火災下材料熱工性能實驗、建筑材料燃燒性能實驗、現場火災實驗、三軸高溫材性實驗、足尺整體結構抗火實驗、構件火災全過程性能模擬實驗（升溫、自然降溫、噴水滅火）等。

文中對地上結構抗火實驗室進行抗震分析。地上結構抗火實驗室采用鋼筋混凝土框架結構體系，抗震設防類別為丙類（標準設防類），結構重要性系數1.0。框架抗震等級為三級，局部大跨區域為二級。軸網間距6m，地上5層，層高分別為6.5、4.5、4.5、4.5、4m。3個單體共用1個1層的整體地下室，B1層高6m。

2 結構計算分析及不規則項判別

2.1 模型建立

采用YJK建立計算模型進行分析見圖2。主要計算參數如下：

（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。

然而，有研究者對心理數字線存在的合理性提出質疑。他們認為，數字大小和距離效應僅存在數字大小比較任務中，而在數字奇偶判斷、命名和排序等任務上并未出現數字大小效應，甚至出現數字距離效應反轉現象〔26〕。Verguts(2005)認為，數字大小效應可能反映的任務特異性，任務屬性決定反應輸出。在數字比較中，較大或較少數字被賦予不同的重要程度，于是數字被刻意映射到“心理數字線”上相應的輸出部分。數字命名或奇偶判斷任務中，所有數字的重要性是相同的，故并未出現數字大小和距離效應。當然，這些問題都是后續研究者所要考慮的。

（6）按GB 50011-2010《建筑抗震設計規范（2016年版）》[1]規定，地下室頂板應避免開設大洞。工程因建筑設備原因，在建筑物北側有較多開洞。這些大開洞對樓板整體性削弱太多，導致嵌固部位下移到基礎底板。但是結構設計時仍考慮地下室頂板處的嵌固作用，1層樓板厚度至少取180mm，并采取相應的加強措施。

圖2 整體模型

2.2 荷載取值

（1）樓面荷載包括恒載和活載。恒載由結構構件自重和附加恒載（建筑面層、吊頂和隔墻等）組成。實驗室不同區域設計樓面荷載見表1，其余未注明荷載均按GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》[2]取值。

表1 樓面荷載取值

（2）根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》[3]，工程基本風壓取0.55kN/m2，地面粗糙度取B類。

（3）根據GB 50011-2010《建筑抗震設計規范（2016年版）》，工程抗震設防烈度取7度，設計基本地震加速度取0.1g。

2.3 模型計算結果

計算結果見表2。從表2中可見，結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比小于0.90，最大層間位移角小于1/550，滿足JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[3]的要求。在偶然偏心地震作用下最大層間位移比1.21，超過GB 50011-2010《建筑抗震設計規范（2016年版）》不大于1.2扭轉規則判定限值，但小于1.5規范允許最大值。

表2 模型計算結果

2.4 結構不規則判別

依據GB 50011-2010《建筑抗震設計規范（2016年版）》，進行平面及豎向的規則性判斷[4]。

（1）扭轉不規則：結構在具有偶然偏心的規定水平力作用下，最大扭轉位移比為1.21，大于1.2。

（2）樓板局部不連續：2～5層樓板開洞面積為72.9%，大于50%；有效樓板寬度為典型寬度的26.5%，小于40%。地上結構抗火實驗室各層樓板開洞情況類似，典型樓層樓板開洞見圖3。

圖3 地上結構抗火試驗室典型樓層樓板開洞

綜上，工程具有“扭轉不規則、樓板局部不連續”共兩項一般不規則項，具有“有效樓板板寬度偏窄”一項特別不規則項，屬于特別不規則建筑。

3 針對不規則結構的抗震設計措施

（1）結構布置方面，兩個方向抗側力構件的布置盡可能保持均勻對稱，盡量保證結構剛心和質心統一。

（2）采用彈性時程分析進行多遇地震下的補充計算，地震效應采用包絡值進行設計。

（3）對不規則情況進行加強。針對扭轉不規則：加大周邊結構梁柱截面尺寸及配筋，提高抗扭剛度；針對樓板不連續：當進行構件承載力計算及樓板應力分析時，將樓板設置成彈性膜；進行設防地震、罕遇地震下樓板應力分析，保證樓板在設防地震作用下不屈服、在罕遇地震作用下不出現貫通裂縫，以2層樓板為例計算結果見圖4、圖5。根據計算結果加厚薄弱部位樓板、提高其樓板配筋率、采用雙層雙向拉通配筋、加強開大洞周邊的梁柱配筋。

圖4 2層樓板X向設防地震下主應力（單位：MPa）

圖5 2層樓板X向罕遇地震下主應力（單位：MPa）

（4）采用罕遇地震下靜力彈塑性分析進行結構彈塑性變形補充驗算，從層間位移角及構件損傷情況來判定結構滿足“大震不倒”的設計水準。

（5）針對結構的超長樓板擬采取措施[5]。①設置后澆帶：每隔30～40m設置一處后澆帶，以減小混凝土早期收縮；②加強樓板配筋：計算樓板溫度應力，根據計算結果加厚薄弱處樓板，設置抗裂鋼筋；③加強屋面保溫：做好混凝土澆搗后的保濕養護工作，通過施工組織措施將超長樓板的澆筑時間安排在氣溫較低的時候進行；合理控制混凝土水灰比等材料配置參數，減小混凝土自身的材料收縮。

4 彈性時程分析補充計算

工程應采用彈性動力時程分析進行多遇地震下的補充計算。采用YJK程序對工程進行多遇地震下的彈性時程分析。按地震波三要素從YJK程序自帶的地震波中選取IV類場地上5組強震記錄天然波：SHW4_NGA_1828HECTOR、SHW5_NGA_2104DENALI.1734、SHW7_NGA_2723CHICHI04、Chi-Chi，Taiwan_NO_1228、TH1TG090和兩組人工模擬的場地波：ArtWave-RH3TG090、SHW2_AW-NGA_760LOMAP.MEN進行彈性時程分析。從表3可以看出，7組地震波作用下結構基底剪力滿足規范要求。

表3 時程波與振型分解反應譜法底部剪力對比

由圖6可知，7組地震波作用下結構層間位移角的平均值不大于1/550，與反應譜法結果大體接近，滿足相關規范規定。

圖6 時程分析與反應譜層間位移角對比曲線

5 罕遇地震作用下靜力彈塑性分析

工程屬于不規則的多層建筑，因此工程應用盈建科（YJK）軟件，采用靜力彈塑性分析方法（Push-Over），對結構進行X+、X-、Y+、Y-共4個方向水平荷載作用下的推覆驗算。

罕遇地震作用下靜力彈塑性分析計算結果見表4。從表4中結果可以看出，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1/50，符合規范要求，結構可實現“大震不倒”。

表4 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

此外，在罕遇地震作用下，較多的塑性鉸出現于框架梁端，框架梁屬耗能構件，較少的塑性鉸出現于框架柱端，整體結構基本合理，可采用增加受力鋼筋及箍筋的方法來加強框架柱的抗震性能。

6 結語

工程地上結構抗火實驗室采用鋼筋混凝土框架結構體系，由于建筑設備原因，建筑物北側有較多開洞，結構嵌固部位設在基礎底板。文中對其進行抗震分析研究，主要結論如下：

（1）對實驗室不同區域設計樓面荷載進行梳理，提出合理的樓面荷載取值。

（2）結構計算分析表明，工程具有“扭轉不規則、樓板局部不連續”共兩項一般不規則項，具有“有效樓板板寬度偏窄”一項特別不規則項，屬于特別不規則建筑。

（3）分別從結構總體布置、多遇地震下彈性時程分析補充計算、超限加強、罕遇地震下靜力彈塑性分析、超長樓板設計幾個方面進行專項抗震設計。結果表明，結構安全性較高，能滿足規范的各項要求。