某體育中心超限結構設計

周輝

（江蘇省建筑設計研究院股份有限公司，南京 210019）

1 引言

因建筑功能需求，鹽城市體育中心綜合館存在多項不規則項，屬于特別不規則建筑，設計時具有較大的難度。本文對該項目的設計要素進行了研究，包括多遇地震線彈性分析、罕遇地震彈塑性分析、關鍵構件的性能水準驗算以及難點的專項分析，旨在為類似工程的設計施工建設提供參考。

2 工程概況

鹽城市體育中心綜合館位于鹽城市解放南路體育中心東南角，總建筑面積約58 466.7 m2，地上5層，建筑面積36 266.1 m2；地下1層，建筑面積22 200.3 m2。地下室主要功能為機動車庫、食堂及泵房等設備用房；底板面結構標高-6.30 m。1層設置觀眾門廳、售票廳以及相關配套用房；2～4層為觀眾廳樓座、多功能廳等；5層為員工宿舍及設備用房。

本結構抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第三組，場地土類別為Ⅳ類，特征周期0.90 s，抗震設防類別為重點設防類。結構安全等級：主體抗側力結構為一級；次梁、樓板等其余構件為二級。地基基礎設計等級為甲級。結構阻尼比取0.05，周期折減系數為0.8。水平地震影響系數最大值分別為0.08（多遇地震）、0.23（設防地震）、0.50（罕遇地震）。計算時計入豎向地震作用以及雙向地震作用下的扭轉影響，考慮5%偶然偏心。鋼筋采用HRB400熱軋鋼筋，鋼材采用Q355B級。

3 結構布置及超限設計

3.1 結構布置

3.1.1 豎向結構體系

主樓舞臺呈品字形布置，主舞臺結構高度為28 m，大劇場主體結構樓面尺寸根據建筑外形逐層變化，各層面積差異較大。為提高抗側剛度，主樓均采用框架剪力墻結構，樓、電梯間以及舞臺四周布置剪力墻。裙樓局部單跨柱采用中震彈性進行控制配筋，局部穿層柱進行長細比校核和配筋加強。

3.1.2 樓、屋面水平結構體系

普通樓面采用120 mm厚現澆混凝土板，舞臺和觀眾廳形成一個上下貫通的大空腔，由于多處大開洞導致樓板不連續，四周連接薄弱處采用150 mm厚板。建筑右側觀眾大廳屋面采用平面桁架結構，最大跨度為30 m，懸挑為18 m；在桁架下弦設置現澆鋼筋混凝土樓板，桁架下弦采用H型鋼以便于連接；室外懸挑部分采用直立鎖邊屋面，懸挑桁架采取預起拱措施以減小懸挑屋面撓度。

3.1.3 觀眾大廳四周幕墻與結構主體

觀眾大廳四周采用斜弧形立面的穿孔鋁板玻璃幕墻，最大長度超20 m，為了減小龍骨尺寸，將其吊在主體結構封口桁架上，下部支座采用橢圓形孔釋放豎向支撐力。由于屋面主桁架均設置在對應斜柱位置，故封口環采用三角空間桁架可將水平力有效傳遞到四周主桁架上。

3.2 超限設計

本主樓工程有多項不規則項[1]：（1）扭轉不規則：X向扭轉位移比為1.31，Y向為1.34，均大于1.2；（2）偏心布置：X向偏心率0.31，Y向偏心率0.31，均大于0.15；（3）樓板不連續：2～4層樓板開洞面積均大于30%；（4）局部不規則：主舞臺和側舞臺四周均存在穿層柱，南側存在斜柱。

針對結構的多項不規則，采用結構分析和其他關鍵點分析措施確保結構安全可靠。

4 結構分析

4.1 結構計算對比分析

結構采用PMSAP以及SAP2000進行對比分析計算，將地下室頂板作為上部結構的嵌固端，前三階結構振動周期（X+Y平動系數T1～T3）計算結果分別如下：

T1：PMSAP0.625 s（0.99+0.00），SAP2000為0.595（0.89+0.00），差異1.2%；

T2：PMSAP0.562 s（0.00+0.82），SAP2000為0.556（0.03+0.86），差異0.5%；

T3：PMSAP0.525 s（0.02+0.22），SAP2000為0.509（0.05+0.27），差異1.3%；

周期比（Tt/T1，Tt為以扭轉為主的第一周期）：PMSAP0.84，SAP2000為0.85。

4.2 多遇地震彈性時程分析

本工程選用5條天然波、2條人工波、自然波每組包括三向水平實測記錄，定義峰值最大的方向為主方向，另外兩方向為次方向。

分析可得，各時程分析曲線計算所得的結構底部剪力值均大于振型分解反應譜法的65%，前者計算平均值大于后者的80%；除頂層外，不同曲線下各層剪力平均值均小于反應譜分析結果；多條時程曲線分析得出的層間位移角均小于1/800，滿足規范要求。

4.3 設防地震作用下分析

為滿足結構在設防烈度地震作用下的性能目標，使用PKPM中地震反應譜方法進行彈性計算，針對具體構件的性能化要求進行設計。

4.3.1 底部加強部位墻肢設計

在設防烈度地震作用下，底部剪力墻墻肢出現拉應力。墻肢混凝土抗拉強度標準值ftk=2.64 MPa，不計入鋼筋抗拉，各轉角墻肢與連梁墻肢均滿足驗算要求。針對局部拉應力大于ftk的構件，按構造要求配置型鋼。

4.3.2 連接薄弱位置樓板應力分析

本工程在2～4層中間舞臺形成巨大空洞，在中震彈性作用下分析該區域樓板應力，確保樓面系統在地震作用下變形協調。由計算結果可知，樓板絕大部分應力比均小于0.6 MPa。開洞四周樓板局部加厚至150 mm后，地震作用引起的拉應力較小，不會引起混凝土開裂，能有效傳遞水平力，因而樓板按構造加強即可。

4.4 罕遇地震作用下的彈塑性分析

4.4.1 計算模型及地震波的選擇

為確保在罕遇地震作用下不發生倒塌破壞，本工程進行彈塑性動力計算分析，利用SAUSAGE程序建立主樓模型，彈塑性時程分析地震波采用兩條天然波TH063TG065、TH002TG065和一條人工波RH2TG065，以下分別用A、B、C代指。

4.4.2 結果分析

由表1可知，在3組地震波作用下，A波下的結構在X、Y兩個主方向基底剪力最大。大震彈塑性時程剪力是小震彈性基底剪力的3.4～4.4倍。綜合構件損傷情況及基底剪力對比，說明大震時，連梁等耗能構件消耗能量較多，而結構整體剛度退化不大。

表1 各組地震波結構最大基底剪力

表2給出了各組地震波輸入時，結構各主方向彈塑性最大層間位移角的具體數值。可知，在罕遇地震下，結構的最大層間位移角為1/133，滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]要求。

表2 X、Y向各地震波下結構彈塑性最大樓層位移角

5 關鍵點分析

5.1 樓板舒適度分析

本工程2層與體育館連接的平臺最大跨度超20 m，影院及多功能廳位置存在跨度較大的樓面，樓座的懸挑長度達7 m，故采用Midas Gen對大跨樓面進行舒適度分析。結果表明，樓蓋豎向振動頻率均大于3 Hz，分別對第一階、第三階和池座懸臂最大處進行舒適度分析，在最不利節點處依次施加單人行走、連續行走、跑動3種時程函數，大跨樓面及樓座位置在多人齊步行走激勵下的最大加速度分別為0.032 m/s2、0.012 m/s2、0.000 21 m/s2，均滿足規范0.15 m/s2的限值[3]。

5.2 超長結構樓板溫度應力分析

本工程為超長結構，2層平臺位置南北最大長度達150 m，東西最長達130 m；2層以上主樓位置南北長度達110 m，東西最長達80 m。由于鹽城市月平均氣溫最低-8℃，最高37℃，故本項目計算按整體升降溫30℃考慮。

可以發現，在降溫工況下，2層樓板應力范圍在2.5～5 MPa。在升溫工況下，屋面層樓板應力范圍在2～6 MPa。考慮后期結構升降溫時間長，以及后澆帶、混凝土徐變等有利影響，混凝土折減系數取0.3。綜合考慮溫度應力按1.5 MPa考慮。

5.3 鋼桁架補充分析

對觀眾大廳屋面桁架采用SAP2000軟件進行補充分析，由于角部桁架懸挑僅20 m，故在角部主桁架兩側設置次桁架來分擔懸挑的荷載，以確保桁架受力滿足安全及變形要求。由于觀眾大廳在桁架下弦設置現澆鋼筋混凝土板，整體桁架采用平面管桁架結構，為了滿足現澆板鋼筋錨固要求，桁架下弦采用H型鋼。經計算分析，桁架剛度和承載力均滿足要求。

6 結語

本節針對鹽城體育中心綜合館進行了多遇地震線彈性分析、罕遇地震彈塑性分析、關鍵構件的性能水準驗算以及針對項目難點開展了專項分析。分析結果表明，該結構方案可以基本滿足各性能水準目標，結構方案安全可行。主要結論如下：

1）小震彈性分析表明，該結構整體位移指標為地震控制，且在考慮偏心、雙向地震工況下，結構的最大層間位移角為1/1825，滿足規范要求。

2）PKPM與Midas Gen計算結果十分接近，模型可以較為準確的模擬結構在各種作用下的受力行為。

3）對結構關鍵部位構件采用性能化設計：結構底部加強部位的框架柱，剪力墻以及體型突變部位相鄰上下層墻柱均按預定抗震性能目標設計，關鍵構件在中震下能滿足抗剪彈性、抗彎不屈服；在大震下能滿足抗剪截面控制條件。

4）針對項目難點問題，例如，樓面舒適度、中震樓板應力溫度應力等專項進行分析驗算，綜合考慮各種不利工況下結構可能發生的損害，并結合分析結果，進行包絡設計以保證安全性。

5）大震彈塑性分析結果表明，結構最大彈塑性層間位移角為1/129，滿足規范要求；且在各工況地震波作用下，主要抗側力構件沒有發生嚴重的破壞，大部分連梁屈服耗能，結構性能滿足大震不倒的要求，整體滿足強墻柱弱強梁的延性設計要求。