某多層復雜結構抗震設計

吳江泠

（上海市堤防泵閘建設運行中心，上海 200080）

0 引言

建筑功能和建筑立面的多樣化使結構平面及豎向布置日益復雜，結構設計往往會突破相關設計規范的要求。各種平面及豎向不規則建筑的出現，一方面為城市建筑注入了新的活力，另一方面也給結構抗震性能設計帶來了挑戰。李志強[1]等對某豎向不規則結構進行設計方案對比分析，提出對于不規則結構的設計思路為通過“加法”或“減法”的方式盡量消除不規則項。周輝[2]以具體工程為例，采用PKPM 和SAP2000 軟件對高層不規則結構進行了彈性時程分析，對關鍵構件進行性能化設計及罕遇地震下的非線性響應分析，對超長樓板進行溫度應力分析。肖蔚等[3]對某多層不規則結構進行抗震性能化設計并對結構進行罕遇地震作用下靜力彈塑性分析，對樓板進行溫度應力分析。本文在前人研究的基礎上重點分析了多層鋼框架不規則結構的抗震性能，采取合理可行的構造加強措施，采用兩種不同的計算軟件對整體結構進行計算對比分析，確保了結構抗震設計的安全性和可靠性。

1 工程概況

本項目位于上海市閔行區，主要由2 層地下室及9 個地上單體組成。其中，酒店單體由于要滿足宴會廳、多功能廳等建筑功能需求及建筑外立面造型，使得建筑平面和立面變得復雜。建筑剖面圖如圖1 所示，該單體地上最高6 層，局部2～5 層，建筑總高度約27.0m，結構最大屋面高度為23.6m，局部屋面9.3～16.2m。酒店建筑功能主要為客房、宴會廳和多功能廳，首層及二層層高均為4.5m，三層及以上客房區域層高為3.6m。酒店二層大堂和中庭處樓板有開大洞，如圖2 所示，三層多功能廳及宴會廳處樓板開大洞，如圖3 所示。

圖1 酒店建筑功能剖面圖

圖2 酒店二層建筑平面圖

圖3 酒店三層建筑平面圖

2 主體結構分析

2.1 結構體系

酒店單體采用鋼框架結構體系，并以地下二層地下室頂板作為上部結構的嵌固端，基礎形式為樁筏基礎。結構設計使用年限50 年、地基基礎設計等級甲級、安全等級二級、抗震設防類別為丙類、抗震設防烈度為7 度、設計基本地震加速度為0.1g（多遇地震影響系數最大值0.08）、場地類別Ⅳ類（多遇和設防地震的場地特征周期0.9s）、多遇水平地震時阻尼比0.04，典型鋼框架抗震等級4 級。50 年一遇基本風壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度類別B 類[4]。

建筑柱網不規則，有長短柱跨，典型柱網為16.7m×10m、14m×10m、6.3m×7.3m等，框架柱主要截面為箱型截面500×500，壁厚20～55mm。內部框架梁的主要斷面為H500×300×8×25、H800×400×14×30、H650×300×12×30，外圈框架梁的斷面為H800×400×14×30。樓面次梁采用單向豎向布置，間距為3m 左右，斷面為H500×200×8×25、H600×300×8×20、H400×200×8×12，板厚120mm。結構三維模型如圖4 所示，結構平面布置如圖5、6 所示。

圖4 結構體系示意（YJK 模型）

圖5 二層結構平面布置圖

圖6 三層結構平面布置圖

2.2 結構不規則性分析

酒店單體為多層結構，根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）3.4.3 條及《上海市建筑工程初步（總體）設計文件抗震設防審查管理辦法》滬建管[2015]958 號的規定，結構不規則類型分析詳表1 所示。

表1 酒店單體結構不規則性的主要類型

根據表1 的分析結果可知，該單體主要存在扭轉不規則、凹凸不規則、樓板局部不連續、側向剛度不規則等情況，屬于超限多層建筑工程，應進行超限多層建筑工程抗震不規則專項論證。

2.3 彈性分析結果

結構設計以地下室頂板作為上部結構計算嵌固端，采用YJK 和佳構軟件對結構進行多遇地震下振型分解反應譜法分析，計算結果如表2 所示。加強層間位移較大部位的鋼梁和鋼柱斷面，以控制規定水平力作用下的樓層最大彈性水平位移（或層間位移）小于等于該樓層兩端彈性水平位移（或層間位移）平均值的1.4 倍。兩種計算程序的計算結果趨勢總體一致且計算結果基本符合現行規范、規程有關規定的要求。

2.4 彈性動力時程分析

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）的要求[5]，補充結構小震下彈性時程分析。選擇七條地震波（2 條人工波+5 條天然波），將天然波和人工波的峰值加速度縮放至7 度小震水平（PGA=35gal）。結構在小震（雙向地震）下彈性時程分析與反應譜的比值如表3 所示。

表3 多波基底剪力與CQC 基底剪力對比

由上表可知，七條波平均基底剪力大于振型分解反應譜法的80%，小于振型分解反應譜法的120%；各條波分別作用下的基底剪力均大于振型分解反應譜法的65%且小于振型分解反應譜法的135%；滿足規范[5]的規定。所有樓層七條波的樓層剪力和傾覆力矩的計算結果平均值均小于振型分解反應譜法計算結果，X、Y 方向地震作用放大系數均為1.0。X、Y 方向七條地震波時程分析層間位移角曲線如圖7 所示，七條波層間位移角的平均值滿足規范1/250 的限值要求且均小于反應譜計算結果。故在構件設計時可以直接使用CQC 法得到的樓層剪力進行結構設計。

圖7 樓層層間位移角對比

2.5 樓板開大洞分析

樓面結構體系是傳遞豎向荷載和水平荷載的重要組成，豎向荷載主要通過板傳遞給樓層梁，再通過樓層梁將豎向荷載向框架柱傳遞；同時樓面系統也起到水平荷載作用下結構體系變形協調、發揮結構空間整體性能的重要作用。

如圖2.2 所示，由于中庭及宴會廳的跨層設置造成酒店單體內相關區域樓板缺失，2 層T8-D 軸～T8-F 軸/T8～6軸～T8-8 軸區域樓板開洞后，上、下側的窄樓蓋連接左、右側結構，3 層樓蓋以上形成左、右兩個結構單元，4 層樓蓋以上形成多個結構單元，二層、三層均存在樓板開洞過大，連接樓板過窄的超限情況。其中二層有效樓板寬度33%，三層為39%，均小于50%。采用YJK軟件將相關樓層的樓板設為彈性膜，以鋼筋混凝土樓板達到小震混凝土核心層不裂，中震樓板鋼筋不屈服的性能要求為目標，研究小震和中震作用下各層應力水平。分析得水平荷載作用下，樓板最大應力主要出現在樓面大開洞和樓板折角處附近。因此對2 層窄樓蓋相應區域、3 層和4 層樓蓋的樓板板厚取至130mm，雙層雙向加強配筋，樓板最小配筋率按照0.25%控制，對窄樓蓋兩側的樓面梁和洞口周邊的獨立梁考慮軸向力，且向主體延伸一跨[6]。

3 結語

根據建筑布置和結構的抗震特點，對結構進行了分析和優化，針對結構存在的多項不規則情況，結構設計采用了成熟可靠的鋼框架的抗側力體系，滿足了結構抗震及抗風的多道設防要求，同時采取多項加強措施以提高重要構件及節點等的設計標準。通過前述分析，得出以下結論：

（1）結構設計采用YJK 為主要計算軟件，并用佳構軟件進行了復核計算，各項指標基本一致。

（2）結構在小震作用下基底剪力約是風荷載的3.7 倍以上，地震荷載組合工況為本結構的控制工況。

（3）主體結構的嵌固層上下剛度比、周期比、剛重比、剪重比、側向剛度比、扭轉位移比、受剪承載力比等指標均滿足規范規定的要求。

（4）采用彈性動力時程分析對結構進行補充計算，小震彈性時程分析計算表明層間位移角等各項指標均滿足規范要求，樓層剪力的時程分析結果均小于反應譜計算結果。

（5）針對樓板局部不連續情況，進行小震和中震作用下的樓板應力分析。分析結果可實現小震混凝土核心層不裂，中震樓板鋼筋不屈服的性能要求。

綜上所述，結構設計分析結果滿足規范要求，結構抗震設計安全可靠。