昆明某學(xué)校圖書館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李躍華 李進(jìn)榮 徐國芳

(昆明理工泛亞設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概況

本項(xiàng)目為云南省某學(xué)院圖書館，位于昆明市嵩明縣，總建筑面積25 972.02 m2，建筑層數(shù)為8層，建筑高度為44.1 m，結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁端持力層為中風(fēng)化灰?guī)r，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為8度(0.3g),設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，承載力設(shè)計(jì)風(fēng)壓0.33 kN/m2，地面粗糙度類別為C類。本工程采用隔震技術(shù)，底部設(shè)置隔震層，如圖1所示。

2 建筑超限情況

1)該建筑為地上8層圖書館，建筑高度H=44.1 m>35 m，采用框架結(jié)構(gòu)體系，超過8度(0.3g)框架最大適用高度35 m限值要求，超出規(guī)范限值的26%，為一超限高層建筑。

2)該建筑距離小江斷裂帶較近，位于擬建場地東側(cè)約5.5 km。小江斷裂帶北起巧家，向南經(jīng)東川、嵩明、宜良、建水、開遠(yuǎn)、個舊，交于NW向的紅河斷裂上，走向近南北，全長500 km以上，發(fā)育歷史長，經(jīng)歷多期構(gòu)造活動。此斷裂帶上地震活動強(qiáng)烈，為西南乃至中國大陸上一條著名的強(qiáng)震發(fā)生帶，地震活動強(qiáng)烈，以強(qiáng)度大、頻度低為特征，1500年始有破壞性地震記載，至今共計(jì)有M≥4.7級地震40次，其中6級以上13次，7級以上4次，最強(qiáng)8級1次。

3)該建筑樓板需開洞且樓板不連續(xù)，由于建筑功能需要，建筑內(nèi)設(shè)置較大面積的中空，對于裙樓最不利樓層二層，樓層開洞面積747 m2，占該層樓面總面積4 688 m2的15.9%；裙房上標(biāo)準(zhǔn)層最不利樓層5層開洞面積583 m2，占該層樓面總面積2 925 m2的19.9%；且各樓層樓板有效寬度大于該層典型寬度的50%。

4)體型收進(jìn)，大懸挑。該建筑上部樓層水平尺寸B1=52.8與下部樓層的水平尺寸B=71.4的比值為73.9%，小于現(xiàn)行規(guī)范要求值75%，同時水平外挑尺寸4.3 m，大于4 m，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，豎向抗側(cè)力構(gòu)件位置縮進(jìn)30%，判定為上下平面尺寸存在突變。建筑體型在4層位置收進(jìn)，4層以上結(jié)構(gòu)平面形狀近似心形，且每層變化不一，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)每層出挑長度不同，結(jié)構(gòu)最大出挑長度4.3 m，如圖2～圖4所示。

針對該建筑超限情況，采取以下措施對結(jié)構(gòu)予以加強(qiáng)，提高結(jié)構(gòu)安全度：1)建筑單體采用隔震設(shè)計(jì)；2)結(jié)構(gòu)中震彈性設(shè)計(jì)。

3 隔震設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目所處場地處于高烈度區(qū)，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，建筑高度超過現(xiàn)行規(guī)范框架結(jié)構(gòu)適用高度限值要求，基于以上原因考慮隔震技術(shù)，設(shè)置隔震層，以減少工程造價，并提高結(jié)構(gòu)安全性。

3.1 隔震支座

本工程共使用了89個支座，支座類型采用鉛芯隔震支座和無鉛芯隔震支座,直徑大小為800～1 000。隔震支座平面布置如圖5所示。

3.2 水平減震系數(shù)

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)第12.2.2條規(guī)定結(jié)構(gòu)隔震宜采用時程分析法進(jìn)行計(jì)算，本工程共選取5條天然地震波和2條人工波進(jìn)行時程分析。在設(shè)防地震作用下(地震波加速度峰值300gal)得到非隔震與隔震的結(jié)構(gòu)層間剪力比及傾覆力矩比的較大值，以此來確定減震系數(shù)。采用結(jié)構(gòu)分析軟件ETABS9.7.4，橡膠隔震單元用非線性連接單元ISOLATOR1進(jìn)行模擬。

對非隔震與隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算所得的樓層剪力,傾覆彎矩比的計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，確定水平向減震系數(shù)為0.318，考慮到項(xiàng)目處在距地震斷裂帶10 km以內(nèi)，5 km以外，考慮近場影響系數(shù)1.25，確定隔震后水平地震影響系數(shù)最大值：αmax1=βαmax/ψ=0.318×0.24/0.8×1.25=0.119，綜合考慮后，確定上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔震后水平地震影響系數(shù)最大值為0.12。

3.3 豎向地震作用組合系數(shù)調(diào)整

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，8度(0.3g)區(qū)豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)小于隔震層以上重力荷載代表值的30%。因隔震而減小αmax從而使得豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值只有重力荷載代表值的8.8%，無法滿足30%的要求，因此須用0.3G代來代替荷載組合中的豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值。需調(diào)整各種組合下的豎向地震作用的分項(xiàng)系數(shù)，即可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的豎向地震作用。調(diào)整前，豎向地震作用的分項(xiàng)系數(shù)分別為0.5和1.3，相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)分別調(diào)整為0.3×0.5/0.087 75=1.709和0.3×1.3/0.087 75=4.444。

3.4 隔震后效果

1)通過采用隔震技術(shù)，大幅度減小梁柱斷面，增加建筑實(shí)際使用面積，隔震前框架柱斷面由1 300×1 300減小為1 000×1 000，梁高由400×1 200減小為300×900。

2)大幅減小梁柱配筋，底層柱配筋率由4%～4.5%減小為1.2%，框架梁的縱筋率由2%減小為1.1%左右。

3.5 主要隔震構(gòu)造措施

隔震層頂板板厚為160 mm，雙層雙向通長配筋，最小配筋率為0.25%。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證隔震層頂部梁、板的剛度和承載力，大于一般樓蓋梁板的剛度和承載力。隔震支座附近的梁、 柱計(jì)算沖切和局部承壓，加密箍筋并根據(jù)需要配置網(wǎng)狀鋼筋。隔震層上、下支墩按罕遇地震下的懸臂柱設(shè)計(jì)。隔震建筑周邊設(shè)置隔離溝，其寬按照罕遇地震計(jì)算變形1.2倍確定，且不小于200 mm。

4 高度超限設(shè)計(jì)(隔震情況下中震彈性設(shè)計(jì))

建筑結(jié)構(gòu)高度超過8度(0.3g)框架最大適用高度35 m限值高度，本設(shè)計(jì)針對此項(xiàng)超限采取以下措施：1)框架抗震等級提高一級；2)框架柱按中震彈性要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

隔震下中震彈性計(jì)算采用簡化隔震模型計(jì)算，計(jì)算軟件采用SATWE。

簡化隔震模型：在PKPM計(jì)算模型的基礎(chǔ)上調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使PKPM的模型計(jì)算結(jié)果與帶隔震墊的計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果接近，調(diào)整后的PKPM計(jì)算模型即為簡化隔震模型。

簡化隔震模型滿足以下幾點(diǎn)要求：1)框架柱底按鉸接；2)調(diào)整豎向地震力組合分項(xiàng)系數(shù)；3)根據(jù)減震報告，調(diào)整αmax；4)考慮豎向地震作用；5)調(diào)整嵌固層所在層號；6)設(shè)置地下室層數(shù)，土層水平抗力系數(shù)為0；7)隔震層樓板厚度不小于160 mm。

中震彈性計(jì)算滿足以下幾點(diǎn)要求：1)選擇按中震彈性做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2)調(diào)整地震影響系數(shù)最大值αmax按中震取值；3)取消組合內(nèi)力調(diào)整(強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎)；4)荷載作用分項(xiàng)系數(shù)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范取值；5)材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值。

由于隔震結(jié)構(gòu)只能隔離結(jié)構(gòu)的水平地震力，不能隔離結(jié)構(gòu)的豎向地震力，8度(0.3g)設(shè)防地震下水平影響系數(shù)最大值為0.68，αvmax=0.65，αmax=0.442，模型計(jì)算時，αmax按βαmax/ψ=0.318×0.68/0.8×1.25=0.34輸入計(jì)算，為保證豎向地震力不減小，把與豎向地震作用有關(guān)的組合分項(xiàng)系數(shù)放大0.68×0.65/(0.34×0.65)=2倍，即相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)分別由0.5和1.4調(diào)整為1.0和2.8，以保證結(jié)構(gòu)的豎向地震力不減小。調(diào)整后的中震下FEvk=αvmaxGeq=0.68×1.5×0.65×0.75G代=0.497 25G代，滿足規(guī)范30%的要求。

5 中震樓板應(yīng)力分析

對于裙樓最不利樓層2層，樓層開洞面積747 m2，占該層樓面總面積4 688 m2的15.9%；裙房上標(biāo)準(zhǔn)層最不利樓層5層開洞面積583 m2，占該層樓面總面積2 925 m2的19.9%。對主樓樓板按彈性膜進(jìn)行應(yīng)力分析，分析軟件采用PMSAP空間結(jié)構(gòu)分析軟件。經(jīng)計(jì)算對比，中震下樓板應(yīng)力除梁柱節(jié)點(diǎn)位置外超過樓板抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，其余位置均小于樓板抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，保證樓板中震下不被拉裂。

6 其他加強(qiáng)措施

考慮本結(jié)構(gòu)為豎向體形懸挑收進(jìn)結(jié)構(gòu)，按以下措施對薄弱關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)：

1)塔樓中與裙房相連的外圍柱、從固定端至裙房屋面上一層的高度范圍內(nèi)，柱縱向鋼筋的最小配筋率宜適當(dāng)提高；2)由于本結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)高度超過房屋高度20%抗震設(shè)計(jì)，體型收進(jìn)部位上、下各兩層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級由一級提高至特一級；3)對大懸挑構(gòu)件計(jì)算考慮豎向地震作用復(fù)核梁柱配筋。

7 結(jié)語

1)通過減震措施，可大幅減少結(jié)構(gòu)受到的地震力，減小梁柱斷面及配筋，減少工程造價。

2)對于公共建筑，采用框架結(jié)構(gòu)體系具有空間布置靈活，對建筑功能影響小的優(yōu)點(diǎn)，在采取可靠隔震設(shè)計(jì)時，高烈度地區(qū)高層建筑也可設(shè)計(jì)采用框架結(jié)構(gòu)。