某多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

吳江泠

（上海市堤防泵閘建設(shè)運(yùn)行中心，上海 200080）

0 引言

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

1 工程概況

本項(xiàng)目位于上海市閔行區(qū)，主要由2 層地下室及9 個(gè)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(fù)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(jié)構(gòu)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(qū)域?qū)痈邽?.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(jié)構(gòu)分析

2.1 結(jié)構(gòu)體系

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

建筑柱網(wǎng)不規(guī)則，有長短柱跨，典型柱網(wǎng)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(nèi)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(jié)構(gòu)三維模型如圖4 所示，結(jié)構(gòu)平面布置如圖5、6 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)體系示意（YJK 模型）

圖5 二層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖6 三層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2.2 結(jié)構(gòu)不規(guī)則性分析

酒店單體為多層結(jié)構(gòu)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）3.4.3 條及《上海市建筑工程初步（總體）設(shè)計(jì)文件抗震設(shè)防審查管理辦法》滬建管[2015]958 號的規(guī)定，結(jié)構(gòu)不規(guī)則類型分析詳表1 所示。

表1 酒店單體結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的主要類型

根據(jù)表1 的分析結(jié)果可知，該單體主要存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、側(cè)向剛度不規(guī)則等情況，屬于超限多層建筑工程，應(yīng)進(jìn)行超限多層建筑工程抗震不規(guī)則專項(xiàng)論證。

2.3 彈性分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端，采用YJK 和佳構(gòu)軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下振型分解反應(yīng)譜法分析，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。加強(qiáng)層間位移較大部位的鋼梁和鋼柱斷面，以控制規(guī)定水平力作用下的樓層最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）小于等于該樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）平均值的1.4 倍。兩種計(jì)算程序的計(jì)算結(jié)果趨勢總體一致且計(jì)算結(jié)果基本符合現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程有關(guān)規(guī)定的要求。

2.4 彈性動力時(shí)程分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）的要求[5]，補(bǔ)充結(jié)構(gòu)小震下彈性時(shí)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(jié)構(gòu)在小震（雙向地震）下彈性時(shí)程分析與反應(yīng)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(yīng)譜法的80%，小于振型分解反應(yīng)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(yīng)譜法的65%且小于振型分解反應(yīng)譜法的135%；滿足規(guī)范[5]的規(guī)定。所有樓層七條波的樓層剪力和傾覆力矩的計(jì)算結(jié)果平均值均小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果，X、Y 方向地震作用放大系數(shù)均為1.0。X、Y 方向七條地震波時(shí)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(guī)范1/250 的限值要求且均小于反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果。故在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)可以直接使用CQC 法得到的樓層剪力進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖7 樓層層間位移角對比

2.5 樓板開大洞分析

樓面結(jié)構(gòu)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(shí)樓面系統(tǒng)也起到水平荷載作用下結(jié)構(gòu)體系變形協(xié)調(diào)、發(fā)揮結(jié)構(gòu)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(shè)置造成酒店單體內(nèi)相關(guān)區(qū)域樓板缺失，2 層T8-D 軸～T8-F 軸/T8～6軸～T8-8 軸區(qū)域樓板開洞后，上、下側(cè)的窄樓蓋連接左、右側(cè)結(jié)構(gòu)，3 層樓蓋以上形成左、右兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，4 層樓蓋以上形成多個(gè)結(jié)構(gòu)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(guān)樓層的樓板設(shè)為彈性膜，以鋼筋混凝土樓板達(dá)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(biāo)，研究小震和中震作用下各層應(yīng)力水平。分析得水平荷載作用下，樓板最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在樓面大開洞和樓板折角處附近。因此對2 層窄樓蓋相應(yīng)區(qū)域、3 層和4 層樓蓋的樓板板厚取至130mm，雙層雙向加強(qiáng)配筋，樓板最小配筋率按照0.25%控制，對窄樓蓋兩側(cè)的樓面梁和洞口周邊的獨(dú)立梁考慮軸向力，且向主體延伸一跨[6]。

3 結(jié)語

根據(jù)建筑布置和結(jié)構(gòu)的抗震特點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，針對結(jié)構(gòu)存在的多項(xiàng)不規(guī)則情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了成熟可靠的鋼框架的抗側(cè)力體系，滿足了結(jié)構(gòu)抗震及抗風(fēng)的多道設(shè)防要求，同時(shí)采取多項(xiàng)加強(qiáng)措施以提高重要構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)等的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。通過前述分析，得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用YJK 為主要計(jì)算軟件，并用佳構(gòu)軟件進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，各項(xiàng)指標(biāo)基本一致。

（2）結(jié)構(gòu)在小震作用下基底剪力約是風(fēng)荷載的3.7 倍以上，地震荷載組合工況為本結(jié)構(gòu)的控制工況。

（3）主體結(jié)構(gòu)的嵌固層上下剛度比、周期比、剛重比、剪重比、側(cè)向剛度比、扭轉(zhuǎn)位移比、受剪承載力比等指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

（4）采用彈性動力時(shí)程分析對結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，小震彈性時(shí)程分析計(jì)算表明層間位移角等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，樓層剪力的時(shí)程分析結(jié)果均小于反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果。

（5）針對樓板局部不連續(xù)情況，進(jìn)行小震和中震作用下的樓板應(yīng)力分析。分析結(jié)果可實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)果滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)安全可靠。