某中學(xué)文體中心結(jié)構(gòu)超限設(shè)計

靳 衛(wèi)

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西太原 030013)

1 工程概況

本工程某中學(xué)文體中心，用地具體位置位于陽曲鎮(zhèn)民營開發(fā)區(qū)內(nèi)。文體中心地上2層，平面尺寸約為53．70 m×47．80 m。局部設(shè)置夾層及看臺，建筑高度19．050 m。地上1層為教室、辦公及健身房，2層為籃球場舞臺及運(yùn)動員休息室等。夾層部位設(shè)置了衛(wèi)生間等配套用房。建筑面積6 222．5 m2。

根據(jù)建筑功能要求，本工程采用框架結(jié)構(gòu)體系。同時，為滿足建筑功能要求，在2層以上部分取消了部分柱形成籃球館大空間，屋頂大空間部分采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。底層框架柱大小為600×600～800×900，為了增加延性，在建筑的大空間部位周圍的柱內(nèi)設(shè)置型鋼。除屋面大空間部分，其余部位樓面屋面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋。樓板厚度100 mm～120 mm。

2 超限情況及抗震措施

2．1 超限判斷

由于本工程為中學(xué)的文體中心，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》、本工程抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類即乙類。按照《山西省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定規(guī)定》的要求乙類建筑也要滿足該規(guī)定。根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行核對，本工程有以下三方面的超限:1)樓板不連續(xù)。樓板開洞后每一邊的凈寬小于5 m，且樓板開洞面積占該層樓面面積的百分比49%≥30%，屬于第一類超限。2)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則?？紤]偶然偏心時的扭轉(zhuǎn)位移比為1．20，屬于第二類超限。3)頂層抽柱形成大空間，屬于第二類超限。4)其他不規(guī)則?？磁_部位局部有錯層，結(jié)構(gòu)存在穿層柱，屬于第二類超限。綜上所述，本工程存在一條第一類超限，三條第二類超限，為特別不規(guī)則建筑，屬于超限(乙類)建筑，需進(jìn)行性能設(shè)計并采取相應(yīng)加強(qiáng)措施(其中第一類超限對應(yīng)于規(guī)定的一條超限，二類超限對應(yīng)于規(guī)定中的三條超限)。

2．2 抗震措施

1)按照規(guī)范要求，采用SATWE和MIDAS Building對此建筑進(jìn)行整體分析計算。2)采用彈性時程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計算。3)采用 MIDAS Building分別進(jìn)行靜力彈塑性分析。4)按照GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范中相關(guān)規(guī)定對關(guān)鍵部位和重要部位設(shè)置合理的性能目標(biāo)。5)采用雙向地震作用計算結(jié)果，并進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，考慮扭轉(zhuǎn)不規(guī)則對結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。6)對局部薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng):a．開設(shè)大洞的周圍梁板進(jìn)行加強(qiáng)，梁側(cè)均配置抗扭腰筋，板配筋設(shè)為雙層雙向。b．局部存在錯層的柱采用復(fù)合箍筋，且全長加密，直徑不小于12 mm。c．考慮到本結(jié)構(gòu)頂層中部抽柱形成大空間，屋蓋為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，剛度相對較弱，且大跨結(jié)構(gòu)周邊支承較為重要，故采用型鋼混凝土梁柱對網(wǎng)架周圍的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，提高結(jié)構(gòu)剛度。

2．3 性能目標(biāo)確定

性能目標(biāo)及計算程序見表1。

表1 性能目標(biāo)及計算程序表

3 抗震分析結(jié)果論證

采用了SATWE與Midas Building兩種軟件進(jìn)行整體分析計算，其中，SATWE主要進(jìn)行靜力分析和多遇地震作用下的反應(yīng)譜分析、彈性時程分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計。Midas Building主要進(jìn)行靜力分析和多遇地震作用下的反應(yīng)譜分析。圖1為結(jié)構(gòu)整體模型。

圖1 結(jié)構(gòu)整體模型圖

3．1 多遇地震彈性分析

根據(jù)比較兩種軟件計算的總質(zhì)量、兩個方向的地震總剪力、傾覆彎矩及周期振型相差很小(見表2，表3)，可見兩種程序計算結(jié)果可靠，可作為設(shè)計依據(jù)。

表2 結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比表

3．2 彈性動力時程分析

多遇地震下彈性時程分析采用SATWE軟件進(jìn)行計算，選用一條人工波(LAN-3)和兩條天然波(TH4TG045，TH2TG045)，峰值加速度為70 cm/s2，規(guī)范譜與地震波譜對比見圖2。

表3 結(jié)構(gòu)的總剪力及傾覆彎矩表

圖2 規(guī)范譜與地震波譜對比圖

最終結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)取時程法計算結(jié)果的最大值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。本工程計算中振型分解反應(yīng)譜結(jié)果曲線能包絡(luò)計算結(jié)果的每條波剪力曲線，故直接采用CQC結(jié)果進(jìn)行設(shè)計。

多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)論:

1)SATWE和Midas Building兩種模型分析結(jié)果基本一致。

2)在多遇地震作用下，可以采用抗規(guī)反應(yīng)譜進(jìn)行計算分析。

3)從計算結(jié)果可以看出結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，且各樓層側(cè)移剛度變化相對均勻，無薄弱層和軟弱層。

4)文體中心結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)件的截面尺寸基本合理。

3．3 SATWE模型設(shè)防地震作用下的計算分析

設(shè)防地震作用下的抗震性能目標(biāo)為:框架梁、柱達(dá)到抗剪中震彈性，壓/拉—彎中震不屈服;其余次要構(gòu)件允許屈服。

計算參數(shù):

地震影響系數(shù):0．45(中震)。

勾選“中震不屈服”或“中震彈性”。

選擇不計算風(fēng)荷載。

阻尼比:5%。

表4 中震位移表

由表4計算求得的結(jié)構(gòu)位移為兩個方向均不大于1/250，均可滿足規(guī)范要求。

3．4 構(gòu)件設(shè)計

構(gòu)件中采用幾種計算結(jié)果包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計，支承網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分的框架柱及穿層柱采用大震彈性計算結(jié)果配筋。對于普通框架柱采用中震不屈服的結(jié)果配置縱向鋼筋，中震彈性的計算結(jié)果配置箍筋。對于普通框架梁采用中震不屈服的結(jié)果進(jìn)行配筋，在配筋過大的部位進(jìn)行適當(dāng)調(diào)幅，確保構(gòu)造合理。一層頂樓板采用130厚雙層雙向配筋。

3．5 罕遇地震作用下的彈塑性靜力推覆分析(PUSH-OVER分析)

圖3 X方向的性能曲線圖

由圖3可以看出，X向大震下的性能點(diǎn)為(2．06e+004，0．098 4)，代表在罕遇地震作用的凈力推覆分析下，結(jié)構(gòu)的基底剪力為2．06e+004 kN，結(jié)構(gòu)最大位移為98．4 mm，結(jié)構(gòu)大震下的位移角為1/151，滿足規(guī)范中1/50的要求，能力曲線光滑，性能良好。

圖4 Y方向的性能曲線圖

由圖4可以看出，Y向大震下的性能點(diǎn)為(1．901e+004，0．072 89)，代表在罕遇地震作用的凈力推覆分析下，結(jié)構(gòu)的基底剪力為1．901e+004 kN，結(jié)構(gòu)最大位移為72．89 mm，結(jié)構(gòu)大震下的位移角為1/202，滿足規(guī)范中1/50的要求，能力曲線光滑，性能良好。

經(jīng)過計算分析比較，根據(jù)目前已進(jìn)行的結(jié)構(gòu)整體抗震分析結(jié)果，通過結(jié)構(gòu)合理布置、采取相應(yīng)加強(qiáng)措施，本工程能夠滿足規(guī)范的相關(guān)要求，具有足夠的承載力、剛度和延性性能，能夠達(dá)到抗震設(shè)計目標(biāo)要求。

［1］ GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］ 晉建設(shè)字［2008］402號，山西省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定規(guī)定［S］．