某復(fù)雜會展建筑抗震設(shè)計

劉 魁

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

0 引言

該商業(yè)辦公綜合項目位于上海市長風(fēng)生態(tài)商務(wù)區(qū)，是集會務(wù)、展覽、辦公、商務(wù)于一體的建筑綜合體。地上部分包含“會展中心”及“辦公樓”三個結(jié)構(gòu)單體，會展中心約4.4萬m2，辦公樓約5.2萬m2(其中2號辦公樓17層，約2.4萬 m2，3號辦公樓20層，約2.8萬m2)。會展中心上部結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)6層，局部混凝土屋頂之上設(shè)置平板鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋頂，混凝土屋頂結(jié)構(gòu)高度為28.75 m，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)檐口標(biāo)高約為43.00 m，屬于A級高度高層建筑。整個地塊的地下部分為整體滿堂地下室，共2層(見圖1)。

圖1 會展中心鳥瞰圖

本工程會展中心建筑功能復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨大量的大跨度、大懸挑、樓板弱連接、錯層、跨層結(jié)構(gòu)，對抗震極為不利，滿足結(jié)構(gòu)抗震性能難度較大，需進(jìn)行詳細(xì)的抗震分析，以指導(dǎo)本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采取適當(dāng)?shù)目拐鸺訌姶胧?。工程?009年12月開始施工圖設(shè)計，2013年10月竣工驗收并投入使用。

1 結(jié)構(gòu)超限情況及對應(yīng)措施

按GB 50223-2008建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，本工程抗震設(shè)防重要性類別為乙類，結(jié)構(gòu)的抗震措施按設(shè)防烈度8度采用?？蚣芸拐鸬燃墳槎?，剪力墻抗震等級為一級。

會展中心高層建筑主要超限和不規(guī)則內(nèi)容如下:

1)樓層的最大彈性水平位移大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則超限。

2)結(jié)構(gòu)樓層有數(shù)個夾層，夾層有效樓板寬度小于該樓層樓板典型寬度的40%(夾層?xùn)|西兩邊帶狀分布樓板有效寬度僅為8.3 m和6.3 m，小于規(guī)范允許值)，同時導(dǎo)致該層開洞面積達(dá)到66%，屬于樓板局部不連續(xù)超限。

根據(jù)《上海市超限高層建筑抗震設(shè)防管理實施細(xì)則》和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(建質(zhì)［2010］109號)，會展中心結(jié)構(gòu)屬于超限高層建筑，應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)防專項審查。

結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對于本工程超限高層建筑，主要采取了以下優(yōu)化布置和加強措施［1］:

1)會展中心上部結(jié)構(gòu)框架和剪力墻的抗震等級按乙類設(shè)防的要求提高一級，同時適當(dāng)提高剪力墻配筋率，概念上提高結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件延性;局部錯層處水平構(gòu)件采取梁加腋或加寬加高梁尺寸并采取抗扭構(gòu)造，以保證水平地震作用的可靠傳遞。

圖2 X向抗倒塌驗算結(jié)果曲線

2)會展中心3個夾層(一層夾層、二層夾層、三層夾層)的樓板開洞面積非常大，導(dǎo)致多個樓層內(nèi)長短柱共存，設(shè)計考慮如下計算及構(gòu)造加強措施:

a.采用補充的并層模型進(jìn)行校核比較:將三個夾層與相鄰層并層計算，校核并層后上下樓層的層抗側(cè)剛度比及受剪承載力比值，以判別是否存在軟弱層及薄弱層，同時分析校核并層模型各項總體控制指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)程的要求，構(gòu)件內(nèi)力及構(gòu)件設(shè)計應(yīng)與原計算模型進(jìn)行比較后，進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計;

b.考慮到實際結(jié)構(gòu)中存在長短柱共存的情況，短柱加強的重點是其延性，長柱加強的重點是其承載力。長柱設(shè)計時按實際的計算長度進(jìn)行細(xì)化分析，考慮中、大震下短柱剪力部分轉(zhuǎn)至長柱承擔(dān)的可能性，結(jié)合中震計算結(jié)果適當(dāng)提高柱體配筋率(尤其是短柱箍筋)。

3)針對樓板開洞較多、開洞面積大，局部樓板寬度小、連接薄弱的情況，在結(jié)構(gòu)配筋計算時采用彈性板，進(jìn)行地震作用下的全樓樓板應(yīng)力分析，復(fù)核薄弱連接處樓板的應(yīng)力水平。施工圖階段將根據(jù)“中震不屈服”分析的內(nèi)力結(jié)果對連接處樓板進(jìn)行配筋，控制多遇地震下主拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強度設(shè)計值，基本烈度地震作用下板內(nèi)鋼筋不屈服。

4)屋頂鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)整體建模計算分析，確保鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的安全性。

2 結(jié)構(gòu)抗震計算及分析［2］

結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的SATWE和PM-SAP進(jìn)行多遇地震彈性分析和強度設(shè)計，用EPDA進(jìn)行彈塑性動力時程分析，用EPSA進(jìn)行彈塑性靜力分析，用PMSAP進(jìn)行樓板彈性應(yīng)力分析。

2.1 多遇地震分析

整體分析時采用CQC振型效應(yīng)組合方式，考慮扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)效應(yīng)，同時考慮偶然偏心的影響。主要計算結(jié)果見表1。

表1 彈性分析結(jié)果

在振型分解反應(yīng)譜法計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行了彈性時程分析，彈性時程分析選用一條人工地震波RH2TG090和兩條實測地震波TH2TG090波，TH4TG090波。規(guī)范要求設(shè)防烈度7度時，多遇地震時程分析采用加速度時程曲線的最大值為35 cm/s2，時程分析法中步長取0.02 s，阻尼比0.04。彈性時程分析與振型分解反應(yīng)譜法對比見表2(表中時程分析結(jié)果為三條時程曲線平均值)。

表2 彈性時程分析與振型分解反應(yīng)譜法對比

對比分析表明，結(jié)果滿足單條地震波計算的地震反應(yīng)不小于振型分解反應(yīng)譜法計算值65%，以及多條時程曲線計算平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算值80%的規(guī)定?？傮w而言，時程分析計算結(jié)果與反應(yīng)譜法計算結(jié)果基本吻合，滿足規(guī)范有關(guān)規(guī)定。

2.2 罕遇地震分析

EPSA程序采用的材料彈塑性本構(gòu)關(guān)系，鋼材用雙折線模型，混凝土用雙線或三折線模型(本計算采用雙折線模型)。單元假定中，一維單元(梁、柱)采用纖維束模型，彈塑性剪力墻采用非線性殼單元模型。用靜力彈塑性分析PUSH驗算了在罕遇地震作用下的樓層位移。側(cè)推荷載類型為倒三角形，基底剪力與總重量的比值為1。經(jīng)過計算分析，其罕遇地震下的層間位移角X向為1/215，Y向為1/233，遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土抗震墻結(jié)構(gòu)的限值1/100，滿足規(guī)范的要求(見圖2，圖3)。

圖3 Y向抗倒塌驗算結(jié)果曲線

罕遇地震水平方向推覆作用時，首先底部樓層的剪力墻連梁出現(xiàn)梁鉸，隨著推覆力的不斷加大，其他各層剪力墻連梁也出現(xiàn)梁鉸，隨后局部剪力墻也出現(xiàn)塑性鉸;在達(dá)到設(shè)防烈度地震性能點時，結(jié)構(gòu)裂縫相對較少，隨著水平力的繼續(xù)加大，連梁塑性鉸漸漸出齊，剪力墻裂縫逐漸顯現(xiàn)，同時部分框架梁和少量框架柱也出現(xiàn)塑性鉸;在達(dá)到罕遇地震性能點時，幾乎全部樓層的連梁都出現(xiàn)塑性鉸，部分框架梁出現(xiàn)塑性鉸，底部加強區(qū)的墻肢出現(xiàn)較多塑性鉸，部分柱也出現(xiàn)塑性鉸。結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計時，針對結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行加強，提高底部剪力墻的抗剪破壞能力。

3 結(jié)語

作為大型公共建筑，會展中心需要大空間、大層高、大懸挑、局部躍層等來滿足其功能要求，整體結(jié)構(gòu)布置一般較難滿足抗震性能要求，常規(guī)計算分析無法全面把控結(jié)構(gòu)在地震作用下的薄弱部位，需進(jìn)行詳細(xì)的抗震分析，并采取針對性的加強措施，以確保結(jié)構(gòu)抗震性能滿足規(guī)范要求。

［1］秦 川，劉文光.復(fù)雜博物館結(jié)構(gòu)的隔震效應(yīng)及地震響應(yīng)分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2012(6):71.

［2］同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司.普陀區(qū)長風(fēng)地區(qū)3D地塊商業(yè)辦公樓綜合項目超限高層建筑抗震設(shè)計專項論證報告(會展中心部分)［R］.2009.