吳江某文體中心項(xiàng)目文化館結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

呂恒柱，魯松

(1.南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210019；2.南京中藝建筑設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 210017)

1 工程概況

圖1 建筑效果圖

吳江某文體中心項(xiàng)目位于蘇州市吳江區(qū)汾湖高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，作為汾湖地區(qū)居民的文化娛樂(lè)和健身場(chǎng)所，主體建筑設(shè)計(jì)新穎，整個(gè)建筑酷似展翅的雄鷹。項(xiàng)目總建筑面積為3.5萬(wàn)m2。文體中心項(xiàng)目包括文化館和體育館[1]等單體，建筑效果圖如圖1所示。本文主要介紹文化館的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文化館分為兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單體，建筑內(nèi)部布局有室內(nèi)的籃球、乒乓球、羽毛球等功能場(chǎng)館，可以滿足市民多方面的文化生活需求。其中文化館一區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“一區(qū)”)為3層，層高分別為6.3 m、5.4 m和4.8 m，主屋面高度16.5 m；文化館二區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“二區(qū)”)為3層，層高分別為7.8 m、6.0 m和5.4 m，主屋面高度19.2 m。兩單體均無(wú)地下室。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年；建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)；重要性系數(shù)為1.0，建筑抗震設(shè)防分類(lèi)為丙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為6度(0.05 g)，抗震措施為6度。建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，場(chǎng)地土特征周期為0.45 s，基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2(50年一遇)，基本雪壓為0.40 kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)，風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.3。

2 結(jié)構(gòu)體系及超限情況

2.1 結(jié)構(gòu)體系

圖2 一區(qū)2層平面布置及加強(qiáng)部位示意圖

圖3 一區(qū)整體計(jì)算模型

一區(qū)標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)8.4 m×7.4 m，2層結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖2，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，主要柱截面為700 mm×700 mm，梁截面400 mm×750 mm。因建筑空間布置和造型的需要，西側(cè)1層端部采用4組V形柱以支撐2層的雙排柱(見(jiàn)圖3)，V形柱傾角56°，其截面尺寸為1 m×1 m，被支撐柱截面為700 mm×700 mm，兩種柱均為型鋼混凝土柱，相應(yīng)區(qū)域主梁為型鋼混凝土梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分利用建筑四角樓梯間位置設(shè)置全高剪力墻；東部報(bào)告廳位置2層無(wú)樓板，其屋面為大面積斜坡輕鋼結(jié)構(gòu)屋面，通過(guò)合理設(shè)置屋面水平支撐，以增加板面剛度，從而加強(qiáng)單體整體扭轉(zhuǎn)剛度。

二區(qū)標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)8.4 m×8.4 m，2層結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖4，采用含少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)，主要柱截面為1 m×1 m和1.2 m×1.2 m，梁截面400 mm×750 mm。南端為大懸挑結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)，懸挑長(zhǎng)度為10.7～16.6 m不等，懸挑體系采用型鋼混凝土單向斜撐、交叉斜撐以及與之相連的框架梁組成。兩單體加強(qiáng)區(qū)內(nèi)型鋼混凝土構(gòu)件截面尺寸詳表1，鋼材為Q345B。

圖4 二區(qū)2層平面布置及加強(qiáng)部位示意圖

圖5 二區(qū)整體計(jì)算模型

表1 型鋼構(gòu)件截面尺寸 單位：mm

兩單體抗震等級(jí)為剪力墻三級(jí)，框架四級(jí)。同時(shí)，因兩單體均存在多處不規(guī)則，為提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，將一區(qū)1-1軸左側(cè)及1-6軸右側(cè)和二區(qū)2-3軸左側(cè)及2-8軸右側(cè)區(qū)域分別設(shè)置為重點(diǎn)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)A～D區(qū)(具體范圍見(jiàn)圖2和圖4陰影區(qū)所示)，剪力墻和框架抗震等級(jí)均提高一級(jí)至二級(jí)和三級(jí)。

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況

經(jīng)結(jié)構(gòu)平面和豎向歸并后，一區(qū)共存在3項(xiàng)一般不規(guī)則：

(1)考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為1.32，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；

(2)2層樓板根據(jù)建筑需要開(kāi)設(shè)洞口，使得樓板有效寬度小于50%，屬于樓板不連續(xù)；

(3)偏心矩0.22大于0.15為偏心布置。其他，存在局部的穿層柱和斜柱。同時(shí)，因建筑端部采用4組V形柱，面外抗扭剛度很弱且無(wú)法加強(qiáng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體計(jì)算第二周期為扭轉(zhuǎn)，在水平地震力作用下會(huì)引起兩端豎向構(gòu)件顯著的剪切變形。

二區(qū)共存在4項(xiàng)一般不規(guī)則：

(1)考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為1.33，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；

(2)2層樓板根據(jù)建筑需要開(kāi)設(shè)洞口，使得樓板有效寬度小于50%，屬于樓板不連續(xù)；

(3)偏心矩0.53大于0.15為偏心布置；

(4)外挑大于10%和4 m(樓面梁板懸挑除外)。其他還存在局部的穿層柱和斜柱。

一區(qū)和二區(qū)均無(wú)嚴(yán)重不規(guī)則情況，其結(jié)構(gòu)布置屬抗規(guī)[2]規(guī)定的特別不規(guī)則的多層建筑。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

考慮兩單體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，結(jié)合抗規(guī)[1]、高規(guī)[3]和文獻(xiàn)[4]的相關(guān)規(guī)定，為提高結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度和承載力，采用基于抗震性能的設(shè)計(jì)方法，在整體采用D級(jí)抗震性能目標(biāo)的基礎(chǔ)上，兩端結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)在中震下由第4性能水準(zhǔn)提高至第3性能水準(zhǔn)，具體目標(biāo)詳表2。

表2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

除表2所述的性能目標(biāo)要求外，結(jié)合超限審查專(zhuān)家意見(jiàn)，還需考慮以下幾點(diǎn)：1)單體僅為3層，所有豎向構(gòu)件均按關(guān)鍵構(gòu)件考慮；2)中震作用下，整體結(jié)構(gòu)的承載力不發(fā)生下降；3)大震作用下，同一樓層的豎向構(gòu)件不宜全部進(jìn)入屈服；4)因懸挑尺寸較大，在豎向荷載作用下，懸挑端的豎向位移帶動(dòng)整體結(jié)構(gòu)向懸挑端傾斜，各層梁、板構(gòu)件內(nèi)均出現(xiàn)拉力，補(bǔ)充樓板在豎向荷載及地震下的應(yīng)力分析；5)兩單體屋面均為大面積斜板，對(duì)計(jì)算模型整體指標(biāo)影響較大，采用平板模型考慮整體指標(biāo)，采用平板及斜板模型進(jìn)行構(gòu)件包絡(luò)配筋。

4 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算與分析

4.1 小震反應(yīng)譜計(jì)算與分析

主體結(jié)構(gòu)采用SPASCAD程序建立真實(shí)空間模型計(jì)算，并補(bǔ)充Midas Building程序的小震作用分析，兩種程序的主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。同時(shí)，二區(qū)按框架結(jié)構(gòu)與少墻框架結(jié)構(gòu)兩種模型計(jì)算并包絡(luò)設(shè)計(jì)。

表3 兩種程序的主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比

除表2所述的計(jì)算結(jié)果外，其他計(jì)算結(jié)果如剪重比、剛重比、有效質(zhì)量系數(shù)、地震作用最大層間位移角和剛度比等整體計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

需要說(shuō)明的是，因Midas程序把斜撐承擔(dān)的剪力統(tǒng)計(jì)在框架柱內(nèi)，而SPASCAD程序把斜撐承擔(dān)的剪力統(tǒng)計(jì)在剪力墻內(nèi)，故兩種程序在有斜撐的方向統(tǒng)計(jì)柱剪力所占樓層剪力百分比時(shí)存在較大差異，且計(jì)算樓層受剪承載力之比亦不同，如二區(qū)2層Y向存在斜撐轉(zhuǎn)換，SPASCAD計(jì)算的底層Y向樓層受剪承載力比值僅為0.23(刪除斜撐后比值為0.82)，而Midas計(jì)算的底層Y向樓層受剪承載力比值為0.9931，按兩程序不利結(jié)果考慮，把底層定義為薄弱層，所有豎向構(gòu)件均按中震受剪彈性，受彎不屈服性能目標(biāo)加強(qiáng)(見(jiàn)表2)。

4.2 中震作用下關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能分析

4.2.1 一區(qū)V形柱中震彈性驗(yàn)算

V形柱立面示意圖見(jiàn)圖6a，提取SPASCAD模型中震反應(yīng)譜法4組V形柱控制內(nèi)力(每組兩根斜柱內(nèi)力的較大值)，根據(jù)規(guī)范[5]第6.1.9和6.1.10條驗(yàn)算V形柱斜截面抗剪承載力，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表4，結(jié)果表明：中震作用下V形柱剪壓比小于0.36，受剪承載力與剪力之比均大于1，則斜截面抗剪滿足中震彈性要求，而滿足中震正截面受彎彈性的最大全截面縱筋配筋率僅為1.58%。同時(shí)，選取受荷面積較大的1-H軸上的V形柱進(jìn)行構(gòu)件有限元分析，因單體不足20 m，風(fēng)荷載不起控制作用，僅考慮恒載、活載和地震作用三種工況下各構(gòu)件的軸力、彎矩和剪力，其中X向地震作用工況下V形柱及周邊構(gòu)件剪力分布圖見(jiàn)圖6b。

表4 V形柱中震彈性驗(yàn)算

圖6 一區(qū)V形柱布置及計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.2.2 二區(qū)斜撐及相連的框架中震彈性驗(yàn)算

單向和交叉斜撐的布置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖7，考慮該區(qū)域構(gòu)件懸挑尺寸較大，6根斜撐及與之相連的型鋼梁、柱在整體設(shè)定D級(jí)抗震性能目標(biāo)的基礎(chǔ)上，由第4性能水準(zhǔn)提高至第3性能水準(zhǔn)，構(gòu)件抗震等級(jí)提高至三級(jí)。同理，提取SPASCAD模型中震反應(yīng)譜法構(gòu)件的控制內(nèi)力驗(yàn)算其截面抗剪承載力。結(jié)果表明中震作用下受力構(gòu)件剪壓比小于0.36，受剪承載力/剪力均大于1，斜截面抗剪滿足中震彈性要求，而中震正截面受彎彈性的單側(cè)縱筋配筋率僅需0.3%即可滿足，則構(gòu)件截面配筋由抗剪彈性控制。

圖7 二區(qū)6組斜撐立面示意圖

4.2.3 二區(qū)樓板應(yīng)力分析

圖8 二區(qū)3層樓板主應(yīng)力云圖 (單位：kN/m2)(最大拉應(yīng)力1.07 MPa、0.25 MPa)

二區(qū)南端區(qū)域懸挑尺寸較大，在豎向荷載作用下，懸挑端的豎向位移帶動(dòng)整體結(jié)構(gòu)向懸挑端傾斜，2層梁、板構(gòu)件在靠近懸挑端附近產(chǎn)生附加壓力，而在3層和屋面梁、板構(gòu)件內(nèi)均產(chǎn)生附加拉力，分析各層樓板恒、活作用下正應(yīng)力云圖可知，在恒載荷及活荷載作用下，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生的部位為3層斜撐對(duì)應(yīng)上方型鋼混凝土框梁位置(圖8)，但其值小于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa，滿足樓板中震彈性要求，相關(guān)樓層梁均按照壓彎或拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。除純懸挑外，樓層板厚均取150 mm，配筋率按0.3%雙層雙向拉通。同時(shí)，為了分析大懸挑樓板剛度對(duì)懸挑梁受力和變形的影響，針對(duì)懸挑樓板剛度建立了兩種分析模型：1.樓板剛度100%；2.樓板剛度退化50%。驗(yàn)算結(jié)果表明：中震作用下樓板剛度退化小于或等于50%情況下，框架梁軸向力差異不大，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備。

4.3 大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

本工程兩單體均采用有限元程序Midas Building進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析[6]。

4.3.1 結(jié)構(gòu)整體塑性損傷情況

采用混凝土為纖維理想彈塑性剪切本構(gòu)關(guān)系評(píng)價(jià)剪力墻的屈服程度，通過(guò)應(yīng)變等級(jí)評(píng)價(jià)剪力墻是否屈服，第一和第二等級(jí)為彈性狀態(tài)，第三等級(jí)為屈服狀態(tài)，第四等級(jí)為屈服后狀態(tài)，第五等級(jí)為極限狀態(tài)。采用屈服狀態(tài)評(píng)價(jià)框架塑性鉸的發(fā)展程度，第一是開(kāi)裂狀態(tài)，第二是屈服狀態(tài)，第三是極限狀態(tài)，圖例中輸出的比值代表在該項(xiàng)上發(fā)生屈服的鉸的數(shù)量與分配給構(gòu)件的該類(lèi)型鉸總數(shù)的比值。

一區(qū)(二區(qū))剪力墻和框架在基底剪力最大的地震波P01(P03)作用下的整體損傷情況(X向地震框架和剪力墻整體損傷見(jiàn)圖9～圖12)表明底部?jī)蓪拥募袅p傷嚴(yán)重，應(yīng)變等級(jí)已達(dá)到五級(jí)，局部進(jìn)入了極限狀態(tài)；而框架柱基本處于第一狀態(tài)即開(kāi)裂狀態(tài)，僅有極個(gè)別柱進(jìn)入第二狀態(tài)即屈服狀態(tài)；框架梁的損傷普遍存在特別是兩端的框架梁已經(jīng)進(jìn)入第二狀態(tài)即屈服狀態(tài)，框架梁的彈塑性變形有效耗散了一部分地震能量。

4.3.2 塑性鉸開(kāi)展趨勢(shì)

一區(qū)(二區(qū))兩個(gè)方向的塑性鉸開(kāi)展順序基本接近，其塑性發(fā)展過(guò)程：首先是作為耗能構(gòu)件的框架梁率先進(jìn)入第一屈服狀態(tài)即開(kāi)裂狀態(tài)，然后是剪力墻開(kāi)始受剪屈服并伴隨著部分框架梁塑性鉸(第二屈服狀態(tài))的出現(xiàn)，最后剪力墻進(jìn)入屈服狀態(tài)部分框架梁亦進(jìn)入屈服狀態(tài)，框架柱基本上僅進(jìn)入第一屈服狀態(tài)即開(kāi)裂狀態(tài)。其中剪力墻的破壞比較明顯。鑒于現(xiàn)階段分析程序功能上的限制，上述分析結(jié)果中均未計(jì)入根據(jù)小震時(shí)程分析和中震分析需采取措施的影響，實(shí)際損傷程度應(yīng)有所減輕。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，作為小震和中震加強(qiáng)措施的補(bǔ)充，仍將根據(jù)相對(duì)損傷程度，有針對(duì)性地適當(dāng)加強(qiáng)剪力墻配筋率，以提高其承載力和延性。

圖9 一區(qū)X向地震框架整體損傷

圖10 一區(qū)X向地震剪力墻整體損傷

圖11 二區(qū)X向地震框架整體損傷

圖12 二區(qū)X向地震剪力墻整體損傷

4.3.3 大震作用下關(guān)鍵構(gòu)件的性能化驗(yàn)算

大震作用下各單體的關(guān)鍵部位性能化驗(yàn)算結(jié)果表明，混凝土受力構(gòu)件剪壓比小于0.2，型鋼混凝土構(gòu)件受力構(gòu)件剪壓比小于0.36，受剪承載力與剪力之比均大于1，斜截面抗剪滿足大震彈性要求。其中，一區(qū)V形柱滿足大震正截面受彎不屈服的單側(cè)縱筋配筋率詳下表5。

表5 一區(qū)V形柱大震抗剪彈性、抗彎不屈服驗(yàn)算

5 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

(1)一區(qū)V形柱柱肢端部承托上部的邊柱和中柱，由于邊柱和中柱的荷載差異，V形柱會(huì)產(chǎn)生向外的水平推力，因此，樁基設(shè)計(jì)時(shí)，除在V形柱下布置承受豎向力的樁基外，還應(yīng)考慮樁基承受的水平力，需增加一定的樁數(shù)，布置方向和V形柱方向垂直，并輔以地梁加強(qiáng)與周邊樁基的連接，一并納入抗水平力體系。V形柱與基礎(chǔ)承臺(tái)的連接大樣見(jiàn)圖13。

(2)一區(qū)V形柱、二區(qū)斜撐及與它們相連的框架梁、柱均采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(圖6a和圖7)，以提高該部分構(gòu)件的承載力。由于型鋼混凝土梁、柱及支撐交匯構(gòu)件較多，需要特別注意構(gòu)件交匯處節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，除滿足節(jié)點(diǎn)受力外，還應(yīng)考慮施工的便捷性。典型V形柱頭連接節(jié)點(diǎn)大樣見(jiàn)圖14[7]，單向和交叉典型斜撐連接節(jié)點(diǎn)大樣見(jiàn)圖15，均在節(jié)點(diǎn)處增設(shè)加勁板協(xié)助力的傳遞，確保節(jié)點(diǎn)等強(qiáng)設(shè)計(jì)。

(3)一區(qū)V形柱和二區(qū)斜撐及與它們相連的框架梁、柱箍筋采用大震彈性振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的配筋設(shè)計(jì)值；縱向鋼筋采用大震不屈服振型及中震彈性分解反應(yīng)譜法計(jì)算的配筋設(shè)計(jì)值兩者較大值。

(4)加強(qiáng)區(qū)A～D內(nèi)(除V形柱和斜撐外)剪力墻、柱及長(zhǎng)懸挑構(gòu)件箍筋采用中震彈性振型分解反應(yīng)譜法(等效彈性方法)；縱向鋼筋采用中震不屈服振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的配筋設(shè)計(jì)值。

圖13 V形柱與基礎(chǔ)承臺(tái)的連接大樣

圖14 典型V形柱頭連接節(jié)點(diǎn)大樣

圖15 典型斜撐連接節(jié)點(diǎn)大樣

(5)加強(qiáng)區(qū)A～D內(nèi)各層耗能構(gòu)件箍筋采用中震不屈服振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的配筋設(shè)計(jì)值，縱筋仍采用小震下的配筋設(shè)計(jì)值；非加強(qiáng)區(qū)各層豎向構(gòu)件箍筋及縱筋采用中震不屈服振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的配筋設(shè)計(jì)值。

(6)提高兩單體剪力墻分布筋配筋率至0.5%且不小于計(jì)算值，受力較大的墻肢端部加型鋼，防止剪力墻在大震作用下過(guò)早的進(jìn)入屈服狀態(tài)。

(7)一區(qū)V形柱中間的樓板和二區(qū)所有樓板厚度均加強(qiáng)至150 mm，雙層雙向配筋率提高至0.3%并不小于計(jì)算值，控制拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)該文體中心項(xiàng)目雖層數(shù)不高，但為存在多項(xiàng)不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，考慮其為當(dāng)?shù)氐闹匾ㄖ鐣?huì)影響大，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能提出更高的要求，補(bǔ)充大震動(dòng)力彈塑性分析，對(duì)抗震性能設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的薄弱部位采取技術(shù)措施是十分必要的；

(2)針對(duì)一區(qū)V形柱、二區(qū)斜撐及與它們相連的框架梁、柱等關(guān)鍵構(gòu)件均進(jìn)行有限元分析，并特別注意構(gòu)件交匯處節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，除滿足節(jié)點(diǎn)受力外，還考慮了施工的便捷性；

(3)雖單體為提高抗震性能而分散設(shè)置少量的剪力墻，但根據(jù)大震作用下結(jié)構(gòu)的相對(duì)損傷程度可以發(fā)現(xiàn)其承擔(dān)了大部分的地震剪力，為主要抗側(cè)力構(gòu)件，需有針對(duì)性加強(qiáng)剪力墻構(gòu)件配筋，以提高其承載力和延性。

通過(guò)以上抗震論證過(guò)程可知，對(duì)本工程兩棟單體抗震性能設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)的薄弱部位采取必要的技術(shù)措施后，在實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”基本設(shè)計(jì)原則的同時(shí)，整體能夠達(dá)到D級(jí)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，增加土建造價(jià)較少而優(yōu)化了結(jié)構(gòu)抗震性能。