某超限多層鋼框架結(jié)構(gòu)分析

周明卿

摘要：本文主要介紹某實(shí)際超限多層鋼框架結(jié)構(gòu)平面布置，結(jié)構(gòu)體系及超限判定；通過對(duì)該鋼框架結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，并對(duì)局部進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，為以后同類項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼框架結(jié)構(gòu)；超限多層結(jié)構(gòu)；大懸挑；抗震措施

1 工程概況

本項(xiàng)目基地位于上海市虹口區(qū)廣粵支路和汶水東路交界處。由T1#樓、T2#、T3#樓三幢新建臨時(shí)建筑，使用年限為五年。本工程總建筑面積5999.39平方米。為戊類鋁制標(biāo)牌生產(chǎn)廠房，生產(chǎn)材料與產(chǎn)品均為不燃物質(zhì)。

該工程平面外包尺寸約57.0mX44.9m，用抗震縫分成三個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，其中位于北側(cè)及東側(cè)的B、C兩個(gè)單元平面尺寸均為27.1mx14.6m。首層層高6.5m，二層層高3.05m；屋面標(biāo)高約9.55m，三個(gè)結(jié)構(gòu)單元間在二層設(shè)置連廊，通過滑動(dòng)支座與各單元相連，上部結(jié)構(gòu)為鋼框架結(jié)構(gòu)，室內(nèi)外高差：0.02米。

本工程地上結(jié)構(gòu)為2層建筑，3.5m標(biāo)高處局部設(shè)置夾層，無地下室，房屋高度9.570m，結(jié)構(gòu)體系為鋼框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布置平面及立面均不規(guī)則，軸網(wǎng)尺寸主要為10.5mx10.5m，1層層高6.5m，2層層高3.5m。結(jié)構(gòu)樓板布置采用壓型鋼板組合樓板，樓板厚度為110mm。樓層結(jié)構(gòu)平面布置圖見下圖。

基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)加基礎(chǔ)梁的結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)持力層為②1層粉質(zhì)粘土層，埋深2.4米，地基承載力設(shè)計(jì)值為85KPa。勘探顯示本場地可不考慮地震液化影響。

2 結(jié)構(gòu)體系超限判定及應(yīng)對(duì)措施

2.1 超限情況[1～2，6]

（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。在具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件彈性水平位移（或?qū)娱g位移）的最大值與平均值的比值大于為1.35，大于1.2。

（2）樓板不連續(xù)。帶斜支撐錯(cuò)層且懸挑達(dá)5m大懸挑結(jié)構(gòu)，存在較大的樓層錯(cuò)層且懸挑長度大于4m。

（3）側(cè)向剛度不連續(xù)。一層側(cè)向剛度小于相鄰上一層的剛度比為50.1%小于70%。yjk模型計(jì)算中考慮支撐的剛度，支撐所在的樓層剛度明顯增大，考慮后，則剛度比計(jì)算滿足規(guī)范要求，有計(jì)算失真狀況。因此實(shí)際支撐為穿層支撐，按照層的概念判別側(cè)向剛度比與結(jié)構(gòu)實(shí)際情況不符。于是去掉支撐進(jìn)行模型計(jì)算并依據(jù)此結(jié)果進(jìn)行剛度比的判別。

（4）建筑3.5m標(biāo)高大挑空。模型中不作為一個(gè)單獨(dú)樓層，梁按層間梁建入模型，本條應(yīng)可與樓板不連續(xù)（錯(cuò)層）歸并為一條小超限。

（5）樓間連廊。本工程樓與樓之間設(shè)置連廊，連廊采用滑動(dòng)支座，應(yīng)可不按連體結(jié)構(gòu)考慮。

根據(jù)上海市《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(hào)）[3]中的相關(guān)條文規(guī)定，本工程屬于特別不規(guī)則多層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)防專門研究與論證。

2.2 計(jì)算參數(shù)

設(shè)計(jì)所取的主要計(jì)算參數(shù)如下：

計(jì)算模型詳見圖2、圖3。

根據(jù)本建筑物使用功能以及重要性，依據(jù)規(guī)定，抗震設(shè)防類別劃分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），因本工程為單跨框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)提高一級(jí)考慮。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析[3～4]

設(shè)計(jì)采用YJK、MIDAS軟件進(jìn)行分析，補(bǔ)充了彈性時(shí)程分析，罕遇地震下彈塑性靜力推覆分析。計(jì)算分析假定上部結(jié)構(gòu)以基礎(chǔ)頂為計(jì)算嵌固端，采用了扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法，考慮了單向地震作用下±5%的偶然偏心和雙向地震作用的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。以扭轉(zhuǎn)為主的周期與第一平動(dòng)為主的周期的比值不大于0.9，樓層層間位移角均小于1/250；最小剪重比均大于1.6%；地震作用的振型質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%。以上計(jì)算結(jié)果表明，建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置基本合適，經(jīng)進(jìn)一步完善后可滿足抗震設(shè)防的要求。

上部結(jié)構(gòu)采用北京盈建科軟件股份有限公司開發(fā)的YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（版本號(hào)：1.8.3）進(jìn)行分析及Midas GEN進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析。

基本計(jì)算假定：

A.嵌固端設(shè)于基礎(chǔ)頂。

B.地震力計(jì)算采用CQC法；

C.振型數(shù)取為6；

D.采用剛性樓板模型進(jìn)行整體模型分析，采用彈性樓板進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及設(shè)計(jì)；

E.周期折減系數(shù)取0.7。

2.3.1地震周期計(jì)算結(jié)果詳見下表2[4]：

2.3.2水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)詳見下表3[4]：

通過上述兩種軟件計(jì)算結(jié)果的匯總分析，可以看出兩種軟件計(jì)算的周期、位移、底部總荷載、總傾覆力矩、剪重比等指標(biāo)均很接近，說明計(jì)算分析結(jié)果是準(zhǔn)確合理的。

沉降分析擬采用北京盈建科軟件股份有限公司開發(fā)的YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析。共同分析作用下單柱下最大沉降約為56mm，相鄰柱基最大沉降差為21mm（<0.002L）。滿足要求。

2.4 超限設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施

（1）整體計(jì)算分析時(shí)考慮活荷載不利布置及斜交抗側(cè)力構(gòu)件方向的地震作用效應(yīng)和水平夾角大于15度的最大地震作用方向的地震作用，重力荷載代表值的活荷載組合系數(shù)按實(shí)取用。采用空間桿件結(jié)構(gòu)模型（MIDAS-GEN）進(jìn)行整體彈性分析的補(bǔ)充計(jì)算。通過合理布置框架柱等豎向構(gòu)件，適當(dāng)加大外環(huán)梁，減小結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心，從而減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在計(jì)算中計(jì)入了扭轉(zhuǎn)影響，考慮了雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，質(zhì)量參與系數(shù)不小于90%。計(jì)算結(jié)果表明其扭轉(zhuǎn)情況并不嚴(yán)重，滿足規(guī)范要求

（2）補(bǔ)充彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果，采用的地震波選用現(xiàn)行上海市《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》[1]提供的時(shí)程曲線，波的特征周期應(yīng)與小震匹配，并取與CQC法計(jì)算的結(jié)果包絡(luò)進(jìn)行構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)。

（3）通過建立Midas-gen模型對(duì)錯(cuò)層柱進(jìn)行細(xì)化分析，達(dá)到中震不屈服的要求。按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]3.4.4條采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，剛度小的樓層的地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并按照規(guī)范規(guī)定進(jìn)行靜力彈塑性變形分析，確保大震不倒。

（4）對(duì)鋼連廊支座處的連接節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充設(shè)計(jì)，如實(shí)計(jì)算支座處垂直力和水平力。通過內(nèi)部添加平衡彎矩梁延伸至內(nèi)部一跨的方法，加強(qiáng)支托鋼連廊的邊梁的抗扭剛度，荷載計(jì)算考慮鋼連廊的附加力及其對(duì)梁柱軸線產(chǎn)生的偏心力矩，并采用增加此梁截面的方法，計(jì)算應(yīng)力比保持在0.8以內(nèi)，確保在罕遇地震下的安全性。

（5）設(shè)計(jì)時(shí)采用鋼柱腳外包鋼筋混凝土的柱墩的線剛度為鋼柱線剛度的33倍，使得柱墩線剛度大于上部鋼柱線剛度的5倍，且基礎(chǔ)梁鋼筋穿過柱墩并可靠錨固，加強(qiáng)了柱墩頂部與基礎(chǔ)梁的連接。

（6）進(jìn)行了屋面層彈性樓板的應(yīng)力分析，在小震下，薄弱部位樓板主拉應(yīng)力不超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，中震計(jì)入豎向荷載作用下，板內(nèi)鋼筋不屈服。

（7）對(duì)大懸臂和大跨度區(qū)域樓面進(jìn)行舒適度驗(yàn)算，施加人行荷載，通過計(jì)算在此荷載作用下最大加速度為0.0336m/s2<0.05m/s2，滿足辦公環(huán)境樓蓋豎向振動(dòng)加速度限值要求[5]。

3 結(jié)語

根據(jù)以上分析，本工程雖然超限，但通過結(jié)構(gòu)的合理布置，計(jì)算結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。采用了YJK和Midas GEN兩個(gè)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算（均為空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型），并對(duì)主要結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，采用的兩種不同力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果基本規(guī)律一致，計(jì)算結(jié)果盡管在數(shù)值上有一定的差異，但均在工程可接受的范圍內(nèi)。為達(dá)到抗震時(shí)對(duì)整體結(jié)構(gòu)提出的預(yù)期性能目標(biāo)，本工程對(duì)薄弱部位進(jìn)行了加強(qiáng)，確保結(jié)構(gòu)安全。

按照相關(guān)國家規(guī)范、規(guī)程對(duì)本工程在地震荷載、風(fēng)荷載及重力荷載作用下進(jìn)行細(xì)致分析。各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到規(guī)范要求；在施工圖中有針對(duì)性的加強(qiáng)構(gòu)造措施。根據(jù)本工程超限情況，有針對(duì)性的提出高于規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，可作為類似工程的參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50011-2010（2016年版）[S]2016年版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[2]上海市建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程，DGJ08-9-2013.上海：上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì).

[3]上海市超限高層建筑抗震設(shè)防管理實(shí)施細(xì)則：滬建管[2014]954號(hào)[M].上海：上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和管理委員會(huì)，2014.

[4]盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件[M].北京：北京盈建科軟件股份有限公司 盈建科軟件股份有限公司

[5]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，JGJ3-2010.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[6]呂西林.超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南[M].2版.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2009.

（作者單位：上海中森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司）