西安某辦公樓結(jié)構(gòu)超限分析

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200090

1 工程概況

案例工程位于陜西省西安市，為某航天院所辦公樓兼食堂，現(xiàn)已竣工并投入使用。該建筑物平面尺寸約為70m×23m，大屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為13.2m，底層層高為5.4m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.9m，總建筑面積為4148.78m2。建筑立面圖以及首層平面圖如圖1、圖2所示。

圖1 建筑立面圖

圖2 首層建筑平面圖（單位：mm）

該建筑物結(jié)構(gòu)形式采用鋼框架-支撐體系，長(zhǎng)方向兩端沿全高設(shè)BRB（屈曲約束）支撐以減小地震作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，并增強(qiáng)中、大震下的結(jié)構(gòu)耗能能力。底層為了跨越原有地下消防水池取消兩排柱，形成25.5m左右大跨度，采用大跨轉(zhuǎn)換梁（箱型尺寸為1400mm×450mm×30mm）支承上部結(jié)構(gòu)；為適當(dāng)減小跨度，兩側(cè)增設(shè)斜撐（箱型截面為450mm×20mm），如圖3所示。頂層有較大錯(cuò)層。

圖3 首層轉(zhuǎn)換部位立面圖

2 超限情況匯總

該結(jié)構(gòu)存在多項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)，根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，不規(guī)則項(xiàng)匯總?cè)缦拢孩倥まD(zhuǎn)不規(guī)則，位移比值為1.32，大于BRB支撐控制后的位移比值1.2；②樓板不連續(xù)，頂層有較大錯(cuò)層；③構(gòu)件間斷，底層抽柱形成轉(zhuǎn)換梁支承上部結(jié)構(gòu)。

該工程雖不屬于高層，但所處西安市為設(shè)防烈度8度區(qū)，且結(jié)構(gòu)整體判斷屬于特別不規(guī)則，為安全起見(jiàn)，進(jìn)行超限分析，并補(bǔ)充多遇地震下時(shí)程分析和靜力彈塑性分析。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

該工程采用筏板基礎(chǔ)+條形基礎(chǔ)，局部地下室區(qū)域采用筏板基礎(chǔ)，埋深約-6.1m，無(wú)地下室區(qū)域采用條基，基礎(chǔ)埋深約-2.45m。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，基礎(chǔ)持力層主要為自重濕陷性黃土層，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)（中等），采用DDC法（孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法）進(jìn)行地基處理，消除黃土濕陷性，同時(shí)提高地基承載力。設(shè)計(jì)單樁直徑為550mm，梅花形布樁，樁距為900mm，樁長(zhǎng)為10m。處理后經(jīng)承載力檢測(cè)，實(shí)際承載力為280kPa，大于設(shè)計(jì)取值260kPa，雖余量不大，但滿足設(shè)計(jì)要求。

4 多遇地震下彈性時(shí)程分析

采用PKPM軟件的PMSAP模塊進(jìn)行多遇地震下彈性時(shí)程分析，選取3條地震波，其中1條人工波：RH2TG（人工波）；2條天然波：TH052TG（天然波）和TH092TG（天然波）。根據(jù)分析，3條波反應(yīng)譜在前五階周期點(diǎn)的地震影響系數(shù)平均值與規(guī)范譜相比誤差均在20%以內(nèi)（最大為12.8%）；時(shí)程分析與反應(yīng)譜法分析相比，基底剪力為后者的79.1%～96.6%，均處在65%～135%，平均值為后者的88.7%～94.5%，處在80%～120%，選取的地震波滿足規(guī)范相關(guān)要求。

根據(jù)分析結(jié)果，時(shí)程分析樓層剪力變化趨勢(shì)基本與反應(yīng)譜法基本一致，并對(duì)剪力相較于反應(yīng)譜法分析結(jié)果更大的樓層進(jìn)行相應(yīng)的放大調(diào)整。

5 樓蓋振動(dòng)舒適度驗(yàn)算結(jié)果

對(duì)二層大跨度樓蓋進(jìn)行自振舒適度分析，采用Midas Gen軟件（上部荷載作為質(zhì)量施加）分析模型，如圖4所示。

圖4 大跨度轉(zhuǎn)換區(qū)域樓蓋振動(dòng)分析模型

經(jīng)分析，樓蓋一階豎向自振頻率為3.8Hz＞3Hz，滿足相關(guān)規(guī)范要求。同時(shí)，采用《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）附錄A提供的方法計(jì)算得到豎向振動(dòng)峰值加速度為0.012m/s2＜0.05m/s2，滿足相關(guān)要求。

6 錯(cuò)層處樓板應(yīng)力分析

為滿足頂層會(huì)議廳凈高要求，屋面抬高1.5m，形成錯(cuò)層，剩余有效樓板寬度為3.8m，僅為樓板總寬度的20%，屋面層建筑平面如圖5所示。由圖5可知，該建筑存在較大的樓層錯(cuò)層且有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，故需要進(jìn)行地震作用下樓板應(yīng)力分析。

圖5 屋面層建筑平面圖（單位：mm）

采用PKPM2010軟件的PMSAP模塊計(jì)算，樓板設(shè)置為彈性膜，根據(jù)分析結(jié)果，多遇地震下X、Y方向樓板最大拉應(yīng)力為522.8kPa，小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43MPa；中震按照樓板內(nèi)力放大2.8倍的不利估計(jì)，最大應(yīng)力為1.46MPa，小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01MPa。綜上，認(rèn)為地震作用下錯(cuò)層處剩余樓板不會(huì)發(fā)生破壞，能夠保證結(jié)構(gòu)整體性并有效傳遞內(nèi)力。由于剩余樓板寬度較小，采用雙層雙向配筋d8@100予以加強(qiáng)，配筋率為0.42%。

7 中、大震靜力彈塑性分析

采用Midas Gen軟件分析該工程，計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 Midas計(jì)算模型

選用目標(biāo)位移控制方式，初始荷載取重力荷載代表值對(duì)應(yīng)的1.0恒載+0.5活載，在此基礎(chǔ)上選擇X、Y方向平動(dòng)模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)向加載，并對(duì)目標(biāo)位移進(jìn)行控制。塑性鉸選用FEMA鉸。根據(jù)《高規(guī)》，選取結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)等級(jí)為D級(jí)，性能目標(biāo)要求如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

（1）設(shè)防烈度地震（中震）下的推覆分析結(jié)果。X、Y兩方向推覆工況分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)能力譜具有明顯的屈服平臺(tái)，并與中震需求譜存在交點(diǎn)（Y方向未出鉸），即中震性能點(diǎn)，中震推覆性能結(jié)果如表2所示。X方向中震性能點(diǎn)的各構(gòu)件塑性鉸分布情況如圖7～圖10所示。

表2 中震推覆性能結(jié)果

圖7 BRB支撐塑性鉸分布情況

圖8 普通斜撐塑性鉸分布情況

圖9 框架柱塑性鉸分布情況

圖10 框架梁塑性鉸分布情況

由圖7～圖10可知，X方向中震作用下，框架梁、柱及普通斜撐未出現(xiàn)塑性鉸，部分BRB支撐進(jìn)入屈服狀態(tài)。

（2）罕遇地震（大震）下的推覆分析結(jié)果。X、Y兩方向推覆工況結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)能力譜與大震需求譜存在交點(diǎn)，即大震性能點(diǎn)，大震推覆性能結(jié)果如表3所示。

表3 大震推覆性能結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)較多框架梁端出現(xiàn)塑性鉸，少量框架梁端破壞嚴(yán)重，部分框架柱端出現(xiàn)塑性鉸，普通支撐均保持彈性，較多BRB支撐進(jìn)入屈服狀態(tài)，懸挑梁均未出現(xiàn)塑性鉸；Y方向大震作用下（到達(dá)性能點(diǎn)），較多框架梁端出現(xiàn)塑性鉸，部分框架柱端出現(xiàn)塑性鉸，普通支撐和BRB支撐均保持彈性，懸挑梁均未出現(xiàn)塑性鉸；首層大跨度轉(zhuǎn)換部位梁、柱、斜撐均未出現(xiàn)塑性鉸。

（3）性能指標(biāo)復(fù)核。靜力彈塑性分析結(jié)果如表4所示，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《高規(guī)》中的D級(jí)性能要求。

表4 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)指標(biāo)復(fù)核

8 結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)整體性能滿足D級(jí)要求，小震、大震層間位移角均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱、普通斜撐等關(guān)鍵構(gòu)件均滿足大震不屈服要求。

（3）二層大跨度轉(zhuǎn)換位置樓蓋豎向自振頻率為3.8Hz，峰值加速度為0.012m/s2，滿足舒適度要求。

（4）頂部錯(cuò)層部位樓板應(yīng)力分析結(jié)果滿足相關(guān)要求，可確保樓板面內(nèi)的整體性，進(jìn)而保證可有效傳遞水平力。