某實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)抗震分析

焉宇飛

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

0 引言

實(shí)驗(yàn)室類建筑不同于常規(guī)民用建筑的特殊之處在于，其功能性非常強(qiáng)，有特定的實(shí)驗(yàn)空間和實(shí)驗(yàn)工藝要求，需要進(jìn)行空間合理性劃分以滿足使用方各種需求，因此經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)具有大開(kāi)洞、大懸挑、穿層柱、梁上立柱等情況，為設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。文中以上海市某實(shí)驗(yàn)室為背景，研究其不規(guī)則性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并采取一定程度的加強(qiáng)措施，提高抗震性能。

1 工程概況

工程位于上海市嘉定區(qū)，項(xiàng)目用地面17023.21m2，總建筑面積24900m2。項(xiàng)目建筑地上5層，地下1層，建筑高度23m。項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)功能高度復(fù)合，主要為地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室、地下結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室、水利實(shí)驗(yàn)室、爆炸抗火實(shí)驗(yàn)室四大實(shí)驗(yàn)室組成，各單體平面位置見(jiàn)圖1。

圖1 各單體平面位置

其中，地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室包括單層大跨實(shí)驗(yàn)大廳以及4層實(shí)驗(yàn)輔助用房。此實(shí)驗(yàn)室中可開(kāi)展火災(zāi)下及火災(zāi)后材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、材料高溫疲勞與熱機(jī)械疲勞性能實(shí)驗(yàn)、構(gòu)件抗火性能實(shí)驗(yàn)、火災(zāi)下材料熱工性能實(shí)驗(yàn)、建筑材料燃燒性能實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)、三軸高溫材性實(shí)驗(yàn)、足尺整體結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)、構(gòu)件火災(zāi)全過(guò)程性能模擬實(shí)驗(yàn)（升溫、自然降溫、噴水滅火）等。

文中對(duì)地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行抗震分析。地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防類別為丙類（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類），結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。框架抗震等級(jí)為三級(jí)，局部大跨區(qū)域?yàn)槎?jí)。軸網(wǎng)間距6m，地上5層，層高分別為6.5、4.5、4.5、4.5、4m。3個(gè)單體共用1個(gè)1層的整體地下室，B1層高6m。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及不規(guī)則項(xiàng)判別

2.1 模型建立

采用YJK建立計(jì)算模型進(jìn)行分析見(jiàn)圖2。主要計(jì)算參數(shù)如下：

（1）考慮平扭偶聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，控制振型參數(shù)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。

（2）由于各層樓板開(kāi)洞較多，故整體指標(biāo)計(jì)算及承載力復(fù)核計(jì)算均不強(qiáng)制采用剛性樓板假定。

（3）周期折減系數(shù)取0.70。

（4）風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.3。

（5）水平地震影響系數(shù)最大值取0.08。

然而，有研究者對(duì)心理數(shù)字線存在的合理性提出質(zhì)疑。他們認(rèn)為，數(shù)字大小和距離效應(yīng)僅存在數(shù)字大小比較任務(wù)中，而在數(shù)字奇偶判斷、命名和排序等任務(wù)上并未出現(xiàn)數(shù)字大小效應(yīng)，甚至出現(xiàn)數(shù)字距離效應(yīng)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象〔26〕。Verguts(2005)認(rèn)為，數(shù)字大小效應(yīng)可能反映的任務(wù)特異性，任務(wù)屬性決定反應(yīng)輸出。在數(shù)字比較中，較大或較少數(shù)字被賦予不同的重要程度，于是數(shù)字被刻意映射到“心理數(shù)字線”上相應(yīng)的輸出部分。數(shù)字命名或奇偶判斷任務(wù)中，所有數(shù)字的重要性是相同的，故并未出現(xiàn)數(shù)字大小和距離效應(yīng)。當(dāng)然，這些問(wèn)題都是后續(xù)研究者所要考慮的。

（6）按GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》[1]規(guī)定，地下室頂板應(yīng)避免開(kāi)設(shè)大洞。工程因建筑設(shè)備原因，在建筑物北側(cè)有較多開(kāi)洞。這些大開(kāi)洞對(duì)樓板整體性削弱太多，導(dǎo)致嵌固部位下移到基礎(chǔ)底板。但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)仍考慮地下室頂板處的嵌固作用，1層樓板厚度至少取180mm，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

圖2 整體模型

2.2 荷載取值

（1）樓面荷載包括恒載和活載。恒載由結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重和附加恒載（建筑面層、吊頂和隔墻等）組成。實(shí)驗(yàn)室不同區(qū)域設(shè)計(jì)樓面荷載見(jiàn)表1，其余未注明荷載均按GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]取值。

表1 樓面荷載取值

（2）根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]，工程基本風(fēng)壓取0.55kN/m2，地面粗糙度取B類。

（3）根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》，工程抗震設(shè)防烈度取7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度取0.1g。

2.3 模型計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比小于0.90，最大層間位移角小于1/550，滿足JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]的要求。在偶然偏心地震作用下最大層間位移比1.21，超過(guò)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》不大于1.2扭轉(zhuǎn)規(guī)則判定限值，但小于1.5規(guī)范允許最大值。

表2 模型計(jì)算結(jié)果

2.4 結(jié)構(gòu)不規(guī)則判別

依據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》，進(jìn)行平面及豎向的規(guī)則性判斷[4]。

（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：結(jié)構(gòu)在具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.21，大于1.2。

（2）樓板局部不連續(xù)：2～5層樓板開(kāi)洞面積為72.9%，大于50%；有效樓板寬度為典型寬度的26.5%，小于40%。地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室各層樓板開(kāi)洞情況類似，典型樓層樓板開(kāi)洞見(jiàn)圖3。

圖3 地上結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)室典型樓層樓板開(kāi)洞

綜上，工程具有“扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)”共兩項(xiàng)一般不規(guī)則項(xiàng)，具有“有效樓板板寬度偏窄”一項(xiàng)特別不規(guī)則項(xiàng)，屬于特別不規(guī)則建筑。

3 針對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)措施

（1）結(jié)構(gòu)布置方面，兩個(gè)方向抗側(cè)力構(gòu)件的布置盡可能保持均勻?qū)ΨQ，盡量保證結(jié)構(gòu)剛心和質(zhì)心統(tǒng)一。

（2）采用彈性時(shí)程分析進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，地震效應(yīng)采用包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）對(duì)不規(guī)則情況進(jìn)行加強(qiáng)。針對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：加大周邊結(jié)構(gòu)梁柱截面尺寸及配筋，提高抗扭剛度；針對(duì)樓板不連續(xù)：當(dāng)進(jìn)行構(gòu)件承載力計(jì)算及樓板應(yīng)力分析時(shí)，將樓板設(shè)置成彈性膜；進(jìn)行設(shè)防地震、罕遇地震下樓板應(yīng)力分析，保證樓板在設(shè)防地震作用下不屈服、在罕遇地震作用下不出現(xiàn)貫通裂縫，以2層樓板為例計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。根據(jù)計(jì)算結(jié)果加厚薄弱部位樓板、提高其樓板配筋率、采用雙層雙向拉通配筋、加強(qiáng)開(kāi)大洞周邊的梁柱配筋。

圖4 2層樓板X(qián)向設(shè)防地震下主應(yīng)力（單位：MPa）

圖5 2層樓板X(qián)向罕遇地震下主應(yīng)力（單位：MPa）

（4）采用罕遇地震下靜力彈塑性分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性變形補(bǔ)充驗(yàn)算，從層間位移角及構(gòu)件損傷情況來(lái)判定結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。

（5）針對(duì)結(jié)構(gòu)的超長(zhǎng)樓板擬采取措施[5]。①設(shè)置后澆帶：每隔30～40m設(shè)置一處后澆帶，以減小混凝土早期收縮；②加強(qiáng)樓板配筋：計(jì)算樓板溫度應(yīng)力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果加厚薄弱處樓板，設(shè)置抗裂鋼筋；③加強(qiáng)屋面保溫：做好混凝土澆搗后的保濕養(yǎng)護(hù)工作，通過(guò)施工組織措施將超長(zhǎng)樓板的澆筑時(shí)間安排在氣溫較低的時(shí)候進(jìn)行；合理控制混凝土水灰比等材料配置參數(shù)，減小混凝土自身的材料收縮。

4 彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算

工程應(yīng)采用彈性動(dòng)力時(shí)程分析進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。采用YJK程序?qū)こ踢M(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析。按地震波三要素從YJK程序自帶的地震波中選取IV類場(chǎng)地上5組強(qiáng)震記錄天然波：SHW4_NGA_1828HECTOR、SHW5_NGA_2104DENALI.1734、SHW7_NGA_2723CHICHI04、Chi-Chi，Taiwan_NO_1228、TH1TG090和兩組人工模擬的場(chǎng)地波：ArtWave-RH3TG090、SHW2_AW-NGA_760LOMAP.MEN進(jìn)行彈性時(shí)程分析。從表3可以看出，7組地震波作用下結(jié)構(gòu)基底剪力滿足規(guī)范要求。

表3 時(shí)程波與振型分解反應(yīng)譜法底部剪力對(duì)比

由圖6可知，7組地震波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角的平均值不大于1/550，與反應(yīng)譜法結(jié)果大體接近，滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

圖6 時(shí)程分析與反應(yīng)譜層間位移角對(duì)比曲線

5 罕遇地震作用下靜力彈塑性分析

工程屬于不規(guī)則的多層建筑，因此工程應(yīng)用盈建科（YJK）軟件，采用靜力彈塑性分析方法（Push-Over），對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行X+、X-、Y+、Y-共4個(gè)方向水平荷載作用下的推覆驗(yàn)算。

罕遇地震作用下靜力彈塑性分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。從表4中結(jié)果可以看出，在罕遇地震作用下，性能點(diǎn)處各層彈塑性位移角最大值小于1/50，符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)“大震不倒”。

表4 罕遇地震作用下靜力彈塑性分析所得的性能點(diǎn)處相關(guān)指標(biāo)

此外，在罕遇地震作用下，較多的塑性鉸出現(xiàn)于框架梁端，框架梁屬耗能構(gòu)件，較少的塑性鉸出現(xiàn)于框架柱端，整體結(jié)構(gòu)基本合理，可采用增加受力鋼筋及箍筋的方法來(lái)加強(qiáng)框架柱的抗震性能。

6 結(jié)語(yǔ)

工程地上結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，由于建筑設(shè)備原因，建筑物北側(cè)有較多開(kāi)洞，結(jié)構(gòu)嵌固部位設(shè)在基礎(chǔ)底板。文中對(duì)其進(jìn)行抗震分析研究，主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)室不同區(qū)域設(shè)計(jì)樓面荷載進(jìn)行梳理，提出合理的樓面荷載取值。

（2）結(jié)構(gòu)計(jì)算分析表明，工程具有“扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)”共兩項(xiàng)一般不規(guī)則項(xiàng)，具有“有效樓板板寬度偏窄”一項(xiàng)特別不規(guī)則項(xiàng)，屬于特別不規(guī)則建筑。

（3）分別從結(jié)構(gòu)總體布置、多遇地震下彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算、超限加強(qiáng)、罕遇地震下靜力彈塑性分析、超長(zhǎng)樓板設(shè)計(jì)幾個(gè)方面進(jìn)行專項(xiàng)抗震設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)安全性較高，能滿足規(guī)范的各項(xiàng)要求。