林 勇

（中建四局建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 廈門 361001）

1 工程概況

華安縣“五館一中心”項目位于漳州市華安縣城南新區(qū)，共由4棟建筑組成，功能為科技館博物館、圖書館、檔案館文化館、全民健身活動中心；地下1層為車庫及設(shè)備用房，地下1層南側(cè)開敞，東西側(cè)和北側(cè)全埋。項目總建筑面積30 160m2。

科技館博物館建筑高度23.50m（4層）、圖書館為22.35m（3層）、檔案館文化館為22.75m（4層）、全民健身活動中心為22.15m（2 層）。結(jié)構(gòu)地下室頂板不斷縫，2 層樓面在⑦～⑧軸之間沿南北方向斷縫，將整個工程切分為東西2個結(jié)構(gòu)單體。左側(cè)單體為科技館博物館和圖書館，右側(cè)單體為檔案館文化館和全民健身活動中心。建筑效果如圖1所示。

圖1 項目效果

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期取0.40s，結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度0.10g，丙類抗震設(shè)防類別，設(shè)計地震分組為第二組，基本風(fēng)壓為0.40kN/m2。科技館博物館、圖書館阻尼比取5%，檔案館文化館、全民健身活動中心阻尼比按材料區(qū)分，鋼結(jié)構(gòu)取2%，型鋼混凝土柱及混凝土取5%。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 地基設(shè)計

項目場地為人工堆填的素填土層，主要地質(zhì)土層為粉質(zhì)黏土、卵石、硅質(zhì)粉砂巖殘積黏性土、全風(fēng)化硅質(zhì)粉砂巖及中風(fēng)化硅質(zhì)粉砂巖，場地南側(cè)鄰近九龍江支流，地下穩(wěn)定水位埋深9.40～17.50m，基礎(chǔ)采用沖（鉆）孔灌注樁，以⑨層中風(fēng)化硅質(zhì)粉砂巖為基礎(chǔ)持力層，底板采用主梁+大板體系，地下室底板面標(biāo)高高于歷史最高水位標(biāo)高，底板和基礎(chǔ)不需抗浮設(shè)計。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

本工程各單體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系?；@球館主體結(jié)構(gòu)2層以上采用鋼結(jié)構(gòu)框架體系，與1層柱采用勁性結(jié)構(gòu)過渡。鋼結(jié)構(gòu)框架柱采用矩形鋼管柱，屋面梁采用H型鋼梁。地下室頂板采用梁板結(jié)構(gòu)體系，地下室頂板厚度取180mm，人防區(qū)域和消防車道區(qū)域取250mm。由于南北場地高差9m，為解決南北土堆力不平衡的問題，地下室北側(cè)增設(shè)部分y向剪力墻抵抗土推力。地下室東、西、北三側(cè)外墻回填土，南側(cè)直接臨路敞開，為滿足地下室頂板為計算嵌固端的要求，在南側(cè)增設(shè)部分剪力墻，提高南側(cè)地下室的剛度，確保地下1層側(cè)向剛度大于地上1層的2倍。

本工程抗震設(shè)防類別為丙類，框架抗震等級二級，全民健身活動中心鋼結(jié)構(gòu)屋面抗震等級取三級。

3 超限情況與措施

3.1 超限情況

以南側(cè)室外最不利科技館博物館結(jié)構(gòu)高度為28.50m，檔案館文化館結(jié)構(gòu)高度為27.75m，均超過24.00m，按高層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。根據(jù)《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)〔2015〕67號），本工程存在主要超限情況如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)不規(guī)則項

3.2 性能目標(biāo)

本工程屬于人員密集大型公共建筑，建筑造型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)存在多項不規(guī)則。結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)

3.3 抗震加強措施

通過對本工程相關(guān)計算分析，結(jié)合上述構(gòu)件性能目標(biāo)，為確保達到設(shè)定的抗震性能，對主體結(jié)構(gòu)采取如下抗震加強措施。

1）角柱按抗震構(gòu)造措施等級提高一級考慮，且箍筋全高加密。

2）加大樓板厚度，平衡部分斜柱水平推力，對斜柱周邊的板加強配筋，斜柱根部水平拉力應(yīng)由相應(yīng)連接的框架梁承擔(dān)；在半樓層標(biāo)高處的出挑造型斜柱，均按短柱構(gòu)造加強。

3）2～3層存在連廊且連廊樓板開洞為弱連接，加強板厚和配筋，對連接樓板進行應(yīng)力分析。

4）每根穿層柱所承受的剪力應(yīng)至少取相應(yīng)樓層框架部分承受剪力平均值的1.2倍，并應(yīng)進行穩(wěn)定性驗算。

4 結(jié)構(gòu)整體分析

4.1 計算模型主要設(shè)計參數(shù)

整體結(jié)構(gòu)計算主要采用PMSAP計算，并采用YJK軟件補充計算校核。

結(jié)構(gòu)的阻尼比在多遇地震作用下的彈性分析時取0.05，其中檔案館文化館、全民健身活動中心阻尼比取0.04。水平地震、設(shè)防地震及罕遇地震的影響系數(shù)最大值分別為0.08，0.23，0.48。將偶然偏心和雙向地震作用產(chǎn)生的不利影響一并考慮。充分考慮高階振型的影響，選用較多振型的振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并與彈性時程分析法的計算結(jié)果進行對比分析。

4.2 彈性反應(yīng)譜分析

整體結(jié)構(gòu)計算主要采用YJK計算，并采用PMSAP軟件補充計算校核。計算結(jié)果如表3所示。

表3 計算結(jié)果

對比PMSAP和YJK兩種軟件的多遇地震作用、位移及結(jié)構(gòu)動力特性等計算結(jié)果，基本吻合。由于2種計算程序在模型假定上的不同，地震工況與風(fēng)荷載工況下位移有5%左右的差異，認為此結(jié)果在可以接受的合理范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)模型模擬能反映實際受力情況。

4.3 彈性時程分析

采用SATWE程序進行彈性時程分析，根據(jù)場地安評提供的地震波，選取7條地震波，包括2條人工波，5條天然波，分別為：人工波RH1TG04和RH3TG04，天然波USER1～USER5，依次進行x與y向的輸入，依據(jù)規(guī)范規(guī)定峰值加速度取值55cm/s2。彈性時程分析與振型分解反應(yīng)譜法底部剪力對比如表4所示。

表4 彈性時程分析與振型分解反應(yīng)譜法底部剪力對比

由表4數(shù)據(jù)可知，計算所選取的地震波，其結(jié)構(gòu)底部剪力xmin向為4 619.07kN，ymin向為5 057.07kN，與振型分解反應(yīng)譜法計算基底剪力比值x向為0.68，y向為0.67，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。地震波計算結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值x向為5 809.64kN，y向為6 221.05kN，與反應(yīng)譜法計算基底剪力比值x為0.86，y向為0.82，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)選取7組及以上的時程曲線時，計算結(jié)果應(yīng)選取時程分析法的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法兩者中的較大值。

4.4 靜力彈塑性分析

本工程采用PKPM系列PUSH&EDPA程序進行罕遇地震下的彈塑性分析，分析結(jié)果如下：罕遇地震下最不利層間位移角為1/251，滿足規(guī)范要求＜1/50；在罕遇地震對應(yīng)點之后，曲線仍有上升趨勢，說明該結(jié)構(gòu)還有繼續(xù)承載能力。

5 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 設(shè)計思路

全民健身活動中心的籃球館上方采用大跨屋面，外圍框架設(shè)置斜柱，外圍框架柱中間設(shè)置懸挑造型雨篷。

1）結(jié)構(gòu)體系 由于屋面跨度較大，考慮減輕結(jié)構(gòu)自重等，屋面梁采用焊接H形斜柱采用鋼結(jié)構(gòu)焊接矩形鋼管柱，屋面梁采用焊接H型鋼梁，梁柱剛接以形成鋼框架整體結(jié)構(gòu)，在豎向相鄰柱之間拉水平斜梁與框架柱剛接，以加強結(jié)構(gòu)整體性，形成雙向剛接鋼框架結(jié)構(gòu)體系。

2）屋面構(gòu)造 屋面采用鋼結(jié)構(gòu)壓型金屬屋面板構(gòu)造，從而減輕屋面荷載自重，減少地震作用。

3）斜柱設(shè)計 斜柱層高較高，斜柱大部分為穿層柱，同時作為屋面大跨梁支撐鋼柱，考慮斜柱的重要性，作為籃球館整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承重構(gòu)件，抗震等級按提高一級考慮，并按照設(shè)防地震彈性進行設(shè)計性能化。

4）大跨屋面梁設(shè)計 大跨屋面梁采用焊接H型鋼梁，考慮屋面大跨結(jié)構(gòu)重要性，屋面鋼梁撓度控制上按照L/400控制，同時考慮屋面為壓型鋼板屋面，水平結(jié)構(gòu)剛度較弱，在結(jié)構(gòu)上增設(shè)水平支撐，以加強結(jié)構(gòu)屋蓋剛度，從而提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。屋面大梁按照設(shè)防地震彈性進行性能化設(shè)計。

5）連接節(jié)點 上部鋼結(jié)構(gòu)焊接矩形鋼管柱與下部混凝土結(jié)構(gòu)采用勁性鋼骨混凝土柱過渡，使下部混凝土結(jié)構(gòu)層過渡到上部純鋼結(jié)構(gòu)，并提高下部混凝土柱的受拉承載力及延性。在結(jié)構(gòu)模型分析計算中，結(jié)構(gòu)阻尼比按照材料不同分析計算。

6）屋面（樓面）大懸挑部分 由于建筑平面造型需要，在局部屋面及樓面形成大懸挑，考慮結(jié)構(gòu)受力及懸挑長度較大，在結(jié)構(gòu)上結(jié)合建筑樓梯間墻體位置進行增設(shè)斜撐，以提高結(jié)構(gòu)冗余度。

5.2 屈曲分析

由于籃球館屋面為大跨屋面，外圍框架躍層斜柱均為主體結(jié)構(gòu)重要的承重構(gòu)件，在保證斜柱承載力的同時，為確保斜柱屈曲穩(wěn)定性滿足結(jié)構(gòu)受力要求，還需合理確定外圍框架躍層斜柱的計算長度系數(shù)，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，對整體結(jié)構(gòu)模型進行屈曲穩(wěn)定分析，具體分析如下。

本次分析考慮重力荷載（1D+0.5L）對結(jié)構(gòu)進行線性屈曲分析。經(jīng)YJK軟件屈曲分析計算，結(jié)構(gòu)前10階線性屈曲模態(tài)的臨界荷載系數(shù)如表5所示（僅列出前10階）。

表5 臨界荷載系數(shù)

經(jīng)查看及分析各階結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)：前4階屈曲模態(tài)均為整體結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)，為屋面懸挑部分、屋面結(jié)構(gòu)大跨梁屈曲及整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)屈曲，從中可分析得出如下結(jié)論。

1）斜柱等主要構(gòu)件屈曲均滯后于結(jié)構(gòu)整體屈曲。

2）整體結(jié)構(gòu)的線性屈曲臨界荷載系數(shù)均大于10，第1階為46.121，整體結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性，滿足要求。

6 結(jié)語

1）彈性反應(yīng)譜分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的各項計算指標(biāo)均未超出現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定，整體結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，可達到“小震不壞”。

2）彈性時程分析法與振型分解反應(yīng)譜法的計算結(jié)果大致吻合，確保分析的可靠性、全面性，從而保證結(jié)構(gòu)安全。

3）罕遇地震下結(jié)構(gòu)的最大彈塑性層間位移角滿足規(guī)范要求，符合設(shè)計的預(yù)期要求，且結(jié)構(gòu)具有較好的延性，可達到“大震不倒”的性能目標(biāo)。

4）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的各項措施，如采用雙向剛接鋼框架和輕型壓型金屬屋面板、提高斜柱抗震等級并按設(shè)防地震設(shè)計、大跨度屋面梁按設(shè)防地震設(shè)計等，分析結(jié)果滿足要求，可確保結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

針對本工程存在的多種超限類別，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中利用多種分析軟件進行計算和對比分析，并根據(jù)計算結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效加強結(jié)構(gòu)薄弱點，使工程結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足預(yù)定的抗震設(shè)防目標(biāo)。本工程所采用的結(jié)構(gòu)分析方法和抗震構(gòu)造措施可為其他類似超限結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。