周輝

（江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，南京 210019）

1 引言

因建筑功能需求，鹽城市體育中心綜合館存在多項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)，屬于特別不規(guī)則建筑，設(shè)計(jì)時(shí)具有較大的難度。本文對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要素進(jìn)行了研究，包括多遇地震線彈性分析、罕遇地震彈塑性分析、關(guān)鍵構(gòu)件的性能水準(zhǔn)驗(yàn)算以及難點(diǎn)的專項(xiàng)分析，旨在為類似工程的設(shè)計(jì)施工建設(shè)提供參考。

2 工程概況

鹽城市體育中心綜合館位于鹽城市解放南路體育中心東南角，總建筑面積約58 466.7 m2，地上5層，建筑面積36 266.1 m2；地下1層，建筑面積22 200.3 m2。地下室主要功能為機(jī)動(dòng)車庫、食堂及泵房等設(shè)備用房；底板面結(jié)構(gòu)標(biāo)高-6.30 m。1層設(shè)置觀眾門廳、售票廳以及相關(guān)配套用房；2～4層為觀眾廳樓座、多功能廳等；5層為員工宿舍及設(shè)備用房。

本結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地土類別為Ⅳ類，特征周期0.90 s，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為一級(jí)；次梁、樓板等其余構(gòu)件為二級(jí)。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，周期折減系數(shù)為0.8。水平地震影響系數(shù)最大值分別為0.08（多遇地震）、0.23（設(shè)防地震）、0.50（罕遇地震）。計(jì)算時(shí)計(jì)入豎向地震作用以及雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，考慮5%偶然偏心。鋼筋采用HRB400熱軋鋼筋，鋼材采用Q355B級(jí)。

3 結(jié)構(gòu)布置及超限設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置

3.1.1 豎向結(jié)構(gòu)體系

主樓舞臺(tái)呈品字形布置，主舞臺(tái)結(jié)構(gòu)高度為28 m，大劇場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)樓面尺寸根據(jù)建筑外形逐層變化，各層面積差異較大。為提高抗側(cè)剛度，主樓均采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，樓、電梯間以及舞臺(tái)四周布置剪力墻。裙樓局部單跨柱采用中震彈性進(jìn)行控制配筋，局部穿層柱進(jìn)行長(zhǎng)細(xì)比校核和配筋加強(qiáng)。

3.1.2 樓、屋面水平結(jié)構(gòu)體系

普通樓面采用120 mm厚現(xiàn)澆混凝土板，舞臺(tái)和觀眾廳形成一個(gè)上下貫通的大空腔，由于多處大開洞導(dǎo)致樓板不連續(xù)，四周連接薄弱處采用150 mm厚板。建筑右側(cè)觀眾大廳屋面采用平面桁架結(jié)構(gòu)，最大跨度為30 m，懸挑為18 m；在桁架下弦設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，桁架下弦采用H型鋼以便于連接；室外懸挑部分采用直立鎖邊屋面，懸挑桁架采取預(yù)起拱措施以減小懸挑屋面撓度。

3.1.3 觀眾大廳四周幕墻與結(jié)構(gòu)主體

觀眾大廳四周采用斜弧形立面的穿孔鋁板玻璃幕墻，最大長(zhǎng)度超20 m，為了減小龍骨尺寸，將其吊在主體結(jié)構(gòu)封口桁架上，下部支座采用橢圓形孔釋放豎向支撐力。由于屋面主桁架均設(shè)置在對(duì)應(yīng)斜柱位置，故封口環(huán)采用三角空間桁架可將水平力有效傳遞到四周主桁架上。

3.2 超限設(shè)計(jì)

本主樓工程有多項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)[1]：（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：X向扭轉(zhuǎn)位移比為1.31，Y向?yàn)?.34，均大于1.2；（2）偏心布置：X向偏心率0.31，Y向偏心率0.31，均大于0.15；（3）樓板不連續(xù)：2～4層樓板開洞面積均大于30%；（4）局部不規(guī)則：主舞臺(tái)和側(cè)舞臺(tái)四周均存在穿層柱，南側(cè)存在斜柱。

針對(duì)結(jié)構(gòu)的多項(xiàng)不規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)分析和其他關(guān)鍵點(diǎn)分析措施確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)比分析

結(jié)構(gòu)采用PMSAP以及SAP2000進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，將地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，前三階結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期（X+Y平動(dòng)系數(shù)T1～T3）計(jì)算結(jié)果分別如下：

T1：PMSAP0.625 s（0.99+0.00），SAP2000為0.595（0.89+0.00），差異1.2%；

T2：PMSAP0.562 s（0.00+0.82），SAP2000為0.556（0.03+0.86），差異0.5%；

T3：PMSAP0.525 s（0.02+0.22），SAP2000為0.509（0.05+0.27），差異1.3%；

周期比（Tt/T1，Tt為以扭轉(zhuǎn)為主的第一周期）：PMSAP0.84，SAP2000為0.85。

4.2 多遇地震彈性時(shí)程分析

本工程選用5條天然波、2條人工波、自然波每組包括三向水平實(shí)測(cè)記錄，定義峰值最大的方向?yàn)橹鞣较?，另外兩方向?yàn)榇畏较颉?/p>

分析可得，各時(shí)程分析曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力值均大于振型分解反應(yīng)譜法的65%，前者計(jì)算平均值大于后者的80%；除頂層外，不同曲線下各層剪力平均值均小于反應(yīng)譜分析結(jié)果；多條時(shí)程曲線分析得出的層間位移角均小于1/800，滿足規(guī)范要求。

4.3 設(shè)防地震作用下分析

為滿足結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下的性能目標(biāo)，使用PKPM中地震反應(yīng)譜方法進(jìn)行彈性計(jì)算，針對(duì)具體構(gòu)件的性能化要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.3.1 底部加強(qiáng)部位墻肢設(shè)計(jì)

在設(shè)防烈度地震作用下，底部剪力墻墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力。墻肢混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.64 MPa，不計(jì)入鋼筋抗拉，各轉(zhuǎn)角墻肢與連梁墻肢均滿足驗(yàn)算要求。針對(duì)局部拉應(yīng)力大于ftk的構(gòu)件，按構(gòu)造要求配置型鋼。

4.3.2 連接薄弱位置樓板應(yīng)力分析

本工程在2～4層中間舞臺(tái)形成巨大空洞，在中震彈性作用下分析該區(qū)域樓板應(yīng)力，確保樓面系統(tǒng)在地震作用下變形協(xié)調(diào)。由計(jì)算結(jié)果可知，樓板絕大部分應(yīng)力比均小于0.6 MPa。開洞四周樓板局部加厚至150 mm后，地震作用引起的拉應(yīng)力較小，不會(huì)引起混凝土開裂，能有效傳遞水平力，因而樓板按構(gòu)造加強(qiáng)即可。

4.4 罕遇地震作用下的彈塑性分析

4.4.1 計(jì)算模型及地震波的選擇

為確保在罕遇地震作用下不發(fā)生倒塌破壞，本工程進(jìn)行彈塑性動(dòng)力計(jì)算分析，利用SAUSAGE程序建立主樓模型，彈塑性時(shí)程分析地震波采用兩條天然波TH063TG065、TH002TG065和一條人工波RH2TG065，以下分別用A、B、C代指。

4.4.2 結(jié)果分析

由表1可知，在3組地震波作用下，A波下的結(jié)構(gòu)在X、Y兩個(gè)主方向基底剪力最大。大震彈塑性時(shí)程剪力是小震彈性基底剪力的3.4～4.4倍。綜合構(gòu)件損傷情況及基底剪力對(duì)比，說明大震時(shí)，連梁等耗能構(gòu)件消耗能量較多，而結(jié)構(gòu)整體剛度退化不大。

表1 各組地震波結(jié)構(gòu)最大基底剪力

表2給出了各組地震波輸入時(shí)，結(jié)構(gòu)各主方向彈塑性最大層間位移角的具體數(shù)值?？芍?，在罕遇地震下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/133，滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]要求。

表2 X、Y向各地震波下結(jié)構(gòu)彈塑性最大樓層位移角

5 關(guān)鍵點(diǎn)分析

5.1 樓板舒適度分析

本工程2層與體育館連接的平臺(tái)最大跨度超20 m，影院及多功能廳位置存在跨度較大的樓面，樓座的懸挑長(zhǎng)度達(dá)7 m，故采用Midas Gen對(duì)大跨樓面進(jìn)行舒適度分析。結(jié)果表明，樓蓋豎向振動(dòng)頻率均大于3 Hz，分別對(duì)第一階、第三階和池座懸臂最大處進(jìn)行舒適度分析，在最不利節(jié)點(diǎn)處依次施加單人行走、連續(xù)行走、跑動(dòng)3種時(shí)程函數(shù)，大跨樓面及樓座位置在多人齊步行走激勵(lì)下的最大加速度分別為0.032 m/s2、0.012 m/s2、0.000 21 m/s2，均滿足規(guī)范0.15 m/s2的限值[3]。

5.2 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)樓板溫度應(yīng)力分析

本工程為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，2層平臺(tái)位置南北最大長(zhǎng)度達(dá)150 m，東西最長(zhǎng)達(dá)130 m；2層以上主樓位置南北長(zhǎng)度達(dá)110 m，東西最長(zhǎng)達(dá)80 m。由于鹽城市月平均氣溫最低-8℃，最高37℃，故本項(xiàng)目計(jì)算按整體升降溫30℃考慮。

可以發(fā)現(xiàn)，在降溫工況下，2層樓板應(yīng)力范圍在2.5～5 MPa。在升溫工況下，屋面層樓板應(yīng)力范圍在2～6 MPa?？紤]后期結(jié)構(gòu)升降溫時(shí)間長(zhǎng)，以及后澆帶、混凝土徐變等有利影響，混凝土折減系數(shù)取0.3。綜合考慮溫度應(yīng)力按1.5 MPa考慮。

5.3 鋼桁架補(bǔ)充分析

對(duì)觀眾大廳屋面桁架采用SAP2000軟件進(jìn)行補(bǔ)充分析，由于角部桁架懸挑僅20 m，故在角部主桁架兩側(cè)設(shè)置次桁架來分擔(dān)懸挑的荷載，以確保桁架受力滿足安全及變形要求。由于觀眾大廳在桁架下弦設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，整體桁架采用平面管桁架結(jié)構(gòu)，為了滿足現(xiàn)澆板鋼筋錨固要求，桁架下弦采用H型鋼。經(jīng)計(jì)算分析，桁架剛度和承載力均滿足要求。

6 結(jié)語

本節(jié)針對(duì)鹽城體育中心綜合館進(jìn)行了多遇地震線彈性分析、罕遇地震彈塑性分析、關(guān)鍵構(gòu)件的性能水準(zhǔn)驗(yàn)算以及針對(duì)項(xiàng)目難點(diǎn)開展了專項(xiàng)分析。分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)方案可以基本滿足各性能水準(zhǔn)目標(biāo)，結(jié)構(gòu)方案安全可行。主要結(jié)論如下：

1）小震彈性分析表明，該結(jié)構(gòu)整體位移指標(biāo)為地震控制，且在考慮偏心、雙向地震工況下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/1825，滿足規(guī)范要求。

2）PKPM與Midas Gen計(jì)算結(jié)果十分接近，模型可以較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)構(gòu)在各種作用下的受力行為。

3）對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位構(gòu)件采用性能化設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位的框架柱，剪力墻以及體型突變部位相鄰上下層墻柱均按預(yù)定抗震性能目標(biāo)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵構(gòu)件在中震下能滿足抗剪彈性、抗彎不屈服；在大震下能滿足抗剪截面控制條件。

4）針對(duì)項(xiàng)目難點(diǎn)問題，例如，樓面舒適度、中震樓板應(yīng)力溫度應(yīng)力等專項(xiàng)進(jìn)行分析驗(yàn)算，綜合考慮各種不利工況下結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的損害，并結(jié)合分析結(jié)果，進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)以保證安全性。

5）大震彈塑性分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角為1/129，滿足規(guī)范要求；且在各工況地震波作用下，主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴(yán)重的破壞，大部分連梁屈服耗能，結(jié)構(gòu)性能滿足大震不倒的要求，整體滿足強(qiáng)墻柱弱強(qiáng)梁的延性設(shè)計(jì)要求。