广州市番禺区图书馆新馆结构设计分析

广州市番禺区图书馆新馆结构设计分析

尹琦

尹琦

广州珠江外资建筑设计院广州510060

摘要：本文针对番禺图书馆新馆项目结构体系进行设计与验算分析，介绍了工程上部结构，给出了结构的抗震性能目标以及结构不规则的类型及其处理措施。

关键词：概念设计；抗震性能目标；结构不规则处理

项目拟建面积44，800平方米，计容面积为32，800平方米（其中：图书馆面积为29，800平方米，区民间工艺馆2，000平方米，档案党史馆1，000平方米）。地下室为2层，地下负一层主要为报告厅、展厅以及配套服务用房，并通过地下廊道与中央公园绿地相接；地下负二层为地下车库及设备用房。

1.结构体系和布置

1.1结构嵌固端的选取

按建筑方案首层有较大范围下沉广场，不能保证上部结构的水平力能在首层地面得到完全传递。而负一层楼板亦同样存在高差较多的情况，因此分析中将地下室底板视作计算嵌固端。

1.2结构体系

结构方案选型时，对框架结构体系及框架-剪力墙结构体系进行了比选（如图5.3.1-1）。结合建筑方案发现由于本工程可落地的剪力墙数量较少，而且布置并不均匀。经过初步电算，框架-剪力墙体系结构的整体变形反而更不协调。因此，本工程采用框架混凝土结构体系。

2.不规则情况

项目采用常规的结构体系，房屋高度不在高层建筑范围，为多层公共建筑，但有扭转不规则、楼板不连续、局部不规则三项结构不规则，其余指标相对较规则，属于不规则多层建筑。

3.设计的加强措施

对于图书馆的抗震设计，结构上分别从整体和分塔（首层为界），及局部入手采取相应措施（分塔情况按图7.1-1）设计，通过合理的结构布置，控制体系整体扭转和局部楼层偏心扭转，以减小地震效应。

图3.1-1结构整体及分塔示意图

1）通过在图书馆塔楼各层适当增加外围框架梁高度，和在各夹层合理布置避免刚度偏心等方法，改善了结构的整体抗扭性能，有效控制了结构的周期比和位移比等各项整体指标。

2）另外通过弹性时程分析和大震弹塑性分析考察结构的整体抗震性能和潜在薄弱区域，并提出加强措施。控制大震下的位移角，防止倒塌。

3）加强薄弱部位楼板构造和配筋。（按图3.1-2）以及夹层部分。

4）对大悬挑部分、跨层柱及斜柱进行具体分析，保证其在各级地震作用下的抗震性能。

图3.1-2二层至屋面层连接部位

4.结构整体抗震及及变形控制目标

因房屋高度接近24m，且结构指标多项不规则，结构整体抗震等级参考根据《高规》确定，详见表4.1-1。考虑到分塔1存在多种局部不规则（跨层柱、斜柱）及大悬挑结构大跨度结构的情况，将分塔1整体的抗震等级提高一级按一级。

表4.1-1结构抗震等级

注：以上模型数据均包含地下室相关结构层，（图5.3-2结构整体计算模型及层号对照）

根据上述结果，SATWE和MIDAS两个不同计算内核软件的主要结果及趋势基本吻合。结合规范规定的要求及结构抗震概念设计理论，可以得出以下结论：

1）在考虑偶然偏心影响的地震作用下，仅个别层数最大扭转位移比1.29大于1.20，但均小于1.35，对应楼层层间位移角约1/1300远大于规范限值的1/500，计算结果表明结构具有良好的抗扭刚度，可不计入结构超限项；

2）双方向有效质量系数均大于90%，所取的计算振型数满足规范要求；

3）在地震作用下层间位移角1/500，满足《高规》要求，风荷载作用下，层间位移角<1/500，满足广东省《高规》补充规定3.5.2条的规定；

4）结构X、Y剪重比满足规范要求外，其余均大于规范要求。说明结构抗侧刚度与结构重量较为匹配，结构布置、构件截面选型合理可行，结构楼层地震力按《抗规》5.2.5条条文说明调整后可进行后续的抗震设计；

5）各层侧向刚度均大于相邻上一层侧向刚度的70%及其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第3.4.3条；侧向刚度规则性要求根据《高规》3.5条的要求，刚度比满足规程要求；

6）各楼层层间抗侧力结构的受剪承载力均大于相邻上一层的80%，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）3.4.2条，本工程不存在楼层承载力突变薄弱层；

7）根据《高规》3.5.7及3.5.8条，本工程软弱层和薄弱层并未同时出现在同一楼层，满足规程要；

8）X、Y方向刚重比均大于2.7，根据“高规”5.4.1条，不需要考虑P-Δ效应对水平力作用下结构内力和位移的不利的影响。

9）框架柱最大轴压比均满足规范轴压比限值。

10）SATWE和MIDAS两模型在地下室处理有差异，本项目程序对比主要在地上部分。

计算结果表明，各软件计算结果相近，说明计算结果合理、有效，计算模型符合结构的实际工作状况；结构周期及位移符合规范要求，剪重比合理，构件变形合理，构件截面取值合理，结构体系选择恰当。

5.2分塔之间动力特性匹配及计算主要结果汇总

由于本项目存在楼板不连续的不规则情况，各分塔通过少量的楼板连接形成整体。分析时增加以首层为嵌固端的整体模型一及各分塔模型，通过对个分塔的独立分析，保证各分塔在独立情况下仍能满足规范各项要求。分塔情况按图7.1-1结构整体及分塔示意图。

针对结构的特点，设计应尽可能使各栋塔楼的结构动力特性（周期、振型、位移等）相近，从而减小连接体在地震或风荷载作用下承受的内力-分塔之间的动力特性一致性越高，连接体的负担就越轻。

根据对各分塔的分析结合整体模型的对比，各项数据满足规范要求，各分塔可以独立安全运行的。且各分塔变形与整体变形比较协调。

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3—2010）[M].北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB50011—2010）[M].中国建筑工业出版社，2016

[3]广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92-2013）补充规定[M].广东省建设厅：中国建筑工业出版社，2013