重庆青少年活动中心2A#结构设计与分析

重庆青少年活动中心2A#结构设计与分析

李友波，周木军，陈尚城

中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司，重庆 400016

摘  要：重庆某超限公共建筑是钢框架结构体系，且存在多个平面不规则、竖向不规则超限项。本文简要介绍该建筑工程概况、结构布置、超限情况，并采用SATWE、MIDAS Building 软件进行小震弹性分析、中震性能分析和等效大震静力弹塑性分析；结果表明：采取加强措施后，结构各项性能指标均满足规范要求，可以实现预期C级抗震性能目标要求。

关键词：超限；公共建筑；结构设计；钢框架；MIDAS；性能目标

1  工程概况

本工程位于重庆市两江新区，建设地址为重庆园博园东侧 B23-1-2地块。由1#楼（青少年宫）和2A#楼（少儿图书馆）、2B#楼（共用部分）组成。其中涉及超限工程为：1#楼和2A#楼，本文将对2A#楼超限进行介绍。2A#楼（少儿图书馆）共7层，建筑总高度为48.80m，总建筑面积约为11894.29m2。2A#楼为一类高层公共建筑，无地下室且设备用房均设置在建筑底层，屋顶有屋面装饰性构架。建筑效果图如图1所示。

塔楼建筑抗震设防类别为重点设防类（乙类），建筑安全等级为一级、地基基础设计等级为甲级、基础设计安全等级为一级、主体结构耐火等级为一级。结构设计使用年限为 50 年建筑抗震设防烈度为 7度（提高一度），基本地震加速度为 0. 1g，设计地震分组为第一组。 50 年重现期基本风压为0. 40kN / m2，不考虑雪荷载。

拟建场地属侵蚀剥蚀丘陵地貌。场区范围内主要岩土层有全新统素填土（Q4ml）、粉质粘土（Q4el+dl），下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组（J2s）的泥岩、砂岩[1]。本工程基础形式主要为桩基基础，桩径1.5m。

2  结构体系

2.1  结构体系概述

本工程嵌固端设置在基础顶面，塔楼采用钢框架结构体系，楼盖组合楼板体系。结构主体高度为42.0m，属于A级高度高层建筑[2]。2A#楼与2B#楼设缝脱开，2#楼平面、立面示意图如图2、图3所示；

2A#楼典型楼层示意图如图4所示。2A#楼竖向构件分布示意图如图5所示。

2.2  抗震等级

根据《建筑工程抗震设防分类标准》

（GB 50223-2008）[3]、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010(2015版））[4]和《山地建筑结构设计规程》（送审稿）的相关条文，本项目建筑结构均属于6度且高度小于50m，其“作用效应调整系数”和“抗震构造措施”可按非抗震设计执行。

本项目建筑均为乙类建筑，需提高一级抗震构造措施。根据专家和建设局意见，通过与甲方商议，决定提高抗震性能要求，统一按7度（0.1g）进行设计。综合考虑上述因素，2A#楼抗震等级按表1确定。

表1  抗震等级

3  超限情况及抗震性能目标

2#楼所在位置为平地，建筑无地下室，嵌固相对较好，故2A#楼以基础顶面作为嵌固点。从嵌固点起算2A#楼结构高度为42.0m ，未超过钢框架结构限制最大适用高度110m，按照《高规》要求属于A级高度建筑。根据《重庆市超限高层建筑工程界定规定（2016版）》渝建〔2016〕203号文件[5]，2A#楼不规则情况表2所示。结构质量不均匀、楼板局部不连续、平面尺寸缩进过大等因素导致结构判定为平面、竖向不规则超限高层建筑。

表2  2A#楼不规则情况分析

注:限值为《重庆市超限高层建筑工程界定规定》（渝建发〔2016〕203 号）中对各指标的控制值；表中括号内注明的限值一、限值二、限值三分别为超过该规定1 项、2 项、3 项即认定为超限结构的控制指标。

本项目综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素，按照高规3.11.1、3.11.2条，结构整体抗震拟采用性能目标C级。各水准地震作用下的性能目标如表3所示。

表3  2A#楼抗震设计性能目标表

4  结构计算分析

4.1  小震弹性分析

4.1.1  振型分解反应谱法

本工程（2A#楼）采用两个不同力学模型的三维空间分析软件SATWE和MIDAS Building对结构进行小震弹性分析。两个软件采用振型分解反应谱计算结果比较如表4所示。从表4可知，两个软件主要指标结果具有较高吻合性，验证了计算模型的有效性。

表4 小震弹性分析指标比较

图8、图9为X和Y向层间刚度比曲线，由图可知结构上部塔楼全部满足《高钢规》（JGJ99-2015）[6]3.3.2条的规定，结构竖向刚度不规则，总体趋势从下到上逐渐减小；

4.1.2  弹性时程分析法

根据JGJ3-2010第4.3.5条要求，多遇地震弹性时程分析总共选用7条波作为时程分析的地震波曲线，其中2条人工波（RH2TG035、RH4TG035），5条天然波（TH003TG035、TH024TG035、TH054TG035、TH056TG035、TH2TG035）。7 条地震波的加速度反应谱平均值与规范谱在主要周期点上相差小于20%，在统计意义上相符。基底剪力结果（表5）显示，每条时程曲线计算的底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%（最小75.55%），多条时程曲线计算的结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的80%（平均为91.14%）。对比结果表明所选地震波满足现行相关规范要求。同时也满足条文说明规定的每条地震波输入计算不大于反应谱分析结果的135%（最大为115.09%），平均值不大于反应谱分析结果的120%（最大为98.63%）的要求。

表5  地震波基底剪力与反应谱对比表

4.2  中震计算分析

本工程采用SATWE软件对主体结构进行中震性能分析。根据前述表3对关键构件提出中震不屈服，无损坏的性能目标；对耗能构件提出中震允许正截面屈服，抗剪截面满足抗剪控制条件，可以出现轻度损坏或部分中度损坏的性能目标。

中震不屈服验算时，不考虑荷载作用分项系数、材料分项系数、抗震承载力调整系数，材料强度采用标准值。不考虑地震组合内力调整系数（强柱弱梁，强剪弱弯），最大地震影响系数。

中震不屈服计算时，结构X、Y向最大层间位移角分别为1/483、1/339满足小于1/125的规范限值要求。关键构件基本为正常状态，能满足中震不屈服的性能目标的要求。

4.3  大震计算分析

4.3.1  大震性能分析

采用SATWE软件对主体结构进行大震性能分析。根据前述表3对关键构件提出大震允许部分屈服，抗剪截面满足抗剪控制条件，可以出现轻度损坏的性能目标；对耗能构件提出大震允许正截面屈服，抗剪截面满足抗剪控制条件，可以出现部分严重损坏的性能目标。

大震不屈服验算时，不考虑荷载作用分项系数、材料分项系数、抗震承载力调整系数，材料强度采用标准值。不考虑地震组合内力调整系数（强柱弱梁，强剪弱弯），最大地震影响系

数。

大震不屈服计算时，结构X、Y向最大层间位移角分别为1/214、1/168满足小于1/56的规范限值要求。关键构件基本为正常状态，能满足大震不屈服性能目标要求。

4.3.2  大震静力弹塑性分析

大震阶段结构弹塑性静力分析采用中国建筑科学研究院的多、高层建筑结构弹塑性静力分析软件PUSH程序。PUSH程序采用双折线来模拟钢材的应力应变曲线。本次分析采用倒三角形和弹性CQC地震力的侧推荷载。

以X向倒三角形荷载为例，所对应的能力曲线-性能点如图10所示，不同方向倒三角形荷载和弹性CQC地震力主要分析结果表6所示。

表6 性能点对应的位移角和基底剪力

大震作用下，结构竖向构件出现少量塑性铰。按不利的弹性CQC地震力加载方式，结构在第一振型的X向上当荷载因子（推覆力比结构总重）达到1.1394，即推覆力为24500kN时，达到大震性能点，此时地震作用下的最大层间位移角为1/268，小于性能目标层间位移角限值1/56。

5  结构加强措施

本工程存在扭转不规则、偏心布置、楼板不连续、刚度突变、局部穿层柱不规则项，属于超限高层建筑。设计中在满足计算要求的同时，还需进行如下加强措施：

1）在扭转较大位置周边布置较大的钢柱；

2）穿层柱尽量增加水平连梁，实现多柱整体受力和增强稳定性的目的；

3）扭转较大的关键柱：与之相连的主梁不小于800mm高，在不影响建筑的位置在柱子上增加肋板或加斜撑，严格控制柱轴压比不大于0.65。

4）楼板采用双层双向配筋。与室外连廊相连的楼板和楼梯开洞周围的楼板等应力较大部位配筋率适当增加，保证配筋率大于0.25%。

5）楼板计算应考虑温度应力，楼板超长设置后浇带，采用刚性板和弹性板包络计算；

6）改进楼板布置，尽量避免出现小角度三角形板，当不能避免时配筋率适当增加，保证配筋率大于0.3%。

6  结论

2A#楼为规则性超限结构，采用成熟钢框架结构体系。整体结构及构件设计全面融入性能化设计思想，层间位移角满足《抗规》性能预期目标，主要抗侧力构件基本满足或高于《高规》C级性能目标。

结构采用了多个程序进行计算校核，其计算结果具备可靠性。通过大量计算分析，针对本工程结构重点和特点采取了一系列抗震计算及抗震构造针对性措施，使本结构在地震作用下有良好的抗震性能，达到了预期抗震性能目标，且各项指标均符合国家规范要求。

参考文献：

[1] 重庆市青少年活动中心建设项目岩土工程勘察报告--直接详细勘察[R]. 重庆中科勘测设计有限公司, 2019.

[2]高层建筑混凝土技术规程: JGJ 3-2010. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

[3]建筑工程抗震设防分类标准: GB 50223-2008[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

[4] 建筑抗震设计规范: GBGB50011-2010 [S].2016年版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.

[5]重庆市超限高层建筑工程界定规定:渝建发(2016)203号[A] . 重庆:重庆市城乡建设委员会,2016.

[6]高层民用建筑钢结构技术规程: JGJ 99-2015. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.