某校舍建筑結構抗震超限設計與分析

郭 強

(1.同濟大學土木工程學院，上海 200092； 2.上海眾誼建筑設計有限公司，上海 200030)

1 工程概況

本項目位于上海市浦東新區。建筑類型為多層框架結構，無地下室，地上部分為一棟5層建筑，其中多功能教室為局部1層。本樓功能主要為教學樓，各層層高均為4.0 m，其中多功能教室層高均為7.0 m，建筑面積約4 116.97 m2,上部結構嵌固在基礎頂如圖1，圖2所示。

本項目結構體系為多層鋼筋混凝土框架結構，柱網為7.5 m×9.6 m，平面布置為一字形，安全等級為一級，建筑物長度54 m，設置后澆帶，降低混凝土溫度收縮應力對結構的不利影響，樓梯間抗震等級提高一級，樓梯采用滑動支座，走廊與樓棟之間設置雙柱抗震縫。

其中教學樓區域為5層結構，柱網為7.5 m×9.6 m，層高4.000 m，建筑物長度54 m；多功能教室區域為單層結構，檐口標高7.000 m，主要柱跨為16 m。由于多功能室結構層高跨度較大，采用結構尺寸相對較大。

建筑抗震設防烈度：7度(第二組)，設計基本加速度值為0.10g，特征周期0.9 s，結構阻尼比0.05，場地土類別 Ⅳ 類，多遇地震下水平地震影響系數最大值為0.08，見表1。

表1 結構基本參數

結構材料及其強度指標:混凝土：7.950以下的構件：C35;7.950以上的構件：C30;鋼筋：HRB400級：fy=360 mm/m2。

2 結構超限分析

本項目上部結構嵌固在基礎頂，上部結構采用鋼筋混凝土框架結構體系，由于建筑布置要求，本樓的上部結構存在多項不規則，具體如下：

1)扭轉不規則(位移比大于1.2，但小于1.4)。

2)結構平面局部凸出尺寸大于相應投影方向總尺寸的30%，屬于平面凹凸不規則。

3)2層，3層平面立面局部收進的水平向尺寸大于相鄰下層的25%，屬于側向剛度不規則。

4)2層多功能教室上空開洞后，有效樓板寬度小于典型樓板寬度的50%，屬于樓板局部不連續。

根據以上不規則情況，本工程屬于建筑結構平面和豎向均不規則，在初步設計階段進行抗震設防專項審查，在設計過程中，針對本工程平面和豎向均不規則情況采取針對性的加強措施。

3 抗震加強措施

本項目為特別不規則建筑，擬采取以下措施：

1)整體設計時采用兩個不同力學模型的軟件(盈建科和PMSAP)進行分析、比較。

2)調整梁、柱結構布置及柱截面尺寸，盡量加高外圈框架梁高度，使其分布均勻、對稱，加強結構整體抗扭剛度，改善結構動力特性。

3)使質心與剛心的位置盡量接近，以減小地震作用時的扭轉反應。

4)對于平面扭轉不規則的加強措施：適當調整計算模型，1層，2層以下部分(帶多功能教室)位移比Y向最大1.34。在施工圖階段將適當加強位移比較大柱的抗震措施，如采用型鋼混凝土柱、箍筋配筋率增大等，以加強延性及承載力。

5)對于凹凸不規則的加強措施：凹凸變化處梁柱抗震等級提高一級，加強板厚，按彈性板考慮，根據板的受彎、受拉壓應力綜合進行配筋。

6)對于豎向不規則的加強措施：豎向不規則處梁柱抗震等級提高一級，加強板厚，按彈性板考慮，根據板的受彎、受拉壓應力綜合進行配筋。錯層處框架柱采用型鋼混凝土柱，提高構件承載能力，減小構件軸壓比，箍筋全長加密，以加強延性及承載力。

7)側向剛度不規則：調整計算模型，加強一層剪切剛度，避免側向剛度不規則。

8)樓板不連續：樓板不連續處梁柱抗震等級提高一級，加強板厚，按彈性板考慮，根據板的受彎、受拉壓應力綜合進行配筋。

4 計算分析及結果

結構小震下的彈性分析

1)主要計算程序：YJK,PMSAP(2010新規范版);編制單位：中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部。

2)主要計算結果如下：a.盈建科計算結果：結構自重(標準層平均質量)：7 603 t(6.35 t/m2);第一振型：周期：0.847 0,方向角：173.21，平動系數：1.00,扭轉系數：0.00;第二振型：周期：0.829 6,方向角：83.32，平動系數：0.97,扭轉系數：0.03;第三振型：周期：0.675 5,方向角：83.12，平動系數：0.05,扭轉系數：0.95;扭轉自振周期與第一自振周期比：T扭/T1：0.797 5；地震作用最大方向角：174.624°。最大層間位移角(樓層號)：X向地震：1/576(4層)，Y向地震：1/553(4層);X向風荷載：1/7 779(4層)，Y向風荷載：1/2 483(4層);本層與上一層等效剪切剛度(或上三層等效剪切剛度平均值)之比最小值(樓層號)：1.353 5(2層);最大柱軸壓比：0.68。b.PMSAP計算結果：結構自重(標準層平均質量)：7 596 kN(6.34 t/m2);第一振型：周期：0.801 9,方向角：-10.21,平動系數：0.97,扭轉系數：0.03;第二振型：周期：0.785 6,方向角：80.25,平動系數：0.94,扭轉系數：0.04;第三振型：周期：0.650 3,方向角：88.93，平動系數：0.05,扭轉系數：0.95;扭轉自振周期與第一自振周期比：T扭/T1：0.810 9;地震作用最大方向角：-7.99°;最大層間位移角(樓層號)；X向地震：1/594(4層)，Y向地震：1/613(4層);X向風荷載：1/7 937(2層)，Y向風荷載：1/2 672(4層)；本層與上一層等效剪切剛度(或上三層等效剪切剛度平均值)之比最小值(樓層號)1.20(2層)；樓層的受剪承載力之比最小值(樓層號)：0.80(2層)；最大柱軸壓比：0.70。

根據計算結果的數據表明，YJK和PMSAP兩個程序的計算結果總體上是接近的，2號樓結構具有較好的抗側與抗扭剛度。X，Y方向的振型有效質量參與系數均大于規范要求的0.9要求；扭轉周期與第一周期之比小于0.9，能滿足規范要求；彈性層間位移角能滿足抗震規范要求的地震作用下1/550(框架)的限值；樓層最大水平位移與質心位移之比小于抗震規范中1.5的限值。

3)彈性時程分析：選取兩條實際地震波SHW3，SHW7和一條人工地震波SHW2作為輸入地震波，地面運動最大加速度取35gal，結構阻尼比取0.05，時間間隔取0.02 s。計算結果表明，它們的基底剪力都滿足規范對每條地震波的基底剪力不小于反應譜法的65%，平均基底剪力不小于反應譜法的80%的要求，結構的平均反應在兩個方向上均與CQC法的結果較為接近，樓層位移曲線和層間位移角曲線都基本光滑，無剛度突變現象，也無明顯薄弱層，見表2。

表2 基底剪力一覽表 kN

結構大震下彈塑性變形計算：

選取兩條實際地震波TH1TG090，TH2TG090和一條人工地震波RH1TG090作為輸入地震波，地面運動最大加速度取220gal，結構阻尼比取0.05，時間間隔取0.02 s，地震波終止計算時間30 s。

根據計算結果，X向底層層間彈塑性位移比為1/90,X向最大層間彈塑性位移比為1/92(二層)；Y向底層層間彈塑性位移比為1/121,Y向最大層間彈塑性位移比為1/90(二層)，均可滿足規范要求。

5 結語

我們在概念設計的基礎上對本工程進行了結構設計。通過計算分析，我們得到的結論如下：

1)計算結果表明，本樓有比較好的抗震性能，結構設計可以滿足現行的規范要求。

2)時程分析的結果表明，盡管結構有豎向不規則現象，但是本樓是結構的下部抗側剛度大于上部抗側剛度，所以結構基本無薄弱層現象產生。

3)通過簡化彈塑性計算方法, 本樓最大層間位移均滿足規范要求。

4)通過計算和分析，本工程所采取的加強措施是合理的。

5)通過小震和大震驗算，本工程可以達到規范所要求的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的預期性能目標。