某超限學校綜合樓抗震設計分析

胡豪

摘 要： 某學校綜合樓，存在扭轉不規則、側向剛度不規則、樓板不連續等多項不規則，采用兩種空間軟件進行多遇地震計算、補充彈性時程分析、進行罕遇地震下的靜力彈塑性分析，針對大開洞樓板進行小震及中震樓板應力分析。通過采用合理的結構布置、全面的計算分析和加強措施，使本工程具有良好的抗震性能。

關鍵詞： 不規則;超限;抗震

1 項目簡介

上海某學校項目的一棟中學綜合樓，地上五層，地下一層為與其他單體相連的地下車庫及設備用房。地上主要功能為室內體育館及配套器材室，屋頂為室外運動場。

2 結構設計選用參數及荷載

2.1 抗震設計參數

本工程合理使用年限為50年，抗震設防烈度為7度，設計基本加速度0.1g，設計地震分組二組，場地類別Ⅳ類，多遇地震特征周期0.9s，αmax=0.08（罕遇地震1.1s αmax=0.45）。抗震設防分類標準為重點設防類，結構重要性系數1.1。

2.2 結構主要荷載

基本風壓0.55kN/m2（R=50年），地面粗糙度類別B類，體型系數1.3，基本雪壓0.2 kN/m2（R=50年），樓面恒活載按建筑做法及《建筑結構荷載規范》規定取值。

3 結構選型及布置

本工程地上五層，地下一層，結構總高21.95m，平面尺寸53.65×43.55m，采用鋼框架結構，上部結構嵌固端位于地下室頂板，二、四、五層樓面因為室內體育館和室內籃球場的功能需求存在局部大開洞。

框架柱主要截面600×600×25×25～800×600×36×36mm，框架梁主要截面600×200×10×16～1500×450×28×36mm，次梁主要截面300×200×6×10～600×250×10×18mm，樓板厚度120～150mm。屋頂為39.25×32.85m大跨結構，采用壓型鋼板做模板，混凝土板厚120mm。大跨度區域采用雙向正交平面桁架。鋼材材料為Q355B，地上混凝土樓板采用C30。

4 超限情況判定

本項目結構高度21.95m屬多層結構，參照住建部[2015]67號文“關于印發《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的通知”及《上海市超限高層建筑抗震設防管理實施細則》滬建管〈2014〉954號，對本項目進行不規則性判別，見表1。

本工程同時具有三項及三項以上不規則，判定為特別不規則多層建筑，應進行特別不規則建筑工程的抗震設防專項分析。

5 針對超限的計算分析及措施

5.1 計算分析

采用兩種空間分析程序（YJK和MIDAS-BUILDING）按相同假定進行計算分析比較結構在多遇地震下的響應，補充彈性時程分析，并通過靜力彈塑性分析結構在罕遇地震下的抗震性能。

5.2 針對措施

（1）加強邊框柱及角柱的剛度，使得各層剛心和質心盡量重合，減少扭轉的不利影響;加強邊梁提高結構抗扭剛度，改善結構的整體抗扭性能。

（2）采用符合樓板平面內實際剛度變化的計算模型，計入樓板局部變形的影響。開大洞樓層處按彈性板計算，采用樓板有限元分析;加厚洞口周邊樓板厚度及配筋，在洞口角部集中配置斜向鋼筋。

（3）針對側向剛度不規則形成的薄弱層，將該層的地震力放大1.25倍。

6 計算結果

在采用YJK和Midas Structure Master按相同假定分析計算后發現，兩個程序的結構總質量、前三自振周期值、最大層間位移角、基底剪力和剪重比等主要指標基本一致，分析結果可靠。扭轉周期與第一階平動周期的周期比<0.85;層間位移角均<1/250;在考慮偶然偏心的地震作用下，兩個方向各層位移比均小于1.4;樓層抗剪承載力比最小為0.83，不存在樓層承載力突變;以上結果均滿足規范要求。

6.2 彈性時程分析

彈性時程分析選用IV類場地上的兩條實測地震波——天然波SHW7和天然波SHW6，以及一條人工地震波SHW2，特征周期均約為0.9s。

圖1顯示時程分析法的包絡結果與反應譜法計算結果基本吻合，時程分析法基底剪力的平均值X向為5791kN，Y向為5666kN;反應譜法的基底剪力X向為6540kN，Y向為6678kN。時程分析法平均值與反應譜法的比值分別為0.88和0.81。滿足規范對于每條時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型反應譜法計算結果的80%的要求。

時程分析法多條波包絡值與反應譜法計算結果對比顯示，全樓地震作用需考慮放大系數1.046，在小震計算時將各樓層地震作用按此進行放大。

6.3 樓板應力分析

對樓板開洞較大的二層、四層和五層采用彈性板模型進行多遇地震和設防烈度地震下的樓板應力計算，進行“小震彈性、中震不屈服”設計：

即樓板在小震工況下樓板主拉應力小于混凝土抗拉強度標準值，中震工況下樓板中的鋼筋不屈服：σ1，中震 fykAs hs

其中，σ1，中震為中震標準組合（SD+0.5SL+SE，中震）下樓板的主拉應力，fyk為鋼筋的抗拉強度標準值，h為樓板厚度，s為鋼筋間距，As為s范圍內上下層水平鋼筋的面積之和。計算結果顯示：在小震工況下，樓板最大主拉應力1.4MPa小于C30混凝土抗拉強度標準值2.01MPa，中震工況下最大拉應力2.0MPa，由此計算樓板配筋時每米配筋面積附加的As/s值為750mm2/m，附加雙層鋼筋12@200。通過以上措施就能夠滿足樓板小震彈性中震不屈服的性能目標。

6.4 靜力彈塑性分析

為實現“大震不倒”的設防目標，采用規范推薦的靜力推覆法進行彈塑性靜力分析，計算出結構的性能點，并得到結構在罕遇地震下各層的位移，計算出層間位移角，判定結構是否滿足大震變形要求。

選用PUSHOVER分析，荷載加載方式采用倒三角加載，計算結果表明，在罕遇地震作用下性能點最大層間位移角，X向為1/106，Y向為1/119，均小于1/50，滿足規范要求。

7 結論

（1）通過不同程序對結構進行了多遇地震下的振型分解反應譜法計算分析，結構的周期、振型、位移等均滿足規范要求。兩種不同程序的計算結果基本一致表明分析可靠。

（2）進行了彈性時程響應分析，結果顯示結構的反應特征、變化規律與前述振型分解反應譜法分析基本一致。

（3）對存在樓板局部不連續的樓層進行了地震工況下的彈性樓板應力分析，控制樓板中的主應力，并對應力較大的部位通過增加板厚和配筋等方式加強。

（4）進行靜力彈塑性分析，結果表明在罕遇地震作用下結構的層間位移滿足規范要求，保證了“大震不倒”的要求。

（5）綜上所述，在設計中采取較為合理的結構布置，控制不規則的不利影響，通過全面的計算分析和相應的加強措施，本工程具有良好的抗震性能。

參考文獻

[1]超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點：建質[2015]67號[S].北京：中華人民共和國住房與城鄉建設部，2015.

[2]上海市超限高層建筑抗震設防管理實施細則：滬建管[2014]954號[S].上海：上海市城鄉建設和管理委員會，2014.