帶連體的學校超限高層結構設計

段 貝 袁 升 張陳勝

(浙江省建筑設計研究院，浙江 杭州 310006)

1 工程概況

該項目位于杭州市西湖區，建筑效果圖如圖1所示。地面以下1層，主要為車庫及食堂，局部兼做人防；地上從北向南依次設有行政綜合樓、報告廳、教學樓、體育綜合樓、宿舍樓；總用地面積34 640 m2，總建筑面積78 940 m2。

行政綜合樓共9層，首層層高4.2 m，其余層層高為3.9 m。1層～6層東西兩側主體結構獨立存在，7層～9層通過南北兩個連接體連接成為一個整體。此外，8層，9層存在豎向收進、多層存在樓板大開洞等不規則情況。根據《建筑抗震設計規范》[1]和《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[2]，該工程為平面和豎向不規則的超限結構。

建筑結構的設計基準期和使用年限為50年，安全等級為二級，結構重要性系數為1.0。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組，設計特征周期為0.35 s，場地類別為Ⅱ類，建筑抗震設防類別為重點設防類(乙類)。

2 結構設計

2.1 結構體系及布置

由于8層，9層存在豎向收進，收進之后9層局部為單跨框架結構，對于乙類建筑不應采用單跨框架結構[1]，所以行政綜合樓采用框架—剪力墻體系，結構模型見圖2。綜合考慮建筑樓電梯、鐘樓的位置，合理調整剪力墻的布置，使東西兩側主體結構剛度接近。在不影響建筑功能的前提下，利用7層作為轉換層與東西兩側主體結構剛性連接[3]，行政綜合樓的典型平面圖如圖3所示。由于連體層數較多，為了減輕結構自重，轉換層采用鋼桁架的形式，且轉換層以上連接體也采用鋼結構。轉換桁架跨度26.1 m，桁架高度3.9 m，采用倒V形桁架。桁架上下弦桿采用H600×500×15×35，H600×500×25×40，腹桿采用H400×400×18×35，H400×400×16×30，H650×500×45×50，鋼桁架與東西兩側主體結構連接處的框架柱內置H600×400×40×40，內置型鋼與鋼桁架上下弦桿剛接。沿桁架方向上下弦桿伸入兩側主體結構各一跨，形成鋼骨梁，與主體結構一側鋼骨柱剛接，以保證連接體與兩側主體結構可靠連接(見圖4)。

2.2 結構抗震性能設計目標

綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構特殊性、建筑費用、震后損失和修復難易程度等各項因素，本項目性能目標選用“C”，結構抗震設計性能目標具體見表1。

表1 結構抗震設計性能目標

2.3 結構主要抗震加強措施

1)提高重點部位結構構件的抗震等級。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(簡稱《高規》)[4]，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級。連接體及與連接體相連的結構構件在連接體高度范圍及其上下層的抗震等級由二級提高為一級；8層樓面收進處的框架柱，從6層～9層對應的抗震等級由二級提高至一級。2)由于層數較少，與轉換桁架相連的框架柱內置型鋼從底層延伸至頂層。與轉換桁架相連的框架柱按照轉換柱設計，箍筋全高加密，嚴格控制其軸壓比小于0.6[5]，并適當提高柱配筋率(不小于1.2%)、配箍率(不小于1.5%)和鋼骨率(不小于5.0%)。3)為確保樓蓋的整體性及剪力的傳遞，轉換桁架上下弦桿所在樓層的樓面采用現澆樓板，樓板厚度不小于150 mm，雙層雙向配筋，配筋率不小于0.3%，并按照《高規》進行受剪截面和承載力的驗算。4)連接體轉換鋼桁架與上部柱形心對齊，伸入兩側主體結構一跨，保證可靠剛性連接。鋼桁架受壓腹桿的軸壓比按照同等級的框架柱的軸壓比控制。5)補充東西兩側主體結構單獨計算和承載力復核，與整體計算包絡設計，確保當連接體失效后，兩側主體結構能單獨承受地震作用而不發生倒塌。6)由于多層存在樓板大開洞的情況，需按彈性板驗算所在樓層的樓板應力，根據樓板詳細分析結果對大開洞周邊樓板進行加厚或提高配筋率。

3 結構整體分析

3.1 多遇地震作用下結構驗算

在進行整體驗算之前，首先采用PKPM對連接體以下的東西兩側主體結構進行了單獨計算分析，具體指標如表2所示。東西兩側主體結構X向平動周期相差10%，Y向平動周期基本一致；X向層間位移角基本一致，Y向層間位移角相差了12%。兩者剛度非常接近，適合采用強連接的連接結構。

表2 東西兩側主體結構主要指標比較

采用PKPM和MIDAS Building兩種軟件對結構在多遇地震作用下整體內力和變形進行了對比分析，主要結果如表3，圖5所示。可以看出，兩種軟件計算出的總重量、前三階周期、剛重比、層間位移角、最大位移比等結果基本一致，且滿足相關規范的要求。轉換層及下部結構與轉換層上部結構等效剛度比X向最小為1.53，Y向最小為2.47，滿足規范大于0.8，并宜接近1的要求。從圖5可以看出X向轉換層與其下一層的剛度比約1.6，與其上一層的剛度比約1.7，樓層剛度存在突變；Y向轉換層與其下一層的剛度比約0.9，與其上一層的剛度比約1.1，樓層剛度相對變化均勻，但均大于規范規定的0.6限值，說明轉換層的設置相對合理。

表3 多遇地震作用下彈性分析主要指標比較

3.2 結構彈性時程分析

行政綜合樓存在高位連體，屬于復雜高層建筑結構，采用PKPM對其進行多遇地震作用下的彈性時程分析補充驗算。根據建筑場地類別和設計分組最終選取了兩條天然波和一條人工波，與規范反應譜分析的基底剪力進行了對比，滿足了規范要求的在統計意義上相符，具體比較結果如表4所示。根據規范要求，需取三組時程曲線取時程計算結果的包絡值與反應譜計算結果的較大值進行計算，因此，整樓地震力放大系數X向取1.04，Y向取1.09。

表4 時程分析與反應譜分析基底剪力比較

3.3 設防地震作用下結構驗算

基于性能的設計要求，在設防地震作用下，轉換鋼桁架及其相連構件、轉換柱等關鍵構件的結構承載力需要滿足彈性設計要求。在進行中震彈性驗算時，地震作用不考慮與抗震等級有關的增大系數；不考慮由填充墻引起的周期折減；考慮連梁有一定程度的破壞，連梁剛度折減系數可以根據規范適當減小。經計算，轉換柱的軸壓比最大為0.5，轉換鋼桁架上下弦桿最大應力比為0.65，轉換鋼桁架受壓腹桿最大應力比為0.9，受拉腹桿的最大應力比為0.8。可以看出關鍵構件的軸壓比、應力比滿足規范要求，且配筋較合理，可以達到中震彈性的性能要求。

3.4 罕遇地震作用下彈塑性分析

采用MIDAS Building對結構進行彈塑性分析，以評估結構在罕遇地震作用下的性能。在框架梁兩端設置彎矩鉸，在框架柱兩端設置軸力彎矩鉸，桁架腹桿設置軸力鉸，采用層剪力加載模式，考慮P—Δ二階效應的影響。隨著側推荷載的逐步增大，結構位移逐漸增加，從而得到基底剪力—位移曲線，轉化為結構的能力譜。能力譜和需求譜交點即為性能點。該點對應的結構狀態應處于目標性能范圍之內。

根據主體結構在7度0.1g罕遇地震作用下相應的能力譜和需求譜曲線，X向性能點對應的基底剪力26 850 kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的3.2倍，對應結構有效周期為2.477 s，有效阻尼為15.47%，對應的最大層間位移角為1/237；Y向性能點對應的基底剪力為21 670 kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的2.5倍，對應結構有效周期為3.03 s，有效阻尼為12.5%，對應的最大層間位移角為1/477。兩個方向的性能點對應的層間位移角均小于1/100，可以滿足“大震不倒”的性能要求。

從整個推覆過程的出鉸狀態來看，連梁和框架梁端首先出鉸，當結構達到性能點時，桁架及其相連構件、轉換柱均無出鉸，部分的框架柱端出現了鉸，到了屈服狀態，大部分的鉸出現在梁端，總體上符合預期的抗震性能設計目標。

4 結語

本文通過對帶連體的行政綜合樓多軟件整體對比分析、彈性時程分析、關鍵構件的中震彈性驗算以及大震彈塑性分析，并針對連接體、豎向收進、大開洞等薄弱部位進行了加強，最終達到了預期的結構抗震性能目標，在以上過程中以下經驗可供類似項目參考：

1)學校建筑當出現單跨框架時可以采用框架—剪力墻體系，保證形成二道防線；對于有剪力墻的連體結構，盡量通過剪力墻的合理布置，使連接體兩側的主體結構剛度接近，以保證連接體優先采用剛性連接。

2)連接體盡量采用鋼結構，當連接體有多層時，根據跨度可將最下面一層設置為桁架轉換層，桁架上下弦桿與主體結構連接處框架柱內置型鋼，當層數較少時，內置型鋼可通長布置。上下弦桿需伸入主體結構至少一跨，且可靠連接。