西安某辦公樓結構超限分析

中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200090

1 工程概況

案例工程位于陜西省西安市，為某航天院所辦公樓兼食堂，現已竣工并投入使用。該建筑物平面尺寸約為70m×23m，大屋面結構標高為13.2m，底層層高為5.4m，標準層層高為3.9m，總建筑面積為4148.78m2。建筑立面圖以及首層平面圖如圖1、圖2所示。

圖1 建筑立面圖

圖2 首層建筑平面圖（單位：mm）

該建筑物結構形式采用鋼框架-支撐體系，長方向兩端沿全高設BRB（屈曲約束）支撐以減小地震作用下結構的扭轉效應，并增強中、大震下的結構耗能能力。底層為了跨越原有地下消防水池取消兩排柱，形成25.5m左右大跨度，采用大跨轉換梁（箱型尺寸為1400mm×450mm×30mm）支承上部結構；為適當減小跨度，兩側增設斜撐（箱型截面為450mm×20mm），如圖3所示。頂層有較大錯層。

圖3 首層轉換部位立面圖

2 超限情況匯總

該結構存在多項不規則項，根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，不規則項匯總如下：①扭轉不規則，位移比值為1.32，大于BRB支撐控制后的位移比值1.2；②樓板不連續，頂層有較大錯層；③構件間斷，底層抽柱形成轉換梁支承上部結構。

該工程雖不屬于高層，但所處西安市為設防烈度8度區，且結構整體判斷屬于特別不規則，為安全起見，進行超限分析，并補充多遇地震下時程分析和靜力彈塑性分析。

3 地基基礎設計

該工程采用筏板基礎+條形基礎，局部地下室區域采用筏板基礎，埋深約-6.1m，無地下室區域采用條基，基礎埋深約-2.45m。根據巖土工程勘察報告，基礎持力層主要為自重濕陷性黃土層，濕陷等級為Ⅱ級（中等），采用DDC法（孔內深層強夯法）進行地基處理，消除黃土濕陷性，同時提高地基承載力。設計單樁直徑為550mm，梅花形布樁，樁距為900mm，樁長為10m。處理后經承載力檢測，實際承載力為280kPa，大于設計取值260kPa，雖余量不大，但滿足設計要求。

4 多遇地震下彈性時程分析

采用PKPM軟件的PMSAP模塊進行多遇地震下彈性時程分析，選取3條地震波，其中1條人工波：RH2TG（人工波）；2條天然波：TH052TG（天然波）和TH092TG（天然波）。根據分析，3條波反應譜在前五階周期點的地震影響系數平均值與規范譜相比誤差均在20%以內（最大為12.8%）；時程分析與反應譜法分析相比，基底剪力為后者的79.1%～96.6%，均處在65%～135%，平均值為后者的88.7%～94.5%，處在80%～120%，選取的地震波滿足規范相關要求。

根據分析結果，時程分析樓層剪力變化趨勢基本與反應譜法基本一致，并對剪力相較于反應譜法分析結果更大的樓層進行相應的放大調整。

5 樓蓋振動舒適度驗算結果

對二層大跨度樓蓋進行自振舒適度分析，采用Midas Gen軟件（上部荷載作為質量施加）分析模型，如圖4所示。

圖4 大跨度轉換區域樓蓋振動分析模型

經分析，樓蓋一階豎向自振頻率為3.8Hz＞3Hz，滿足相關規范要求。同時，采用《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）（以下簡稱《高規》）附錄A提供的方法計算得到豎向振動峰值加速度為0.012m/s2＜0.05m/s2，滿足相關要求。

6 錯層處樓板應力分析

為滿足頂層會議廳凈高要求，屋面抬高1.5m，形成錯層，剩余有效樓板寬度為3.8m，僅為樓板總寬度的20%，屋面層建筑平面如圖5所示。由圖5可知，該建筑存在較大的樓層錯層且有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，故需要進行地震作用下樓板應力分析。

圖5 屋面層建筑平面圖（單位：mm）

采用PKPM2010軟件的PMSAP模塊計算，樓板設置為彈性膜，根據分析結果，多遇地震下X、Y方向樓板最大拉應力為522.8kPa，小于混凝土軸心抗拉強度設計值1.43MPa；中震按照樓板內力放大2.8倍的不利估計，最大應力為1.46MPa，小于混凝土軸心抗拉強度標準值2.01MPa。綜上，認為地震作用下錯層處剩余樓板不會發生破壞，能夠保證結構整體性并有效傳遞內力。由于剩余樓板寬度較小，采用雙層雙向配筋d8@100予以加強，配筋率為0.42%。

7 中、大震靜力彈塑性分析

采用Midas Gen軟件分析該工程，計算模型如圖6所示。

圖6 Midas計算模型

選用目標位移控制方式，初始荷載取重力荷載代表值對應的1.0恒載+0.5活載，在此基礎上選擇X、Y方向平動模態對結構進行側向加載，并對目標位移進行控制。塑性鉸選用FEMA鉸。根據《高規》，選取結構性能目標等級為D級，性能目標要求如表1所示。

表1 結構性能目標

（1）設防烈度地震（中震）下的推覆分析結果。X、Y兩方向推覆工況分析結果顯示，結構能力譜具有明顯的屈服平臺，并與中震需求譜存在交點（Y方向未出鉸），即中震性能點，中震推覆性能結果如表2所示。X方向中震性能點的各構件塑性鉸分布情況如圖7～圖10所示。

表2 中震推覆性能結果

圖7 BRB支撐塑性鉸分布情況

圖8 普通斜撐塑性鉸分布情況

圖9 框架柱塑性鉸分布情況

圖10 框架梁塑性鉸分布情況

由圖7～圖10可知，X方向中震作用下，框架梁、柱及普通斜撐未出現塑性鉸，部分BRB支撐進入屈服狀態。

（2）罕遇地震（大震）下的推覆分析結果。X、Y兩方向推覆工況結果顯示，結構能力譜與大震需求譜存在交點，即大震性能點，大震推覆性能結果如表3所示。

表3 大震推覆性能結果

根據分析結果，發現較多框架梁端出現塑性鉸，少量框架梁端破壞嚴重，部分框架柱端出現塑性鉸，普通支撐均保持彈性，較多BRB支撐進入屈服狀態，懸挑梁均未出現塑性鉸；Y方向大震作用下（到達性能點），較多框架梁端出現塑性鉸，部分框架柱端出現塑性鉸，普通支撐和BRB支撐均保持彈性，懸挑梁均未出現塑性鉸；首層大跨度轉換部位梁、柱、斜撐均未出現塑性鉸。

（3）性能指標復核。靜力彈塑性分析結果如表4所示，各項指標均滿足《高規》中的D級性能要求。

表4 結構抗震性能設計指標復核

8 結論

（1）結構整體性能滿足D級要求，小震、大震層間位移角均滿足相關規范要求。

（2）轉換梁、轉換柱、普通斜撐等關鍵構件均滿足大震不屈服要求。

（3）二層大跨度轉換位置樓蓋豎向自振頻率為3.8Hz，峰值加速度為0.012m/s2，滿足舒適度要求。

（4）頂部錯層部位樓板應力分析結果滿足相關要求，可確保樓板面內的整體性，進而保證可有效傳遞水平力。