華安縣“五館一中心”超限結構設計

林 勇

（中建四局建設發展有限公司，福建 廈門 361001）

1 工程概況

華安縣“五館一中心”項目位于漳州市華安縣城南新區，共由4棟建筑組成，功能為科技館博物館、圖書館、檔案館文化館、全民健身活動中心；地下1層為車庫及設備用房，地下1層南側開敞，東西側和北側全埋。項目總建筑面積30 160m2。

科技館博物館建筑高度23.50m（4層）、圖書館為22.35m（3層）、檔案館文化館為22.75m（4層）、全民健身活動中心為22.15m（2 層）。結構地下室頂板不斷縫，2 層樓面在⑦～⑧軸之間沿南北方向斷縫，將整個工程切分為東西2個結構單體。左側單體為科技館博物館和圖書館，右側單體為檔案館文化館和全民健身活動中心。建筑效果如圖1所示。

圖1 項目效果

本工程結構設計使用年限為50年，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期取0.40s，結構安全等級二級，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.10g，丙類抗震設防類別，設計地震分組為第二組，基本風壓為0.40kN/m2。科技館博物館、圖書館阻尼比取5%，檔案館文化館、全民健身活動中心阻尼比按材料區分，鋼結構取2%，型鋼混凝土柱及混凝土取5%。

2 結構設計要點

2.1 地基設計

項目場地為人工堆填的素填土層，主要地質土層為粉質黏土、卵石、硅質粉砂巖殘積黏性土、全風化硅質粉砂巖及中風化硅質粉砂巖，場地南側鄰近九龍江支流，地下穩定水位埋深9.40～17.50m，基礎采用沖（鉆）孔灌注樁，以⑨層中風化硅質粉砂巖為基礎持力層，底板采用主梁+大板體系，地下室底板面標高高于歷史最高水位標高，底板和基礎不需抗浮設計。

2.2 結構體系

本工程各單體采用鋼筋混凝土框架結構體系。籃球館主體結構2層以上采用鋼結構框架體系，與1層柱采用勁性結構過渡。鋼結構框架柱采用矩形鋼管柱，屋面梁采用H型鋼梁。地下室頂板采用梁板結構體系，地下室頂板厚度取180mm，人防區域和消防車道區域取250mm。由于南北場地高差9m，為解決南北土堆力不平衡的問題，地下室北側增設部分y向剪力墻抵抗土推力。地下室東、西、北三側外墻回填土，南側直接臨路敞開，為滿足地下室頂板為計算嵌固端的要求，在南側增設部分剪力墻，提高南側地下室的剛度，確保地下1層側向剛度大于地上1層的2倍。

本工程抗震設防類別為丙類，框架抗震等級二級，全民健身活動中心鋼結構屋面抗震等級取三級。

3 超限情況與措施

3.1 超限情況

以南側室外最不利科技館博物館結構高度為28.50m，檔案館文化館結構高度為27.75m，均超過24.00m，按高層結構進行設計。根據《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），本工程存在主要超限情況如表1所示。

表1 結構不規則項

3.2 性能目標

本工程屬于人員密集大型公共建筑，建筑造型復雜，結構存在多項不規則。結構構件性能目標如表2所示。

表2 結構構件性能目標

3.3 抗震加強措施

通過對本工程相關計算分析，結合上述構件性能目標，為確保達到設定的抗震性能，對主體結構采取如下抗震加強措施。

1）角柱按抗震構造措施等級提高一級考慮，且箍筋全高加密。

2）加大樓板厚度，平衡部分斜柱水平推力，對斜柱周邊的板加強配筋，斜柱根部水平拉力應由相應連接的框架梁承擔；在半樓層標高處的出挑造型斜柱，均按短柱構造加強。

3）2～3層存在連廊且連廊樓板開洞為弱連接，加強板厚和配筋，對連接樓板進行應力分析。

4）每根穿層柱所承受的剪力應至少取相應樓層框架部分承受剪力平均值的1.2倍，并應進行穩定性驗算。

4 結構整體分析

4.1 計算模型主要設計參數

整體結構計算主要采用PMSAP計算，并采用YJK軟件補充計算校核。

結構的阻尼比在多遇地震作用下的彈性分析時取0.05，其中檔案館文化館、全民健身活動中心阻尼比取0.04。水平地震、設防地震及罕遇地震的影響系數最大值分別為0.08，0.23，0.48。將偶然偏心和雙向地震作用產生的不利影響一并考慮。充分考慮高階振型的影響，選用較多振型的振型分解反應譜法計算結構響應，并與彈性時程分析法的計算結果進行對比分析。

4.2 彈性反應譜分析

整體結構計算主要采用YJK計算，并采用PMSAP軟件補充計算校核。計算結果如表3所示。

表3 計算結果

對比PMSAP和YJK兩種軟件的多遇地震作用、位移及結構動力特性等計算結果，基本吻合。由于2種計算程序在模型假定上的不同，地震工況與風荷載工況下位移有5%左右的差異，認為此結果在可以接受的合理范圍內，結構模型模擬能反映實際受力情況。

4.3 彈性時程分析

采用SATWE程序進行彈性時程分析，根據場地安評提供的地震波，選取7條地震波，包括2條人工波，5條天然波，分別為：人工波RH1TG04和RH3TG04，天然波USER1～USER5，依次進行x與y向的輸入，依據規范規定峰值加速度取值55cm/s2。彈性時程分析與振型分解反應譜法底部剪力對比如表4所示。

表4 彈性時程分析與振型分解反應譜法底部剪力對比

由表4數據可知，計算所選取的地震波，其結構底部剪力xmin向為4 619.07kN，ymin向為5 057.07kN，與振型分解反應譜法計算基底剪力比值x向為0.68，y向為0.67，均在規范要求范圍內。地震波計算結構底部剪力的平均值x向為5 809.64kN，y向為6 221.05kN，與反應譜法計算基底剪力比值x為0.86，y向為0.82，均在規范要求范圍內。根據規范要求，當選取7組及以上的時程曲線時，計算結果應選取時程分析法的包絡值與振型分解反應譜法兩者中的較大值。

4.4 靜力彈塑性分析

本工程采用PKPM系列PUSH&EDPA程序進行罕遇地震下的彈塑性分析，分析結果如下：罕遇地震下最不利層間位移角為1/251，滿足規范要求＜1/50；在罕遇地震對應點之后，曲線仍有上升趨勢，說明該結構還有繼續承載能力。

5 鋼結構設計

5.1 設計思路

全民健身活動中心的籃球館上方采用大跨屋面，外圍框架設置斜柱，外圍框架柱中間設置懸挑造型雨篷。

1）結構體系 由于屋面跨度較大，考慮減輕結構自重等，屋面梁采用焊接H形斜柱采用鋼結構焊接矩形鋼管柱，屋面梁采用焊接H型鋼梁，梁柱剛接以形成鋼框架整體結構，在豎向相鄰柱之間拉水平斜梁與框架柱剛接，以加強結構整體性，形成雙向剛接鋼框架結構體系。

2）屋面構造 屋面采用鋼結構壓型金屬屋面板構造，從而減輕屋面荷載自重，減少地震作用。

3）斜柱設計 斜柱層高較高，斜柱大部分為穿層柱，同時作為屋面大跨梁支撐鋼柱，考慮斜柱的重要性，作為籃球館整體結構的關鍵承重構件，抗震等級按提高一級考慮，并按照設防地震彈性進行設計性能化。

4）大跨屋面梁設計 大跨屋面梁采用焊接H型鋼梁，考慮屋面大跨結構重要性，屋面鋼梁撓度控制上按照L/400控制，同時考慮屋面為壓型鋼板屋面，水平結構剛度較弱，在結構上增設水平支撐，以加強結構屋蓋剛度，從而提高結構整體穩定性。屋面大梁按照設防地震彈性進行性能化設計。

5）連接節點 上部鋼結構焊接矩形鋼管柱與下部混凝土結構采用勁性鋼骨混凝土柱過渡，使下部混凝土結構層過渡到上部純鋼結構，并提高下部混凝土柱的受拉承載力及延性。在結構模型分析計算中，結構阻尼比按照材料不同分析計算。

6）屋面（樓面）大懸挑部分 由于建筑平面造型需要，在局部屋面及樓面形成大懸挑，考慮結構受力及懸挑長度較大，在結構上結合建筑樓梯間墻體位置進行增設斜撐，以提高結構冗余度。

5.2 屈曲分析

由于籃球館屋面為大跨屋面，外圍框架躍層斜柱均為主體結構重要的承重構件，在保證斜柱承載力的同時，為確保斜柱屈曲穩定性滿足結構受力要求，還需合理確定外圍框架躍層斜柱的計算長度系數，以保證結構的安全性和可靠性，對整體結構模型進行屈曲穩定分析，具體分析如下。

本次分析考慮重力荷載（1D+0.5L）對結構進行線性屈曲分析。經YJK軟件屈曲分析計算，結構前10階線性屈曲模態的臨界荷載系數如表5所示（僅列出前10階）。

表5 臨界荷載系數

經查看及分析各階結構屈曲模態：前4階屈曲模態均為整體結構屈曲模態，為屋面懸挑部分、屋面結構大跨梁屈曲及整體結構扭轉屈曲，從中可分析得出如下結論。

1）斜柱等主要構件屈曲均滯后于結構整體屈曲。

2）整體結構的線性屈曲臨界荷載系數均大于10，第1階為46.121，整體結構具有較好的穩定性，滿足要求。

6 結語

1）彈性反應譜分析結果表明，結構的各項計算指標均未超出現行規范的規定，整體結構處于彈性工作狀態，可達到“小震不壞”。

2）彈性時程分析法與振型分解反應譜法的計算結果大致吻合，確保分析的可靠性、全面性，從而保證結構安全。

3）罕遇地震下結構的最大彈塑性層間位移角滿足規范要求，符合設計的預期要求，且結構具有較好的延性，可達到“大震不倒”的性能目標。

4）鋼結構設計采用的各項措施，如采用雙向剛接鋼框架和輕型壓型金屬屋面板、提高斜柱抗震等級并按設防地震設計、大跨度屋面梁按設防地震設計等，分析結果滿足要求，可確保結構的安全可靠性。

針對本工程存在的多種超限類別，在結構設計過程中利用多種分析軟件進行計算和對比分析，并根據計算結果，適當調整工程結構設計，有效加強結構薄弱點，使工程結構設計滿足預定的抗震設防目標。本工程所采用的結構分析方法和抗震構造措施可為其他類似超限結構設計提供借鑒。