某中学文体中心结构超限设计

靳 卫

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

1 工程概况

本工程某中学文体中心，用地具体位置位于阳曲镇民营开发区内。文体中心地上2层，平面尺寸约为53．70 m×47．80 m。局部设置夹层及看台，建筑高度19．050 m。地上1层为教室、办公及健身房，2层为篮球场舞台及运动员休息室等。夹层部位设置了卫生间等配套用房。建筑面积6 222．5 m2。

根据建筑功能要求，本工程采用框架结构体系。同时，为满足建筑功能要求，在2层以上部分取消了部分柱形成篮球馆大空间，屋顶大空间部分采用网架结构。底层框架柱大小为600×600～800×900，为了增加延性，在建筑的大空间部位周围的柱内设置型钢。除屋面大空间部分，其余部位楼面屋面采用现浇钢筋混凝土楼盖。楼板厚度100 mm～120 mm。

2 超限情况及抗震措施

2．1 超限判断

由于本工程为中学的文体中心，根据《建筑工程抗震设防分类标准》、本工程抗震设防类别为重点设防类即乙类。按照《山西省抗震设防超限高层建筑工程界定规定》的要求乙类建筑也要满足该规定。根据本工程结构布置进行核对，本工程有以下三方面的超限:1)楼板不连续。楼板开洞后每一边的净宽小于5 m，且楼板开洞面积占该层楼面面积的百分比49%≥30%，属于第一类超限。2)扭转不规则。考虑偶然偏心时的扭转位移比为1．20，属于第二类超限。3)顶层抽柱形成大空间，属于第二类超限。4)其他不规则。看台部位局部有错层，结构存在穿层柱，属于第二类超限。综上所述，本工程存在一条第一类超限，三条第二类超限，为特别不规则建筑，属于超限(乙类)建筑，需进行性能设计并采取相应加强措施(其中第一类超限对应于规定的一条超限，二类超限对应于规定中的三条超限)。

2．2 抗震措施

1)按照规范要求，采用SATWE和MIDAS Building对此建筑进行整体分析计算。2)采用弹性时程分析法进行补充计算。3)采用 MIDAS Building分别进行静力弹塑性分析。4)按照GB 50011-2010建筑抗震设计规范中相关规定对关键部位和重要部位设置合理的性能目标。5)采用双向地震作用计算结果，并进行包络设计，考虑扭转不规则对结构带来的不利影响。6)对局部薄弱部位进行加强:a．开设大洞的周围梁板进行加强，梁侧均配置抗扭腰筋，板配筋设为双层双向。b．局部存在错层的柱采用复合箍筋，且全长加密，直径不小于12 mm。c．考虑到本结构顶层中部抽柱形成大空间，屋盖为网架结构，刚度相对较弱，且大跨结构周边支承较为重要，故采用型钢混凝土梁柱对网架周围的结构进行加强，提高结构刚度。

2．3 性能目标确定

性能目标及计算程序见表1。

表1 性能目标及计算程序表

3 抗震分析结果论证

采用了SATWE与Midas Building两种软件进行整体分析计算，其中，SATWE主要进行静力分析和多遇地震作用下的反应谱分析、弹性时程分析，并进行结构构件设计。Midas Building主要进行静力分析和多遇地震作用下的反应谱分析。图1为结构整体模型。

图1 结构整体模型图

3．1 多遇地震弹性分析

根据比较两种软件计算的总质量、两个方向的地震总剪力、倾覆弯矩及周期振型相差很小(见表2，表3)，可见两种程序计算结果可靠，可作为设计依据。

表2 结构质量对比表

3．2 弹性动力时程分析

多遇地震下弹性时程分析采用SATWE软件进行计算，选用一条人工波(LAN-3)和两条天然波(TH4TG045，TH2TG045)，峰值加速度为70 cm/s2，规范谱与地震波谱对比见图2。

表3 结构的总剪力及倾覆弯矩表

图2 规范谱与地震波谱对比图

最终结构地震作用效应取时程法计算结果的最大值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。本工程计算中振型分解反应谱结果曲线能包络计算结果的每条波剪力曲线，故直接采用CQC结果进行设计。

多遇地震作用下的结构弹性分析结论:

1)SATWE和Midas Building两种模型分析结果基本一致。

2)在多遇地震作用下，可以采用抗规反应谱进行计算分析。

3)从计算结果可以看出结构具有良好的抗侧刚度和抗扭刚度，且各楼层侧移刚度变化相对均匀，无薄弱层和软弱层。

4)文体中心结构体系、结构布置及构件的截面尺寸基本合理。

3．3 SATWE模型设防地震作用下的计算分析

设防地震作用下的抗震性能目标为:框架梁、柱达到抗剪中震弹性，压/拉—弯中震不屈服;其余次要构件允许屈服。

计算参数:

地震影响系数:0．45(中震)。

勾选“中震不屈服”或“中震弹性”。

选择不计算风荷载。

阻尼比:5%。

表4 中震位移表

由表4计算求得的结构位移为两个方向均不大于1/250，均可满足规范要求。

3．4 构件设计

构件中采用几种计算结果包络进行设计，支承网架结构部分的框架柱及穿层柱采用大震弹性计算结果配筋。对于普通框架柱采用中震不屈服的结果配置纵向钢筋，中震弹性的计算结果配置箍筋。对于普通框架梁采用中震不屈服的结果进行配筋，在配筋过大的部位进行适当调幅，确保构造合理。一层顶楼板采用130厚双层双向配筋。

3．5 罕遇地震作用下的弹塑性静力推覆分析(PUSH-OVER分析)

图3 X方向的性能曲线图

由图3可以看出，X向大震下的性能点为(2．06e+004，0．098 4)，代表在罕遇地震作用的净力推覆分析下，结构的基底剪力为2．06e+004 kN，结构最大位移为98．4 mm，结构大震下的位移角为1/151，满足规范中1/50的要求，能力曲线光滑，性能良好。

图4 Y方向的性能曲线图

由图4可以看出，Y向大震下的性能点为(1．901e+004，0．072 89)，代表在罕遇地震作用的净力推覆分析下，结构的基底剪力为1．901e+004 kN，结构最大位移为72．89 mm，结构大震下的位移角为1/202，满足规范中1/50的要求，能力曲线光滑，性能良好。

经过计算分析比较，根据目前已进行的结构整体抗震分析结果，通过结构合理布置、采取相应加强措施，本工程能够满足规范的相关要求，具有足够的承载力、刚度和延性性能，能够达到抗震设计目标要求。

［1］ GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］．

［2］ 晋建设字［2008］402号，山西省抗震设防超限高层建筑工程界定规定［S］．