某复杂会展建筑抗震设计

2014-11-09刘魁

山西建筑 2014年23期

刘魁

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

0 引言

该商业办公综合项目位于上海市长风生态商务区，是集会务、展览、办公、商务于一体的建筑综合体。地上部分包含“会展中心”及“办公楼”三个结构单体，会展中心约4.4万m2，办公楼约5.2万m2(其中2号办公楼17层，约2.4万 m2，3号办公楼20层，约2.8万m2)。会展中心上部结构采用框架剪力墙结构，结构6层，局部混凝土屋顶之上设置平板钢结构网架屋顶，混凝土屋顶结构高度为28.75 m，钢网架结构檐口标高约为43.00 m，属于A级高度高层建筑。整个地块的地下部分为整体满堂地下室，共2层(见图1)。

图1 会展中心鸟瞰图

本工程会展中心建筑功能复杂，结构设计面临大量的大跨度、大悬挑、楼板弱连接、错层、跨层结构，对抗震极为不利，满足结构抗震性能难度较大，需进行详细的抗震分析，以指导本工程的结构设计，采取适当的抗震加强措施。工程于2009年12月开始施工图设计，2013年10月竣工验收并投入使用。

1 结构超限情况及对应措施

按GB 50223-2008建筑抗震设防分类标准，本工程抗震设防重要性类别为乙类，结构的抗震措施按设防烈度8度采用。框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级。

会展中心高层建筑主要超限和不规则内容如下:

1)楼层的最大弹性水平位移大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍，属于扭转不规则超限。

2)结构楼层有数个夹层，夹层有效楼板宽度小于该楼层楼板典型宽度的40%(夹层东西两边带状分布楼板有效宽度仅为8.3 m和6.3 m，小于规范允许值)，同时导致该层开洞面积达到66%，属于楼板局部不连续超限。

根据《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质［2010］109号)，会展中心结构属于超限高层建筑，应进行抗震设防专项审查。

结构设计时，对于本工程超限高层建筑，主要采取了以下优化布置和加强措施［1］:

1)会展中心上部结构框架和剪力墙的抗震等级按乙类设防的要求提高一级，同时适当提高剪力墙配筋率，概念上提高结构关键构件延性;局部错层处水平构件采取梁加腋或加宽加高梁尺寸并采取抗扭构造，以保证水平地震作用的可靠传递。

图2 X向抗倒塌验算结果曲线

2)会展中心3个夹层(一层夹层、二层夹层、三层夹层)的楼板开洞面积非常大，导致多个楼层内长短柱共存，设计考虑如下计算及构造加强措施:

a.采用补充的并层模型进行校核比较:将三个夹层与相邻层并层计算，校核并层后上下楼层的层抗侧刚度比及受剪承载力比值，以判别是否存在软弱层及薄弱层，同时分析校核并层模型各项总体控制指标满足相关规范规程的要求，构件内力及构件设计应与原计算模型进行比较后，进行包络设计;

b.考虑到实际结构中存在长短柱共存的情况，短柱加强的重点是其延性，长柱加强的重点是其承载力。长柱设计时按实际的计算长度进行细化分析，考虑中、大震下短柱剪力部分转至长柱承担的可能性，结合中震计算结果适当提高柱体配筋率(尤其是短柱箍筋)。

3)针对楼板开洞较多、开洞面积大，局部楼板宽度小、连接薄弱的情况，在结构配筋计算时采用弹性板，进行地震作用下的全楼楼板应力分析，复核薄弱连接处楼板的应力水平。施工图阶段将根据“中震不屈服”分析的内力结果对连接处楼板进行配筋，控制多遇地震下主拉应力小于混凝土的抗拉强度设计值，基本烈度地震作用下板内钢筋不屈服。

4)屋顶钢结构与下部混凝土结构整体建模计算分析，确保钢结构屋盖的安全性。

2 结构抗震计算及分析［2］

结构设计时采用中国建筑科学研究院开发的SATWE和PM-SAP进行多遇地震弹性分析和强度设计，用EPDA进行弹塑性动力时程分析，用EPSA进行弹塑性静力分析，用PMSAP进行楼板弹性应力分析。

2.1 多遇地震分析

整体分析时采用CQC振型效应组合方式，考虑扭转偶联效应，同时考虑偶然偏心的影响。主要计算结果见表1。

表1 弹性分析结果

在振型分解反应谱法计算的基础上进行了弹性时程分析，弹性时程分析选用一条人工地震波RH2TG090和两条实测地震波TH2TG090波，TH4TG090波。规范要求设防烈度7度时，多遇地震时程分析采用加速度时程曲线的最大值为35 cm/s2，时程分析法中步长取0.02 s，阻尼比0.04。弹性时程分析与振型分解反应谱法对比见表2(表中时程分析结果为三条时程曲线平均值)。

表2 弹性时程分析与振型分解反应谱法对比

对比分析表明，结果满足单条地震波计算的地震反应不小于振型分解反应谱法计算值65%，以及多条时程曲线计算平均值不小于振型分解反应谱法计算值80%的规定。总体而言，时程分析计算结果与反应谱法计算结果基本吻合，满足规范有关规定。

2.2 罕遇地震分析

EPSA程序采用的材料弹塑性本构关系，钢材用双折线模型，混凝土用双线或三折线模型(本计算采用双折线模型)。单元假定中，一维单元(梁、柱)采用纤维束模型，弹塑性剪力墙采用非线性壳单元模型。用静力弹塑性分析PUSH验算了在罕遇地震作用下的楼层位移。侧推荷载类型为倒三角形，基底剪力与总重量的比值为1。经过计算分析，其罕遇地震下的层间位移角X向为1/215，Y向为1/233，远小于钢筋混凝土抗震墙结构的限值1/100，满足规范的要求(见图2，图3)。

图3 Y向抗倒塌验算结果曲线

罕遇地震水平方向推覆作用时，首先底部楼层的剪力墙连梁出现梁铰，随着推覆力的不断加大，其他各层剪力墙连梁也出现梁铰，随后局部剪力墙也出现塑性铰;在达到设防烈度地震性能点时，结构裂缝相对较少，随着水平力的继续加大，连梁塑性铰渐渐出齐，剪力墙裂缝逐渐显现，同时部分框架梁和少量框架柱也出现塑性铰;在达到罕遇地震性能点时，几乎全部楼层的连梁都出现塑性铰，部分框架梁出现塑性铰，底部加强区的墙肢出现较多塑性铰，部分柱也出现塑性铰。结构施工图设计时，针对结构薄弱部位进行加强，提高底部剪力墙的抗剪破坏能力。