复杂支撑大跨度结构抗震性能分析研究

苏 骏（华东建筑设计研究院有限公司， 上海 200002）

随着我国经济快速增长，文化产业发展迅猛，重点城市开始兴建满足当前文化传播需求的演艺类场馆[1]。因建筑功能需求，演艺类场馆需要有大空间、高低错落的观众座席及大量的功能用房，造成演艺类场馆的结构布置复杂[2]，一般存在扭转不规则、构件不连续、承载力突变、楼板大开洞等超限问题。这亦是结构设计的难点之一。同时大空间造成屋盖结构跨度大，需要同时控制屋盖挠度和支座处的水平推力，成为结构设计的另一难点。

演艺类场馆人员量大，按 GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》规定为重点设防类建筑，因此对其抗震性能要求较高。在多遇地震作用下弹性分析的基础上，一般需要进行罕遇地震作用下的弹塑性分析，从而对结构抗震性能有更加全面的判断。

罕遇地震作用下的抗震性能分析需要考虑结构动力非线性响应，目前常采用动力弹塑性时程分析方法[3-4]。动力弹塑性时程分析方法可以同时考虑结构的几何非线性和材料非线性，给出结构在地震作用中不同时刻结构的内力发展、塑性损伤状况等。

1 建筑概况

江苏某文化创意园的多功能演播厅位于江苏省南京市仙林区，地下 2 F，地上 6 F，屋面标高为 32.8 m，水平投影尺寸为 128.0 m×100.0 m。项目基本抗震设防烈度为 7度，设计地震分组为第一组，Ⅱ 类场地，罕遇地震下的特征周期为 0.4 s。

根据建筑功能的需要，平面中央区域为演出舞台区，沿舞台四周楼层布置看台，结构呈环状布置，中央舞台演出区顶部采用大跨度钢结构屋盖。典型楼层平面和建筑剖面如图1 所示。

2 结构体系

演播厅下部主体结构采用钢支撑-钢筋混凝土框架结构体系。钢屋盖采用点式支承的双向桁架结构体系，横向跨度为 81.0 m，纵向跨度为 99.0 m，如图 2 所示。

钢屋盖的桁架形状为梯形，中间区域桁架跨中高度为5.3 m，跨高比约为 15。钢屋盖下弦通过球型钢支座支承在36 根型钢混凝土框架柱上，其连接节点如图 3 所示。

结构典型剖面如图 4 所示。钢屋盖在支座处产生的水平推力由外侧水平框架梁受压和内侧看台斜梁受拉共同承担，并传递至内外侧框架柱上，使得内侧框架柱受拉，外侧框架柱受压。

为提高结构抗扭能力，在结构四周楼梯间处布置了钢支撑，与钢支撑相连的周边框架内设置有型钢。基于建筑立面效果和功能布置需要，沿建筑外轮廓布置 20 根跃层斜柱，竖向倾角 ≤15°；内部布置有一圈看台斜梁，如图 5 所示。

图 1 建筑平剖面图

图 2 演播厅结构三维模型

图 3 钢屋盖与框架柱连接示意

图 4 结构剖面示意图

图 5 特殊构件布置

以 JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》为依据，结合抗震设防类别（乙类）、设防烈度（7 度）、场地条件、结构的特殊性、建造费用、结构特点、震后损失和修复难易程度等因素，确定结构抗震性能目标为 C 级，罕遇地震下结构抗震性能设计目标见表 1。

表 1 罕遇地震下结构抗震性能设计目标

3 分析方法

考虑钢屋盖的施工加载过程，运用 Abaqus 软件，采用动力弹塑性时程分析方法对结构在罕遇地震下的抗震性能进行分析。

3.1 模型参数

在动力弹塑性时程分析中，梁、柱、支撑和桁架杆件均采用纤维梁单元进行模拟，考虑剪切变形和大应变[5]。混凝土材料采用弹塑性损伤本构模型，在地震反复荷载作用下，当混凝土材料进入塑性状态后，其拉、压刚度降低通过拉、压损伤系数进行描述。钢材和钢筋采用二折线动力硬化本构模型，并考虑反复荷载作用下的钢材包辛格效应。采用基于中心差分法的显式积分方法进行求解，保证计算过程的收敛性。

3.2 动力特性对比

Abaqus、YJK 两种软件计算的前三阶周期见表 2，两种软件计算得到的结构动力特性基本一致，说明弹塑性分析模型与弹性设计模型保持一致。

表 2 结构周期对比

3.3 钢屋盖施工加载

由于钢屋盖在自重下产生较大水平推力，导致下部结构产生较大内力，因此在实际施工中对钢屋盖自重下的水平推力进行释放。钢屋盖自重释放与否的水平推力和位移对比见表 3，柱编号见图 6。

表 3 水平推力和位移对比

图 6 支撑钢屋盖柱编号

在分析中考虑了施工加载过程，即首先释放钢屋盖支座水平位移，仅施加竖向约束，施加钢屋盖自重，得钢屋盖弦杆轴力见图 7。再约束钢屋盖支座水平位移，施加钢屋盖附加恒载。

图 7 钢屋盖自重作用下桁架内力

3.4 地震波选用

根据 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，本项目在罕遇地震分析中采用 5 组天然波和 2 组人工地震波。所选7 组地震波的最大峰值均为 220 gal，有效时长均满足结构第 1 周期 5～10 倍的要求，水平主、水平次、竖向输入地震波峰值比为 1∶0.85∶0.65。

所选 7 组地震波的弹性时程分析基底剪力与 CQC 结果对比见表 4，每组地震波的基底剪力平均值＞CQC 的 65%且＜135%。7 组地震波的基底剪力平均值＞CQC 的 80% 并＜120%。地震波平均谱与规范反应谱对比如图 8 所示。典型结构周期下的谱值相差 ＜ 20%，满足 GB 50011—2010要求。

表 4 地震波与 CQC 的结构基底剪力对比

图 8 地震波平均谱与规范反应谱对比

4 抗震性能分析

4.1 整体性能分析

罕遇地震弹塑性分析中，7 组地震波作用下结构在 X、Y 两个主方向基底剪力平均值分别为 160 143 kN 和 148 000 kN，对应的剪重比分别为 20.1% 和 18.6%，均为罕遇弹性分析结果平均值的 0.79，见表 5。

表 5 弹性与弹塑性基底剪力对比

每组地震波作用下结构弹塑性层间位移角及其对应的楼层号如表 6 所示。结构在X、Y方向的层间位移角平均值的最大值分别为 1/178、1/155，均位于 6 层，满足层间位移角≤1/50 的限值要求。

表 6 每组地震波对应的结构弹塑性层间位移角最大值

4.2 构件性能分析

在施工步阶段，屋盖的施工顺序如下。将屋盖和周边柱子连接，释放屋盖水平自由度，先施加自重，当屋盖在自重作用下完成变形后，再约束屋盖的水平自由度，继续施加附加恒载和 0.5 倍活载。在该工况下（输入地震作用前），屋盖的X向最大变形为 3.20 cm，Y向最大变形为4.66 cm，Z向最大变形为 32.57 cm，钢屋盖处于弹性阶段，如图 9 所示。

图 9 钢屋盖变形

罕遇地震作用下少数跃层斜柱中混凝土发生轻微受压损伤，柱内钢筋进入轻微塑性，柱内型钢均未进入塑性，跃层斜柱总体处于轻微损坏，如图 10 所示。

图 10 跃层斜柱

看台斜梁及相连柱的混凝土无受压损伤，3～4 层少数几根斜梁内钢筋和型钢产生轻度受拉损坏，其余构件无损坏或轻微损坏，如图 11 所示。

图 11 看台斜梁及相连柱损伤情况

钢支撑均未进入塑性，与钢支撑相连框架中的钢筋也未进入塑性，抗震性能良好。部分支撑屋盖的框架柱顶部混凝土发生轻微受压损伤，柱内钢筋进入轻微塑性，柱内型钢均未进入塑性，总体抗震性能良好，如图 12 所示。

图 12 支撑屋盖的型钢柱

在罕遇地震作用下，X、Y方向主桁架在跨中的部分弦杆发生轻微塑性损伤，如图 13 所示，钢屋盖整体抗震性能良好。

图 13 钢屋盖塑性应变

部分混凝土框架柱的柱顶混凝土发生轻度受压损伤，柱内钢筋进入轻微塑性，柱内型钢均未进入塑性；少数框架梁中混凝土进入轻微受压损伤，梁中钢筋进入轻微塑性；框架柱和框架梁总体抗震性能均良好。楼板受拉开裂明显，受压损伤较轻，板内钢筋进入塑性，但塑性发展水平不高，楼板总体仍具有较好的承担竖向荷载和传递水平地震的能力。

5 结 语

采用弹塑性动力时程分析方法，对此多功能演播厅项目进行了抗震性能分析研究，基本结论如下。

（1）钢屋盖对下部结构的水平推力较大，通过支座处水平约束后施加，消除了屋盖自重下的水平推力，降低了对下部结构抗震性能的不利影响。

（2）7 组地震波作用下的结构层间位移角平均值均＜1/50，满足现行规范要求。跃层斜柱、看台斜梁以及支撑屋盖框架柱均处于轻微损伤水平，钢支撑未进入塑性，其余框架处于轻度及以下损伤，满足结构抗震性能设计目标。

（3）钢屋盖在罕遇地震作用下，仅中部上下弦位置有少量杆件进入轻微塑性，整体抗震性能良好。

本项目的抗震性能研究，可为其他类似项目提供设计参考。