昆明某学校图书馆结构设计

李跃华 李进荣 徐国芳

(昆明理工泛亚设计集团有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概况

本项目为云南省某学院图书馆，位于昆明市嵩明县，总建筑面积25 972.02 m2，建筑层数为8层，建筑高度为44.1 m，结构体系为框架结构，基础为人工挖孔灌注桩基础，桩端持力层为中风化灰岩，结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度(0.3g),设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，承载力设计风压0.33 kN/m2，地面粗糙度类别为C类。本工程采用隔震技术，底部设置隔震层，如图1所示。

2 建筑超限情况

1)该建筑为地上8层图书馆，建筑高度H=44.1 m>35 m，采用框架结构体系，超过8度(0.3g)框架最大适用高度35 m限值要求，超出规范限值的26%，为一超限高层建筑。

2)该建筑距离小江断裂带较近，位于拟建场地东侧约5.5 km。小江断裂带北起巧家，向南经东川、嵩明、宜良、建水、开远、个旧，交于NW向的红河断裂上，走向近南北，全长500 km以上，发育历史长，经历多期构造活动。此断裂带上地震活动强烈，为西南乃至中国大陆上一条著名的强震发生带，地震活动强烈，以强度大、频度低为特征，1500年始有破坏性地震记载，至今共计有M≥4.7级地震40次，其中6级以上13次，7级以上4次，最强8级1次。

3)该建筑楼板需开洞且楼板不连续，由于建筑功能需要，建筑内设置较大面积的中空，对于裙楼最不利楼层二层，楼层开洞面积747 m2，占该层楼面总面积4 688 m2的15.9%；裙房上标准层最不利楼层5层开洞面积583 m2，占该层楼面总面积2 925 m2的19.9%；且各楼层楼板有效宽度大于该层典型宽度的50%。

4)体型收进，大悬挑。该建筑上部楼层水平尺寸B1=52.8与下部楼层的水平尺寸B=71.4的比值为73.9%，小于现行规范要求值75%，同时水平外挑尺寸4.3 m，大于4 m，不满足现行规范要求，竖向抗侧力构件位置缩进30%，判定为上下平面尺寸存在突变。建筑体型在4层位置收进，4层以上结构平面形状近似心形，且每层变化不一，导致结构每层出挑长度不同，结构最大出挑长度4.3 m，如图2～图4所示。

针对该建筑超限情况，采取以下措施对结构予以加强，提高结构安全度：1)建筑单体采用隔震设计；2)结构中震弹性设计。

3 隔震设计

该项目所处场地处于高烈度区，结构形式为框架结构，建筑高度超过现行规范框架结构适用高度限值要求，基于以上原因考虑隔震技术，设置隔震层，以减少工程造价，并提高结构安全性。

3.1 隔震支座

本工程共使用了89个支座，支座类型采用铅芯隔震支座和无铅芯隔震支座,直径大小为800～1 000。隔震支座平面布置如图5所示。

3.2 水平减震系数

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)第12.2.2条规定结构隔震宜采用时程分析法进行计算，本工程共选取5条天然地震波和2条人工波进行时程分析。在设防地震作用下(地震波加速度峰值300gal)得到非隔震与隔震的结构层间剪力比及倾覆力矩比的较大值，以此来确定减震系数。采用结构分析软件ETABS9.7.4，橡胶隔震单元用非线性连接单元ISOLATOR1进行模拟。

对非隔震与隔震结构计算所得的楼层剪力,倾覆弯矩比的计算。根据现行规范要求，确定水平向减震系数为0.318，考虑到项目处在距地震断裂带10 km以内，5 km以外，考虑近场影响系数1.25，确定隔震后水平地震影响系数最大值：αmax1=βαmax/ψ=0.318×0.24/0.8×1.25=0.119，综合考虑后，确定上部结构设计隔震后水平地震影响系数最大值为0.12。

3.3 竖向地震作用组合系数调整

根据现行规范规定，8度(0.3g)区竖向地震作用标准值不应小于隔震层以上重力荷载代表值的30%。因隔震而减小αmax从而使得竖向地震作用标准值只有重力荷载代表值的8.8%，无法满足30%的要求，因此须用0.3G代来代替荷载组合中的竖向地震作用标准值。需调整各种组合下的竖向地震作用的分项系数，即可满足现行规范要求的竖向地震作用。调整前，竖向地震作用的分项系数分别为0.5和1.3，相应的分项系数分别调整为0.3×0.5/0.087 75=1.709和0.3×1.3/0.087 75=4.444。

3.4 隔震后效果

1)通过采用隔震技术，大幅度减小梁柱断面，增加建筑实际使用面积，隔震前框架柱断面由1 300×1 300减小为1 000×1 000，梁高由400×1 200减小为300×900。

2)大幅减小梁柱配筋，底层柱配筋率由4%～4.5%减小为1.2%，框架梁的纵筋率由2%减小为1.1%左右。

3.5 主要隔震构造措施

隔震层顶板板厚为160 mm，双层双向通长配筋，最小配筋率为0.25%。结构设计保证隔震层顶部梁、板的刚度和承载力，大于一般楼盖梁板的刚度和承载力。隔震支座附近的梁、 柱计算冲切和局部承压，加密箍筋并根据需要配置网状钢筋。隔震层上、下支墩按罕遇地震下的悬臂柱设计。隔震建筑周边设置隔离沟，其宽按照罕遇地震计算变形1.2倍确定，且不小于200 mm。

4 高度超限设计(隔震情况下中震弹性设计)

建筑结构高度超过8度(0.3g)框架最大适用高度35 m限值高度，本设计针对此项超限采取以下措施：1)框架抗震等级提高一级；2)框架柱按中震弹性要求进行设计。

隔震下中震弹性计算采用简化隔震模型计算，计算软件采用SATWE。

简化隔震模型：在PKPM计算模型的基础上调整相关参数，使PKPM的模型计算结果与带隔震垫的计算模型计算结果接近，调整后的PKPM计算模型即为简化隔震模型。

简化隔震模型满足以下几点要求：1)框架柱底按铰接；2)调整竖向地震力组合分项系数；3)根据减震报告，调整αmax；4)考虑竖向地震作用；5)调整嵌固层所在层号；6)设置地下室层数，土层水平抗力系数为0；7)隔震层楼板厚度不小于160 mm。

中震弹性计算满足以下几点要求：1)选择按中震弹性做结构设计；2)调整地震影响系数最大值αmax按中震取值；3)取消组合内力调整(强柱弱梁，强剪弱弯)；4)荷载作用分项系数根据现行规范取值；5)材料强度取设计值。

由于隔震结构只能隔离结构的水平地震力，不能隔离结构的竖向地震力，8度(0.3g)设防地震下水平影响系数最大值为0.68，αvmax=0.65，αmax=0.442，模型计算时，αmax按βαmax/ψ=0.318×0.68/0.8×1.25=0.34输入计算，为保证竖向地震力不减小，把与竖向地震作用有关的组合分项系数放大0.68×0.65/(0.34×0.65)=2倍，即相应的分项系数分别由0.5和1.4调整为1.0和2.8，以保证结构的竖向地震力不减小。调整后的中震下FEvk=αvmaxGeq=0.68×1.5×0.65×0.75G代=0.497 25G代，满足规范30%的要求。

5 中震楼板应力分析

对于裙楼最不利楼层2层，楼层开洞面积747 m2，占该层楼面总面积4 688 m2的15.9%；裙房上标准层最不利楼层5层开洞面积583 m2，占该层楼面总面积2 925 m2的19.9%。对主楼楼板按弹性膜进行应力分析，分析软件采用PMSAP空间结构分析软件。经计算对比，中震下楼板应力除梁柱节点位置外超过楼板抗拉强度标准值，其余位置均小于楼板抗拉强度标准值，保证楼板中震下不被拉裂。

6 其他加强措施

考虑本结构为竖向体形悬挑收进结构，按以下措施对薄弱关键部位进行加强：

1)塔楼中与裙房相连的外围柱、从固定端至裙房屋面上一层的高度范围内，柱纵向钢筋的最小配筋率宜适当提高；2)由于本结构体型收进高度超过房屋高度20%抗震设计，体型收进部位上、下各两层塔楼周边竖向结构构件的抗震等级由一级提高至特一级；3)对大悬挑构件计算考虑竖向地震作用复核梁柱配筋。

7 结语

1)通过减震措施，可大幅减少结构受到的地震力，减小梁柱断面及配筋，减少工程造价。

2)对于公共建筑，采用框架结构体系具有空间布置灵活，对建筑功能影响小的优点，在采取可靠隔震设计时，高烈度地区高层建筑也可设计采用框架结构。