某L形建筑的结构设计

卞克俭 曹彦凯 赵作锋

重点设防类的高层建筑，建筑主楼平面接近L形，竖向有体型收进。结构选型通过比较，不设抗震缝。通过剪力墙的合理布置，将抗震的不规则项控制在两项，使得设计经济合理，安全可靠。

一、工程概况

苏州金鸡湖卫生服务中心位于苏州市工业园区苏茜路北，东侧为星都街，西侧与星海小学相临。拟建场地现为空地，拟建场地交通较为便利，地理位置较好。主楼为地下1层，地上6层（裙房三层，裙房屋顶标高为15.000），室内外高差0.3m，房屋高度29.3m，属于高度较小的高层建筑。主楼与裙房之间无抗震缝，为1个抗震单元。主楼的第4层层高6米，其中下部2米作为设备夹层使用。

按《建筑抗震设计规范（2016年版）》，苏州市工业园区抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g。主楼为规模较大的社区卫生服务中心，具有外科手术室及急诊科，参照《建筑工程抗震设防分类标准》的4.0.3条及其条文说明，本工程抗震设防分类为重点设防类。

图1 建筑效果图

二、主体结构设计

1.结构选型

主楼标准层平面接近L形，南北方向的总长度约为60m，东西方向的总长度约为41m。选择结构体系时，考虑到L形建筑的平面不规则并容易导致扭转不规则，裙房与主楼存在体形收进不规则。为了将L形主楼分成较为简单的抗震单元，给甲方提供了两种抗震缝设置方案。方案一：沿主楼与裙房之间设抗震缝。方案二：将L形主楼设缝分成两个矩形抗震单元。甲方及建筑专业均对抗震缝不满意。于是考虑结合楼电梯间等合理位置布置剪力墙，形成框剪结构。经济性略差些，但整体效果比较好。

建筑1~3层含裙房呈矩形，4~6层为L形主楼。竖向抗侧力构件上下贯通连续。图2为主楼的标准层结构平面图，图3为主楼的建筑剖面图。

图2 标准层结构平面图

图3 建筑剖面图

2.结构抗震设计的预期性能目标

本工程建筑平面接近L形，竖向有体型收进，属于高层建筑，但总的高度较小。考虑本工程为重点设防类建筑，本工程按照《高层建筑混凝土结构技术规程》的3.11.1条，选用结构抗震性能目标为C级，具体性能水准如下：

（1）多遇地震下，性能水准为1，结构满足弹性设计要求；

（2）设防烈度地震下，性能水准为3，普通竖向构件及结构重要部位的竖向构件（剪力墙及四周角柱）抗剪弹性，抗弯不屈服；

（3）预估的罕遇地震下，性能水准为4，采用非线性静力弹塑性对主体结构进行分析，结构重要部位的竖向构件（剪力墙及四周角柱）不屈服。

3.采取的主要抗震措施

（1）主楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，抗震设防烈度为7度，设防类别重点设防类，按7度计算地震内力，按8度采取抗震措施和抗震构造措施。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》的3.9.1、3.9.3条，典型剪力墙抗震等级为一级，框架抗震等级二级。

（2） 裙房屋顶向上竖向有体型收进，15.000标高处裙房屋顶（含相邻的室内全部楼面）采用现浇板，厚度150mm，双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不应小于0.25%。

（3）塔楼与大底盘两个方向的质心偏心距均不大于10%，远小于《建筑抗震设计规范（2016年版）》3.4.1条塔楼偏置的限值20%。体型收进部位上下各2层主楼周边竖向构件（即裙房屋面与主楼交界处）的抗震等级提高一级。

（4） 裙房的转角位置也设置部分剪力墙，提高裙房的抗扭转性能。

4.设备夹层结构处理

设备夹层层高仅2米，若按常规做法做现浇梁板结构，与上下层的层高相差太大，容易导致侧刚突变，形成软弱层，小层高又容易形成超短柱，均对整体结构抗震不利。设计采用间距4米左右的梁上小柱，将设备层顶楼面做成二次结构，二次结构与主结构的柱、剪力墙均脱开50mm。

三、结构计算与分析

1.结构在多遇地震下的弹性分析

结构整体内力计算分析及配筋设计主要采用盈建科建筑结构计算模块YJK-A［1.8.2.1］版，同时采用ETABS程序v2017版对YJK的计算结果进行校核，详见下表1和表2。

表1 两种软件小震下计算结果对比

表2 两种软件小震下结构自振周期计算结果

建筑高度远小于60米，基本风压按50年重现期取值。本工程周边紧邻较矮的学校和厂房，地面粗糙度按B类，内力计算及配筋设计考虑了偶然偏心和双向地震作用。根据本工程的详细勘察报告，建筑场地类别为Ⅲ类，场地等效剪切波速为160~170m/s，覆盖层厚度为90米，按《建筑抗震设计规范（2016年版）》的4.1.6条，剪切波速位于场地类别的分界线附近，特征周期按插值法取0.49s。

根据表1，表2的统计结果可看出，两种软件在多遇地震下的弹性分析结果基本一致。设置剪力墙后，因总高度较小，结构的整体刚度较大。第一扭转周期与第一平动周期的比值小于0.76，最大扭转位移比为1.18，结构整体抗扭转性能较好。最大层间位移角远小于规范限值1/800。结构的底部总剪力、剪重比等指标均满足规范要求。

2.结构在设防烈度地震下的计算分析

按《建筑抗震设计规范（2016年版）》第3.10.3条，7度（0.10g）地区在设防烈度地震下的水平地震影响系数amax=0.23，模型参数输入时将柱、墙的抗震等级改为四级，采用YJK进行整体内力计算和配筋设计。和多遇地震的计算结果相比，剪力墙、框架柱和框架梁的配筋没有大的变化，L形建筑的肢端和转角处柱墙配筋略有增加。施工图设计时，对L形建筑的肢端和转角处柱、墙按小震和中震弹性的计算结果进行包络设计。

L形建筑的肢端和转角处楼板容易引起应力集中，将各层楼板设为弹性板6，按设防烈度地震下进行复核计算，并相应加强不利位置的楼板配筋。

3.大震静力弹塑性分析

水平地震影响系数按取amax=0.5（6倍小震），特征周期比小震增加0.05，采用YJK进行分析计算。经分析， 大震下有少量柱墙出现较重损伤，主要位于L形建筑的肢端和转角处。设计时相应对该位置的柱墙梁板加强截面配筋，提高其受力性能和延性。

图4 中震楼板应力图

图5 大震下结构损伤等级图

4.结构弹性时程分析

按《建筑抗震设计规范（2016年版）》第5.1.2条，采用YJK软件进行弹性时程分析，对CQC振型分解反应谱法的计算结果进行校核。弹性时程分析采用两条天然波（Big Bear-01_NO_908、Northridge-01_NO_962）和一条人工波（ArtWave-RH2TG055），计算结果将时程法的包络值与振型分解反应谱法相比，取两者中的较大值。图6是X向楼层位移的比较结果，图7是X向楼层剪力的比较结果。各条时程曲线的包络底层剪力为CQC法的84%，各条时程曲线的包络顶层位移为CQC法的78%。

图6 弹性时程分析楼层位移（X向）

图7 弹性时程分析楼层剪力（X向）

四、结语

（1） 回字形建筑、C形建筑、L形建筑属于特别常见的建筑，结构选型时应慎重设置抗震缝。一般来说，回字形建筑的抗扭转性能很好，通长可不设抗震缝。C形建筑抗扭转性能也相对较好，L形建筑抗扭转性能比较差。C形、L形建筑应先仔细建模进行整体计算分析，全面检查各项整体计算指标。在一些加强措施（如适当增加边框架的截面、结合楼电梯间布置剪力墙等，甲方也能接受相关措施引起的造价增加时）增加后仍不能满足规范要求时再考虑设置抗震缝。设置抗震缝时应充分与建筑专业及甲方沟通，并相应绘制详细的外立面及屋顶处抗震缝节点详图，避免后期渗水影响使用。

（2） L形建筑很容易导致平面凹凸不规则、平面扭转不规则。设计时要仔细排查各项抗震不规则项，尽量将抗震不规则项的总数控制在两项或一项。抗震不规则项达到三项时一般需要按超限建筑进行抗震审查，结构设计需要进行更全面的计算分析，采用更细致的结构加强措施，建设成本也要相应增加。

（3）本工程属重点设防类的复杂高层建筑。采用了两种不同的软件对结构进行整体内力计算和分析对比，并采取性能化抗震设计。对关键构件按中震弹性分析结果包络设计，用大震弹塑性分析结构的薄弱部位并相应加强。确保结构设计满足规范要求及甲方需求。