某不规则框架结构抗震分析研究

焉宇飞

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092

1 工程概况

本工程位于启东市蝶湖新区，东至蝶湖公园，南至蝶湖公园，西至江海南路，北至黄浦江路。本工程是蝶湖片区的重要组成部分，立足蝶湖公园西北角，打造汇集五星级酒店、SOHO办公、商务办公及配套商业为一体的超高层城市综合体项目（见图1）。

图1 建筑效果图

主要建设内容包括：两幢塔楼、裙房和地下室。总用地面积8.2万m2，总建筑面积37.6万m2。塔楼一地上43层，塔楼二地上44层，裙房一地上3层，裙房二地上4层，地下室2层。裙房一以商业功能为主，裙房二以酒店功能为主。本文对裙房二进行抗震分析研究。

2 结构体系

裙房二采用钢筋混凝土框架结构体系，抗震设防类别为乙类（重点设防类）。嵌固部位设在地下室顶板，框架抗震等级为二级，局部大跨区域为一级。

裙房与塔楼设置抗震缝脱开，轴网间距9.0m，裙房二地上4层，层高分别为6.0m、5.8m、6.5m、4.4m。塔楼与裙房共用一个二层的整体地下室，B1层高6.5m，B2层高4.0m。

3 结构计算分析及不规则项判别

3.1 模型建立

采用YJK建立计算模型进行分析（见图2）。其中，计算参数如下：

图2 结构体系示意

（1）考虑平扭偶联计算结构的扭转效应，控制振型参数使振型参与质量不小于总质量的90%。

（2）由于各层楼板开洞较多，故整体指标计算及承载力复核计算均不强制采用刚性楼板假定。

（3）周期折减系数取0.70。

（4）风荷载体型系数取1.3。

（5）水平地震影响系数最大值取0.08。

（6）地下室楼层的侧向刚度超过相邻上部楼层侧向刚度的2倍，地下室顶板可作为底部嵌固端。

3.2 结构分析结果

结构分析结果见表1。从表中可见，周期比、位移角满足规范要求，结构体系、结构布置基本合理。考虑偶然偏心后，Y向最大扭转位移比为1.47，属于扭转不规则。

表1 结构分析结果

3.3 结构不规则判别

依据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011-2010）[1]，进行平面及竖向的规则性判断[2]。

1）扭转不规则：在具有偶然偏心的规定水平力作用下，最大扭转位移比为1.47，大于1.4，属于平面不规则。

2）凹凸不规则：结构屋面平面上呈现一个L字形，水平凸出方向尺寸与相应投影方向总尺寸的比为47774/96374=49.5%，大于30%，属于平面不规则。

3）楼板局部不连续：结构在二、三层形成大开洞，有效楼板宽度小于典型宽度的50%，属于平面不规则。

4）竖向抗侧力构件不连续：结构在二、三、四层均存在梁上立柱，属于竖向不规则。

综上，本工程具有“扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续、竖向抗侧力构件不连续”共四项一般不规则项，具有“扭转偏大”一项特别不规则项，属于特别不规则建筑。

4 针对不规则项及薄弱部位的抗震设计措施

4.1 性能化设计要求

穿层柱、转换柱、转换梁、桁架支撑柱等关键构件性能化设计要求见表2。

表2 关键构件性能化设计要求

4.2 针对性抗震设计措施

1）抗扭性能加强

针对扭转不规则及凹凸不规则，采用如下措施提高结构抗扭性能：

（1）结构布置上尽量做到抗侧力构件分布与结构平面、立面布置匹配，使结构刚心和质心尽量一致，并满足刚度要求。为提高结构平面的抗扭转刚度，对结构外围构件进行适当加强。现扭转周期比小于0.90。

（2）计算时，根据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011-2010）[1]，采用空间结构计算模型，计入双向地震作用下的扭转影响，考虑耦联影响。

（3）针对凹凸不规则，适当加强平面转角区域楼板，适当提高楼板的配筋率。

2）对楼板开大洞部位进行加强

结构二、三层楼板有较大开洞，为确保地震作用下楼板能够可靠有效传递地震等水平力，保证结构的整体抗侧性能，适当加大薄弱部位的楼板厚度，提高薄弱部位楼板配筋率。

按照全楼弹性楼板假定进行设防地震作用下的楼板应力分析。分析结果表明，除楼板边界凹角处及洞口周边尤其在角部外，楼板应力分布较小，在恒+活+地震标准组合作用下的主应力均在2.0MPa以下，该部分楼板中震不屈服的性能目标配置少量拉通钢筋即可实现。

对于楼板大开洞、周边薄弱处及楼凹凸角部，这几个区域楼板应力普遍较大，设计将采用增加楼板厚度、适当提高楼板配筋率、楼板配筋按双层双向拉通设置等措施，保证实现这些区域楼板的性能目标。

3）关键构件计算及加强措施

（1）对于穿层柱、转换柱、转换梁，按照设防地震作用下承载力不屈服的性能要求进行计算（见表3），并采用箍筋全长加密等加强措施。

表3 设防地震作用下关键构件验算

（2）对于穿层柱、转换柱，罕遇地震作用下剪压比计算均小于1（见表4），满足设计要求。

表4 罕遇地震作用下关键构件剪压比验算

综上所述，结构采取以上抗震设计及抗震构造加强措施后，该结构能够满足抗震设防要求。

5 罕遇地震作用下静力弹塑性分析

本工程为不规则的多层建筑，应采用弹塑性静力推覆分析法[3]，对其进行罕遇地震作用下的弹塑性补充计算，共进行X+向、X-向、Y+向、Y-向四个方向的推覆验算。

静力推覆分两步进行加载：第一步为施加重力荷载代表值，并在后续施加水平荷载过程中考虑其影响，即计算中考虑了P-Δ效应；第二步为逐步施加竖向分布模式为按该方向主振型模态分布的水平荷载，直至结构达到终止条件为止。表5列出了罕遇地震作用下静力弹塑性分析所得的性能点处相关指标。从表中可看出：在罕遇地震作用下，性能点处各层弹塑性位移角最大值小于规范限值1/50，满足设计要求，可实现“大震不倒”的抗震设防目标。

表5 罕遇地震作用下静力弹塑性分析所得的性能点处相关指标

同时，在罕遇地震下较多框架梁端出现塑性铰，较少框架柱出现塑性角，整体结构基本合理，可采用增加受力钢筋及箍筋来加强柱抗震性能。

6 结论

本工程裙房采用钢筋混凝土框架结构体系，嵌固部位设在地下室顶板，框架抗震等级为二级，局部大跨区域为一级。本文对其进行抗震分析研究，主要结论如下：

（1）结构计算分析表明，结构周期比、位移角满足规范要求，结构体系、结构布置基本合理。

（2）结构具有“扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续、竖向抗侧力构件不连续”共四项一般不规则项，具有“扭转偏大”一项特别不规则项，属于特别不规则建筑。

（3）通过合理设定关键构件性能化设计要求，分别从抗扭性能加强、楼板开大洞部位加强、关键构件计算及加强措施几个方面对结构进行专项抗震设计措施后，结构能够满足抗震设防要求。

（4）对结构在罕遇地震下进行弹塑性静力推覆分析，分析结果表明，在罕遇地震作用下，性能点处最大层间位移角小于1/50，满足设计要求，可实现“大震不倒”的抗震设防目标。同时，在罕遇地震下较多框架梁端出现塑性铰，较少框架柱出现塑性角，整体结构基本合理，可采用增加受力钢筋及箍筋来加强柱抗震性能。