某上盖超限结构抗震计算与分析

朱必永 上海现代建筑规划设计研究院有限公司

1 前言

合理有效开发利用地铁车辆段上盖物业，是当前城市轨道交通可持续发展的主流趋势。但由于车辆段盖下特殊使用功能的需要，盖上结构承重构件无法落地，需通过大盖体采用转换梁或转换层等措施进行托柱转换，造成上下竖向抗侧力构件不连续，因而盖上结构一般为超限结构，需对其进行超限抗震设计和分析。目前在该领域已有较多的研究，如王书文[1]对车辆段上盖结构的抗震设计做了总体概述；杨坚等[2]和谭奇峰[3]对车辆段上盖框架结构中的转换结构进行了研究；朱铁梅[4]对上盖结构的预留设计进行了探讨；李宗凯[5]和刘传平[6]对地铁上盖结构的抗震性能进行了计算分析；胡兴为等[7]以深圳地铁塘朗车辆段上盖物业为对象，探讨了其结构设计中应注意的关键环节。

每个工程均有其不同之处，已有研究可提供经验，但具体问题还得具体分析。因此，本文结合某实际工程，对某地铁车辆段上盖超限结构进行抗震计算分析，期望为类似工程提供参考和借鉴。

2 工程概况

某上盖综合开发工程地下两层，地上9 层，地下采用现浇钢筋混凝土框架结构，地上采用钢框架结构，其中地下二层为大盖体，地下一层为塔楼地下室。建筑物高度37.4m，建筑面积约为42560m2。建筑物剖面图如图1所示。

图1 剖面图

综合本结构超限情况如表1所示。由表1可见：本工程存在3项一般不规则超限，判定属于超限高层建筑，需进行超限高层建筑工程抗震专项审查。

表1 结构超限情况分析与判断

3 对超限情况的认识和对策

本工程属于上盖建筑，地下二层为车辆段停车场，因功能需求，上部结构的竖向构件不能与地下二层的竖向抗侧力构件连续，所有竖向构件均支撑在大盖体顶部转换大梁上，地下二层为结构转换层。裙房与塔楼联为一体，且结构超长，带来了体型上的不规则。

根据上述超限情况，采取以下对策。

（1）根据超限高层的有关要求[8,9]，结构整体弹性计算分析采用两个力学模型（YJK 和MIDAS BUILD⁃ING）进行整体计算分析，并对比计算结果，保证力学分析的可靠性。

（2）根据《建筑抗震设计规范》要求，采用YJK 软件进行多遇地震下的弹性时程分析法补充计算，印证规范反应谱法计算结果的有效性。

（3）考虑楼板面内外刚度，计算小震和中震下楼板应力，并按小震下的楼板面内主拉应力小于混凝土抗拉强度标准值控制板厚，按中震下的楼板应力与面外应力组合设计配筋。

（4）根据单体结构的自身特殊性，针对其结构体系特点及超限情况，根据《高层民用建筑钢结构技术规程》抗震性能目标四等级和五水准规定，确定结构的抗震性能目标为性能C 级，确定地下二层转换梁、柱及地上一层钢柱为关键构件，并提出中震下关键构件抗弯不屈服抗剪弹性，大震下关键构件不屈服的性能目标。

（5）采用SAUSAG软件进行结构弹塑性动力时程分析，复核大震下弹塑性楼层位移铰，统计和判断出铰数量和出铰深度，把握结构大震安全性；关注关键部位、关键构件在大震下的性能，进行性能控制。

（6）关键节点分析。转换梁柱节点受力较复杂，为了验证节点处是否满足性能设计的要求，对转换梁柱节点进行大震作用下的有限元分析。

由于篇幅有限，本工程超限分析内容较多，本文仅选取部分计算结果展开分析。

4 计算模型

该工程场地为Ⅳ类，第二组，抗震设防烈度为7度，设计基本地震动加速度0.1g。地下两层采用现浇钢筋混凝土框架结构，地下二层顶板板厚为300mm～600mm，地下一层顶板板厚为200mm。地上九层采用钢框架结构，楼板采用压型钢板组合楼盖或叠合板，板厚为120mm～150mm。

根据计算结果，地上一层与地下一层的剪切刚度比，X 向为0.1182，Y 向为0.1183，两个方向均小于0.5，地下一层整体及完整性都较好，且无大洞口及错层，满足嵌固端的要求。计算模型如图2所示。

图2 整体三维模型

5 多遇地震作用下YJK 与Midas 反应谱法计算结果对比分析

5.1 结构动力特性对比分析

采用YJK 与Midas 两个软件对结构分别进行计算，主要动力特性列于表2。由表2可见，两个程序计算结果基本一致，单塔结构第一、二周期均为平动周期，两方向动力特性接近，第三周期为扭转周期，扭转周期与第一平动周期比小于0.85，与第二平动周期之比小于0.90，具有较好的抗扭刚度。有效质量系数大于90%，满足规范要求。地震作用下楼层水平地震剪力大于规范规定楼层最小地震剪力值，不需要调整。

表2 结构动力特性主要计算结果汇总

5.2 结构水平位移对比分析

多遇地震作用下结构主要位移数据列于表3，由表3 可见，上部结构层间位移角满足规范的要求（1/250）。在小震作用下楼层位移比较平滑，没有明显突变，楼层最大位移比不超过1.2，满足规范要求。

表3 地震作用下结构位移计算

YJK 与Midas Building 静力弹性计算所得结构的位移角、楼层剪力等主要结果对比如图3 所示，对比分析可知YJK 与Midas Builidng 分析结果基本接近，表明本文所采用的计算模型是合理的。

图3 两种软件计算结果对比

6 弹性时程分析

6.1 输入地震动

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求，采用YJK 软件进行多遇地震下的弹性时程分析法补充计算。先从当地设计规程中选取4条地震波（1条人工波，3条天然波），再从YJK软件地震波库中选取3条（1条人工波，2条天然波），地震波时程曲线如图4所示。

图4 输入地震动时程曲线

根据本项目安评报告，弹性时程分析所取地震波地面运动最大加速度为39gal，地震波的时间间距为0.02s，长度大于5T1及15s。经试算，地震波地面运动最大加速度为39gal 时，多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差大于20%。为此将地震波地面运动最大加速度放大至42gal 进行计算，多组时程波的平均地震影响系数曲线在结构的主要振型周期点上最大相差在20%以内，因此所选取的7条地震波与反应谱所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。计算所用的7条地震波与规范规定的反应谱对比如图5所示。

图5 规范谱与平均反应谱地震影响系数对比图

6.2 弹性时程分析与反应谱法计算结果比较

多遇地震作用下弹性时程计算得到的基底剪力如表4所示。经对比可知：每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，且不大于135%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，且不大于120%。根据规范要求，计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法较大值。本工程根据以上分析结果可见，振型分解反应谱法的计算结果大于时程分析结果的平均值，可直接采用振型分解反应谱法计算结果。

表4 多遇地震下弹性动力时程分析与反应谱法基底剪力比较

7 罕遇地震作用下的弹塑性分析

7.1 动力弹塑性分析性能目标及评价标准

采用由广州建研数力建筑科技有限公司开发的SAUSAGE计算软件进行罕遇地震作用下结构弹塑性动力时程分析。根据该安评报告及规范要求，综合考虑本项目实际情况，本次弹塑性分析采用的结构基底水平向峰值加速度分别取为：小震39cm/s2，中震100cm/s2，大震220 cm/s2，选定性能目标C。

JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》第3.8 节，将结构的抗震性能分为五个水准，对应的构件损坏程度则分为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”五个级别。在SAUSAGE中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子、受拉损伤因子及钢材（钢筋）的塑性应变程度作为评定标准，其与上述“高规”中构件的损坏程度对应关系如图6所示。

图6 性能评价标准

7.2 动力弹塑性时程分析地震动谱

对地上部分连体双塔钢结构主体进行罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析，共计算了三组地震波（两组天然波、一组人工波），分析工况如表5所示，地震动谱如图7所示。

表5 分析工况信息表

图7 地震动谱图

7.3 动力弹塑性计算结果分析

罕遇地震作用下弹塑性动力时程计算得到结构的基底剪力如表6所示，最大结构位移如表7所示。

表6 各组地震动作用下基底剪力

表7 各组地震动作用下弹塑性位移

结构在X、Y两个主方向的基底剪力最大值分别为68093kN 和70481kN。小于按弹性计算的基底剪力最大值约22%和29%，表明结构发生了一定的弹塑性变形和刚度退化现象。

结构在X、Y两个方向的最大层间位移角分别为1/54 和1/52，分别发生在第6 层和第5 层。满足高层钢结构层间位移角小于1/50的规范要求。结构在X、Y 两个方向的顶点最大位移值分别为0.466m 和0.489m，分别为结构高度的1/89.8和1/85.7，结构基本保持直立不倒状态。

7.4 动力弹塑性结构损伤及性能化评估

罕遇地震作用下弹塑性动力时程计算得到结构的结果性能指标及损伤如图8所示。

图8 性能包络结果

计算结果表明：首层钢柱无损坏，其余楼层钢柱有较多轻微损坏，塔楼与大底盘裙房屋顶相连的少量钢框柱轻度损坏；钢框架梁在大底盘裙房屋顶上下数层均有一定的轻度损坏，体现了良好的耗能特性；除裙房屋顶楼板在塔楼交接处有部分轻度损坏外（此处楼板配筋率按照各向单层0.5%考虑），全楼楼板均无损坏。整个结构体系设计较为合理，符合抗震概念设计和性能预期。建议施工图设计时对裙房屋面和主楼交界处的框架柱和楼板作进一步加强。

8 结束语

本文基于某车辆段上盖结构实际工程，首先对其超限情况进行了判别，对超限情况分析并采取相应的对策。采用两种计算软件对上盖超限结构的弹性地震响应进行了计算分析，并对计算结果进行对比，验证了本文所采用的计算模型的合理性。计算分析结构表明：结构各项控制指标，如周期比、位移角、扭转位移比、有效质量系数、剪重比等满足规范要求。

通过小震弹性时程补充计算分析可知，振型分解反应谱法的计算结果大于弹性时程分析计算结果的平均值，施工图设计时可直接采用振型分解反应谱法的计算结果。

采用SAUSAGE软件进行罕遇地震作用下结构弹塑性动力时程分析。结构在X、Y两个主方向的基底剪力最大值小于按弹性计算的基底剪力最大值，表明结构发生了一定的弹塑性变形和刚度退化现象；结构在X、Y两个方向的最大层间位移角小于1/50，满足规范要求；首层钢柱无损坏，其余楼层钢柱有较多轻微损坏，塔楼与大底盘裙房屋顶相连的少量钢框柱轻度损坏；钢框架梁在大底盘裙房屋顶上下数层均有一定的轻度损坏，体现了良好的耗能特性。整个结构体系设计较为合理，符合抗震概念设计和性能预期。塔楼与裙房屋面交界处的框架柱和楼板为薄弱部位，建议施工图设计时予以加强。