某实验室结构抗震分析

焉宇飞

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

实验室类建筑不同于常规民用建筑的特殊之处在于，其功能性非常强，有特定的实验空间和实验工艺要求，需要进行空间合理性划分以满足使用方各种需求，因此经常会导致实验室结构具有大开洞、大悬挑、穿层柱、梁上立柱等情况，为设计带来困难。文中以上海市某实验室为背景，研究其不规则性对结构的影响，并采取一定程度的加强措施，提高抗震性能。

1 工程概况

工程位于上海市嘉定区，项目用地面17023.21m2，总建筑面积24900m2。项目建筑地上5层，地下1层，建筑高度23m。项目的实验功能高度复合，主要为地上结构抗火实验室、地下结构抗火实验室、水利实验室、爆炸抗火实验室四大实验室组成，各单体平面位置见图1。

图1 各单体平面位置

其中，地上结构抗火实验室包括单层大跨实验大厅以及4层实验辅助用房。此实验室中可开展火灾下及火灾后材料力学性能实验、材料高温疲劳与热机械疲劳性能实验、构件抗火性能实验、火灾下材料热工性能实验、建筑材料燃烧性能实验、现场火灾实验、三轴高温材性实验、足尺整体结构抗火实验、构件火灾全过程性能模拟实验（升温、自然降温、喷水灭火）等。

文中对地上结构抗火实验室进行抗震分析。地上结构抗火实验室采用钢筋混凝土框架结构体系，抗震设防类别为丙类（标准设防类），结构重要性系数1.0。框架抗震等级为三级，局部大跨区域为二级。轴网间距6m，地上5层，层高分别为6.5、4.5、4.5、4.5、4m。3个单体共用1个1层的整体地下室，B1层高6m。

2 结构计算分析及不规则项判别

2.1 模型建立

采用YJK建立计算模型进行分析见图2。主要计算参数如下：

（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。

然而，有研究者对心理数字线存在的合理性提出质疑。他们认为，数字大小和距离效应仅存在数字大小比较任务中，而在数字奇偶判断、命名和排序等任务上并未出现数字大小效应，甚至出现数字距离效应反转现象〔26〕。Verguts(2005)认为，数字大小效应可能反映的任务特异性，任务属性决定反应输出。在数字比较中，较大或较少数字被赋予不同的重要程度，于是数字被刻意映射到“心理数字线”上相应的输出部分。数字命名或奇偶判断任务中，所有数字的重要性是相同的，故并未出现数字大小和距离效应。当然，这些问题都是后续研究者所要考虑的。

（6）按GB 50011-2010《建筑抗震设计规范（2016年版）》[1]规定，地下室顶板应避免开设大洞。工程因建筑设备原因，在建筑物北侧有较多开洞。这些大开洞对楼板整体性削弱太多，导致嵌固部位下移到基础底板。但是结构设计时仍考虑地下室顶板处的嵌固作用，1层楼板厚度至少取180mm，并采取相应的加强措施。

图2 整体模型

2.2 荷载取值

（1）楼面荷载包括恒载和活载。恒载由结构构件自重和附加恒载（建筑面层、吊顶和隔墙等）组成。实验室不同区域设计楼面荷载见表1，其余未注明荷载均按GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[2]取值。

表1 楼面荷载取值

（2）根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[3]，工程基本风压取0.55kN/m2，地面粗糙度取B类。

（3）根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范（2016年版）》，工程抗震设防烈度取7度，设计基本地震加速度取0.1g。

2.3 模型计算结果

计算结果见表2。从表2中可见，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比小于0.90，最大层间位移角小于1/550，满足JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]的要求。在偶然偏心地震作用下最大层间位移比1.21，超过GB 50011-2010《建筑抗震设计规范（2016年版）》不大于1.2扭转规则判定限值，但小于1.5规范允许最大值。

表2 模型计算结果

2.4 结构不规则判别

依据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范（2016年版）》，进行平面及竖向的规则性判断[4]。

（1）扭转不规则：结构在具有偶然偏心的规定水平力作用下，最大扭转位移比为1.21，大于1.2。

（2）楼板局部不连续：2～5层楼板开洞面积为72.9%，大于50%；有效楼板宽度为典型宽度的26.5%，小于40%。地上结构抗火实验室各层楼板开洞情况类似，典型楼层楼板开洞见图3。

图3 地上结构抗火试验室典型楼层楼板开洞

综上，工程具有“扭转不规则、楼板局部不连续”共两项一般不规则项，具有“有效楼板板宽度偏窄”一项特别不规则项，属于特别不规则建筑。

3 针对不规则结构的抗震设计措施

（1）结构布置方面，两个方向抗侧力构件的布置尽可能保持均匀对称，尽量保证结构刚心和质心统一。

（2）采用弹性时程分析进行多遇地震下的补充计算，地震效应采用包络值进行设计。

（3）对不规则情况进行加强。针对扭转不规则：加大周边结构梁柱截面尺寸及配筋，提高抗扭刚度；针对楼板不连续：当进行构件承载力计算及楼板应力分析时，将楼板设置成弹性膜；进行设防地震、罕遇地震下楼板应力分析，保证楼板在设防地震作用下不屈服、在罕遇地震作用下不出现贯通裂缝，以2层楼板为例计算结果见图4、图5。根据计算结果加厚薄弱部位楼板、提高其楼板配筋率、采用双层双向拉通配筋、加强开大洞周边的梁柱配筋。

图4 2层楼板X向设防地震下主应力（单位：MPa）

图5 2层楼板X向罕遇地震下主应力（单位：MPa）

（4）采用罕遇地震下静力弹塑性分析进行结构弹塑性变形补充验算，从层间位移角及构件损伤情况来判定结构满足“大震不倒”的设计水准。

（5）针对结构的超长楼板拟采取措施[5]。①设置后浇带：每隔30～40m设置一处后浇带，以减小混凝土早期收缩；②加强楼板配筋：计算楼板温度应力，根据计算结果加厚薄弱处楼板，设置抗裂钢筋；③加强屋面保温：做好混凝土浇捣后的保湿养护工作，通过施工组织措施将超长楼板的浇筑时间安排在气温较低的时候进行；合理控制混凝土水灰比等材料配置参数，减小混凝土自身的材料收缩。

4 弹性时程分析补充计算

工程应采用弹性动力时程分析进行多遇地震下的补充计算。采用YJK程序对工程进行多遇地震下的弹性时程分析。按地震波三要素从YJK程序自带的地震波中选取IV类场地上5组强震记录天然波：SHW4_NGA_1828HECTOR、SHW5_NGA_2104DENALI.1734、SHW7_NGA_2723CHICHI04、Chi-Chi，Taiwan_NO_1228、TH1TG090和两组人工模拟的场地波：ArtWave-RH3TG090、SHW2_AW-NGA_760LOMAP.MEN进行弹性时程分析。从表3可以看出，7组地震波作用下结构基底剪力满足规范要求。

表3 时程波与振型分解反应谱法底部剪力对比

由图6可知，7组地震波作用下结构层间位移角的平均值不大于1/550，与反应谱法结果大体接近，满足相关规范规定。

图6 时程分析与反应谱层间位移角对比曲线

5 罕遇地震作用下静力弹塑性分析

工程属于不规则的多层建筑，因此工程应用盈建科（YJK）软件，采用静力弹塑性分析方法（Push-Over），对结构进行X+、X-、Y+、Y-共4个方向水平荷载作用下的推覆验算。

罕遇地震作用下静力弹塑性分析计算结果见表4。从表4中结果可以看出，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1/50，符合规范要求，结构可实现“大震不倒”。

表4 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

此外，在罕遇地震作用下，较多的塑性铰出现于框架梁端，框架梁属耗能构件，较少的塑性铰出现于框架柱端，整体结构基本合理，可采用增加受力钢筋及箍筋的方法来加强框架柱的抗震性能。

6 结语

工程地上结构抗火实验室采用钢筋混凝土框架结构体系，由于建筑设备原因，建筑物北侧有较多开洞，结构嵌固部位设在基础底板。文中对其进行抗震分析研究，主要结论如下：

（1）对实验室不同区域设计楼面荷载进行梳理，提出合理的楼面荷载取值。

（2）结构计算分析表明，工程具有“扭转不规则、楼板局部不连续”共两项一般不规则项，具有“有效楼板板宽度偏窄”一项特别不规则项，属于特别不规则建筑。

（3）分别从结构总体布置、多遇地震下弹性时程分析补充计算、超限加强、罕遇地震下静力弹塑性分析、超长楼板设计几个方面进行专项抗震设计。结果表明，结构安全性较高，能满足规范的各项要求。