某复杂多层建筑结构抗震设计

某复杂多层建筑结构抗震设计

周琪

（上海建筑设计研究院有限公司，上海200041）

［摘要］针对工程因建筑造型新颖而存在多种体型不规则，不能满足国家现行相关规范与规程规定的情况，采用基于性能的抗震设计方法来进行结构设计，以提高整体结构的抗震性能。同时结合工程结构体系特点和不规则情况，有针对性地提出关键位置结构构件的性能设计目标，并采用不同计算软件进行整体结构计算对比分析，研究了结构构件的抗震性能，

并对结构设计提出了可行的建议。［关键词］抗震设计；不规则结构；基于性能设计；结构分析；抗震措施中图分类号：TU352.11

文献标识码：A

文章编号：1002-

848X （2014）05-0062-04Seismic design of a complex multi storied building structure

Zhou Qi

（Shanghai Institute of Architectural Design ＆Ｒesearch Co．，Ltd．，Shanghai 200041，China ）

Abstract ：Featured with unique design in shapes ，the project has irregular shapes which can not meet the requirements of relevant provisions of current national norms and codes．Performance-based seismic design method was used in the structural design to improve the seismic performance of the overall structure．Combined with structural system characteristics and irregular conditions ，the performance-based seismic design objectives of structural members in key locations were put forward．Different calculation softwares were used to carry out comparative analysis of the overall structure and the seismic performance of structural members was studied．Suggestions on structural design were proposed．Keywords ：seismic design ；irregular structure ；performance-based design ；structure analysis ；seismic measure

作者简介：周琪，学士，工程师，

Email ：zhouqi_a@siadr．com．cn 。1工程概况工程毗邻上海虹桥交通枢纽，为多层办公类建

筑，建筑高度为22.7m ，用地面积约为66661.3m 2

，

总建筑面积约为54033.97m 2，其中地下建筑面积

约18801m 2

。主体建筑由于建筑方案造型新颖独

特，整体呈现出曲线围合的效果，两翼单元突出主体

结构范围较远，建筑效果图见图1

。

图1建筑效果图

结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级。抗震设防烈度为7度（0.10g ），设计地震分组为第一组，抗震设防类别为标准设防类（丙类），场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.90s 。恒荷载按实际情况取值，活荷载按《建筑结构荷载规范》

（GB 50009—2012）取值，基本风压为0.55kN /m

2（50年一遇），基本雪压取0.20kN /m 2

。

2结构体系

结构体型较为复杂，经与建筑协调后在中间单元与南、北单元之间设置两条防震缝，将整体分成3个相对较为规则的单体，减轻结构的不规则性。北单元为4层办公单体，单体平面尺寸约为72m ˑ19m 。底层跨越两层，层高为9.5m ，

3 5层层高分别为4.4，

4.4，3.9m 。3 5层的竖向构件通过3层楼面的转换梁与底层的6根巨型斜柱实现传力连

接。中间单元及南单元单体平面尺寸分别约为93m ˑ46m ，69m ˑ19m ，均为5层办公单体，底层层高为5.1m ，2 4层层高均为4.4m ，5层层高为3.9m 。3个单元均采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体

系，单元位置、3层结构平面布置及北单元结构布置见图2。

地下为1层车库，平面尺寸约为260m ˑ85m ，

所有单体均嵌固于地下1层顶板上。北单元框架抗震等级为二级，中间单元和南单元框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。工程建筑高度受限且业主在设备设计使用上有

所要求，

故3个单体均采用了宽扁梁现浇板结构体系，宽扁梁及相关框架柱的截面尺寸设置均符合

《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（简称抗

第44卷第5期周琪．

某复杂多层建筑结构抗震设计

图2结构平面布置图

规）的相关要求，主要结构构件截面尺寸见表1，竖向构件的混凝土强度等级为C60，梁、板为C40。

主要结构构件尺寸

表1

结构构件尺寸/mm

楼板厚度转换层楼板厚度为300；地下1层顶板厚度

为250；其余标准层楼板厚度为200剪力墙厚度450 700

框架柱截面3500ˑ1500（北单元底层），其余800ˑ800梁截面1500ˑ3000（北单元转换梁），1200ˑ500（主框架梁），300ˑ500（局部次梁）斜拉杆截面

双片L625ˑ100钢板拉杆

3

工程不规则情况

根据抗规及

《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中规定，工程由于建筑方案的特点，

造成结构体系的规则性较差，根据抗规第3.4.3条的规定，对各单体结构的规则性进行判定，以北单元不规则情况为例，具体的判定情况见表2。从建筑结构的安全考虑，判定北单元属于特别不规则的多层建筑，应专门进行分析并采取相应的加强措施来进行设计。

北单元不规则情况判定

表2

不规则类型简要含义

计算结果是否超限扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比

大于1.2

1.33

是凹凸不规则

平面凹凸尺寸大于相应边长30%等

无否楼板不连续有效宽度小于50%

无否刚度突变

相邻层刚度变化大于70%或

连续三层变化大于80%有

是构件间断

上下层墙、

柱、支撑不连续，含加强层2层以下部分框架柱不连续是

承载力突变相邻层受剪承载力变化大于80%

100%

否

中间单元与南单元同样存在位移比大于1.2、

楼板不连续等不规则情况，均判定为一般不规则的建筑，

应按抗规规定采取相应加强措施。工程处于Ⅳ类场地，地震作用效应较大，故基于性能的抗震设计在本工程中显得尤为重要，应当结合主楼上部结构的抗震设计，针对不规则情况，提出相应的抗震性能设计目标来进行结构分析。4结构抗震性能设计目标及加强措施

为提高结构的承载力及延性，同时兼顾经济性，对于本工程提出的性能设计目标为：1）小震作用时，结构无损伤，不修理可继续使用；2）中震作用时，薄弱部位和关键部位的构件无损伤，其他部位处具有一定延性的构件出现明显裂缝，修理后可继续安全使用；3）大震作用时，薄弱部位和关键部位的构件轻微损坏，

出现轻微裂缝，其他部位具有一定延性的构件发生中等损坏，进入屈服阶段，需经修理并采用一定安全措施后方可继续使用。

针对本工程3个单体的具体情况，分别按不同的性能指标来设计，具体原则见表3。

抗震性能指标确定的一般原则

表3

工程情况

结构关键部位设计建议说明A 级高度的特别不规则结构（北单元）

性能目标4

应进行专门研究

A 级高度的一般不规则结构

（中间单元、南单元）

按一般情况设计可直接按抗规设计

4.1北单元

根据北单元的不规则情况，针对具体的构件提出相应的性能目标，确保结构体系的安全。北单元具体性能目标见表4。

北单元的主要抗震设计措施为：1）对地下1层

柱（对应转换柱）、1层转换梁、柱及钢拉杆等重要构

3

6

建筑结构2014年

件进行中震弹性验算；2）底层柱的抗震等级按一级（即提高一级）采取抗震构造措施；3）在地下1层柱、

1层框架柱及2层框架柱（1层柱上对应位置）内设置型钢（H600ˑ600ˑ40ˑ40，Q345B ），以增强结构构件的抗剪能力；4）2层楼板厚度不小于

150mm ，并按双层双向配筋，单层每个方向的配筋率不小于0.3%；5）在结构端部大悬挑位置从3层至屋顶设多道钢斜拉杆，且在2层外挑端部转换梁内设型钢（H300ˑ600ˑ20ˑ20，Q345B ），以增加结构整体性，钢斜拉杆布置见图3。

北单元结构抗震性能目标

表4

地震作用小震

中震大震整体结构抗震性能

完好可修复不倒塌允许层间位移角

1/550

—

1/120（中等破坏）

地下1层柱（对应转换

柱）、1层转换梁、柱及钢拉杆

弹性弹性

不屈服，不发生剪切等脆性破坏（竖向构件）其余各层构件性能

弹性

允许进入塑性，控制塑性变形

允许进入塑性，控制塑性变形

图3钢斜拉杆布置图

4.2中间单元及南单元

中间单元与南单元结构体系基本相同，结构设

计关键部位近似，性能目标和加强措施可一起考虑。两单元具体性能目标见表5。

中间单元及南单元结构抗震性能目标

表5

地震作用小震中震大震整体结构抗震性能完好

可修复不倒塌允许层间位移角1/800—1/100底部加强区及上下

层构件的性能剪力墙抗剪弹性弹性剪力墙抗弯

弹性不屈服框架梁弹性不屈服

允许进入塑性，控制塑性变形

其余各层构件性能

弹性

允许进入塑性，控制塑性变形允许进入塑性，控制塑性变形

中间单元的主要抗震设计措施：1）框架柱的地

震剪力取总地震剪力的20%和框架按刚度分配的

最大层剪力的1.5倍二者中的较大值；2）底部加强区混凝土的受剪承载力满足中震弹性和大震作用下截面剪压比不大于0.15的要求；3）底部加强区混凝土的抗震等级按三级采取抗震构造措施，底部加强区及上下1层设置约束边缘构件；4）中间单元连廊及相邻一跨楼板、南单元3层楼板厚度不小于150mm ，并按双层双向配筋，单层每方向的配筋率不小于0.3%。

性能化设计是寻求结构构件承载力及变形能力的合理平衡点，对实现性能目标来讲，结构的楼盖体系必须有足够的安全承载力，以保证结构的整体性，对于各单体，应使楼板在地震作用中基本处于弹性状态。5计算结果分析5.1嵌固端的选取

结构各单体均嵌固于标高ʃ0.000处（地下1层顶板），地下1层顶板厚度取250mm ，嵌固端范围为沿主楼外扩一跨，不考虑外围土体的侧向刚度影

响，

经计算均满足作为上部嵌固部位的条件。考虑地下1层顶板作为上部各单体的嵌固端时，地下1

层侧向刚度与地上1层侧向刚度比值X ，Y 向分别为

3.37，

6.24，均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》

（JGJ 3—2010）的要求。地下1层主楼嵌固端范围内抗震等级同主楼，无地上建筑部分抗震等级为三级。抗震计算中，考虑平扭耦联的扭转效应，结构整体计算采用刚性楼板假定。5.2计算结果的分析对比

采用SATWE 和ETABS 软件分别进行小震作用

下的反应谱分析、

弹性时程分析和静力弹塑性分析，以及部分重要构件的中震弹性分析。用ETABS 软

件分析中采用壳单元来模拟剪力墙，

线单元来模拟梁、

柱。北单元的ETABS 计算模型见图4，两个软件对北单元分析结果具体对比见表6。由表可知，在小震作用下，按弹性方法计算的各项指标均满足

相应规范的各项要求，且2个软件的计算结果较吻合，证明了计算模型的准确性。

图4北单元结构计算模型（ETABS ）

4

6

5.3受剪承载力之比的复核

北单元底层框架柱由于建筑造型的要求，左右

向外倾斜约24ʎ，用ETABS软件分析时，底层与2层

抗剪承载能力之比大于1，在使用SATWE分析时却

显示X向抗剪承载力之比为0.16，远小于0.65的

规范限值要求。后经建立多个模型分析及与PKPM

技术人员探讨后发现：斜柱倾斜角度大于20ʎ时，

SATWE将其默认为斜杆来考虑，其计算抗剪承载力

的基本计算长度由斜柱在计算面内的投影长度来确

定，由于X向所在计算面的投影长度为0（无倾斜角

度），故该部分框架柱的抗剪承载力为0，因而造成

了计算结果的异常。后采用相关规范图集中的计算

公式对底层和2层的抗剪承载力之比进行手工复

核，结果显示满足抗规的要求。

北单元分析结果对比表6

计算软件ETABS SATWE

周期/s T10.667（Y向平动）0.712 T20.613（X向平动）0.650 T30.575（扭转）0.608

T3/T1（＜0.90）0.860.85

结构总质量/t15296.115233.537

地震作用方向X向Y向X向Y向基底剪力/kN97688310111569325基底弯矩/（kN·m）150884139074173428157669剪重比0.0710.0600.0720.060有效质量参与系数100%100%100%100%最大层间位移角1/18411/8711/15421/871扭转位移比 1.0 1.193 1.18 1.33底层与2层的

抗剪承载力比

0.910.91 1.0 1.0 5.4弹性时程分析及静力弹塑性分析结果

弹性时

程分析选用程序自带的2条自然波（TH1TG090和TH2TG090）和1条人工波（ＲH4TG090），加速度峰值按小震作用取值，即35cm/s2。弹性时程分析的计算结果与反应谱法结果基本吻合。中间单元的弹性时程分析与反应谱分析（CQC法）结果对比见表7，根据二者计算出的结构基底剪力包络值进行设计。

采用EPDA法进行结构在大震作用下的静力弹弹性时程分析与反应谱分析结果对比表7

地震作用

基底剪力/kN

X向Y向

ＲH4TG09016101.6166.2 TH1TG09014445.3176.0 TH2TG09017126.713170.3包络值17126.7176.0平均值151.215841.2 CQC法18609.019751.1塑性分析补充计算，分析结果表明，X，Y向最大层间位移角分别为1/219，1/136，满足抗规对框架结构弹塑性层间位移角的限值1/50的要求，且同时满足相关单体的抗震性能设计目标值要求。整体结构未出现显著的薄弱层，达到了“大震不倒”的设计目标。大震作用下结构能力谱与需求谱关系如图5所示。

图5大震作用下结构能力谱与需求谱关系图

6结语

在实际工程中，抗震性能设计可以针对整个结构制定抗震性能目标，也可以针对某一具体部位或构件制定相应的抗震性能目标。针对整体工程及相关的复杂部位，提出高于规范基本抗震要求的抗震性能目标，并针对具体目标采取相应有效的抗震措施予以实现。在保证结构安全的前提下，对各项控制指标进行精确的量化分析，可达到经济合理的目的。

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