某超限工业建筑结构设计探讨

黄俊龙

（中冶长天国际工程有限责任公司湖南长沙　410007）

某超限工业建筑结构设计探讨

黄俊龙

（中冶长天国际工程有限责任公司湖南长沙410007）

本文结合某工业建筑，阐述了工业建筑的特殊性而造成的结构不规则。应用SATWE和ETABS两个程序对结构多遇水平地震作用进行空间分析，采用弹性时程分析法进行了多遇地震下的补充计算，采用Pushove弹塑性静力分析法计算结构在罕遇地震作用下的变形。通过计算分析，并对结构关键部位采取了相应的抗震加强措施。分析结果表明，本工程抗震性能良好，结构布置是合理的，结构体系安全可行，能够满足现行规范和规程的各项抗震要求，为类似工程提供了参考。

超限工业建筑；结构设计；计算分析；抗震措施

1　工程概况

该工程位于上海市，抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅳ类，建筑抗震设防类别为丙类，其对应的特征周期T=0.9s，结构阻尼比取5%。本工程采用框架承重结构体系，现浇钢筋混凝土结构，屋盖采用钢屋架、实腹式檩条压型钢板屋面，屋面设置纵横向水平支撑及纵向系杆。建筑物总高度27.8m，共6层。根据工艺专业要求，该建筑物室内需要吊装工艺设备，导致楼板开大洞；工艺配置的电动单梁悬挂起重机导致局部框架梁无法设置。这些都是工业建筑的特殊性决定的。受限于工艺配置，使工业建筑规则性很难满足规范。

图1　各平台建筑剖面图

2　结构超限及其措施

2.1结构超限情况

（1）楼板局部不连续。该建筑物FL+13.900m楼板开洞面积47%，FL+17.100m楼板开洞面积44%，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.4.6条，《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第3.4.3-1条，楼板开洞总面积大于该层楼面面积的30%。

（2）侧向刚度不规则。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第3.4.3-1条，该建筑物第三层（FL+13.900m）X方向侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值80%，本工程为0.69（X向）。

综上根据相关规范及上海市城乡建设和交通委员会发布的《超限高层建筑工程抗震设计指南》（第2版），本工程存在2项超限类型，故为特别不规则建筑。

2.2结构超限措施

2.2.1计算分析

（1）采用二种符合实际情况的空间分析程序（SATWE和ETABS）进行比较分析，分别采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法计算地震作用，并选用较多振型以充分考虑高阶振型的影响，各振型贡献按CQC组合。

（2）采用弹性时程分析法进行了多遇地震下的补充计算。弹性时程分析所取的地面加速度峰值为35cm/s2，并从地震波库中选取与该建筑物场地类别和设计地震分组相对应的地震波，经计算共取3条（1条人工波，2条天然波）。计算结果取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。

（3）采用Pushove弹塑性静力分析法计算结构在罕遇地震作用下的变形反应；荷载分布形式采用弹性CQC地震力对结构进行Pushove分析。

2.2.2概念设计及抗震构造措施

（1）针对本工程存在局部夹层柱、短柱等情况，提高其抗震等级为一级。

（2）对楼板开大洞的情况，采用加强洞口周围楼板的厚度和配筋，当开洞尺寸接近最大值时在洞口周围设置钢筋混凝土梁，并将其抗震等级提高一级。

（3）针对局部楼层侧向刚度不规则的问题，薄弱层的地震剪力乘以1.25的增大系数。

3　计算结果分析

3.1计算分析程序

本工程分别采用中国建筑科学研究院编制的高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE（空间杆-墙板元模型），并采用CSI公司的《集成化建筑结构分析与设计软件系统》ETABS软件补充计算校核。二者均为国内广泛应用于实际工程结构分析的主流结构分析软件，能很好的模拟本工程的实际情况（如表1）。

3.2计算结果分析

（1）采用SATWE和ETABS计算多遇水平地震作用，结果基本吻合，指标基本满足规范要求。只是由于在单元模型、刚域处理上等其他方面存在不同，使得计算结果在数值上有一些差异，但均在工程可接受的范围内，且均满足规范要求。

表1　结构分析主要结果对比表（多遇地震）

（2）上述两种程序对结构整体稳定性验算可知，本建筑物侧向刚度局部楼层虽大于规范建议值，但整体稳定性仍可满足规范要求。

4　弹性时程分析

4.1按照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第5.1.2条要求，特别不规则建筑应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，采用SATWE进行结构的弹性时程分析。弹性时程分析

4.2计算结果分析

（1）CQC法计算得出的地震反应值与时程分析计算得出的地震反应值见表2（X向）、表3（Y向）。

表2　 X向地震反应结果对比

表3　 Y向地震反应结果对比

（2）上述结果表明，所选取的三条时程曲线所得到的基底剪力均在振型分解反应谱的65～135%之间，并且选择的三条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值在振型分解反应谱法的80～120%之间，地震波的选取满足规范要求。

（3）CQC法计算得出的地震反应与时程分析计算得出的地震反应趋势相似，楼层最大层间位移角和层剪力相近，整体符合较好。CQC法计算结果与时程分析法计算结果相比总体偏大，可以作为结构设计的计算依据。

5　罕遇地震作用下弹塑性分析

5.1计算结果分析

结构能力曲线、需求曲线和抗倒塌验算，X向（0°）见图2，Y向（90°）见图3。

需求谱类型：规范加速度设计谱；所在地区：上海；场地类型：4，设计地震分组：1；抗震设防烈度：Ⅶ度大震；地震影响系数最大值Amax（g）：0.500；特征周期Tg（s）：0.900，弹性状态阻尼比：0.050。

图2　等效单自由度体系周期T（s）-X向（0°）

图3　等效单自由度体系周期T（s）-Y向（90°）

能力曲线与需求曲线的交点[T（s），A（g）]：1.112，0.325；性能点最大层间位移角：1/149；性能点基底剪力（kN）：7240.7，性能点顶点位移（mm）：162.9，性能点附加阻尼比：0.074×0.70=0.052，与性能点相对应的总加载步号：40.2。

能力曲线与需求曲线的交点[T（s），A（g）]：1.226，0.259；性能点最大层间位移角：1/139；性能点基底剪力（kN）：6403.3，性能点顶点位移（mm）：182.7，性能点附加阻尼比：0.080×0.70=0.056，与性能点相对应的总加载步号：30.1。

5.2结论

（1）在X向、Y向相应位移下，结构在X向和Y向荷载作用下均未发生整体垮塌，抗震性能较好；

（2）结构的能力曲线在X向和Y向均能顺利穿越需求曲线，满足规范要求；

（3）根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第5.5.5条表5.5.5，混凝土框架结构层间弹塑性位移角限制为[1/50]，由以上计算结果在X向和Y向性能点最大层间位移角均满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）及《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）要求，满足“大震不倒”的基本要求。

[1]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）.

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）.

[3]上海市工程建设规范.《建筑抗震设计规程》（DGJ08-9-2013）.

[4]上海市城乡建设和交通委员会.《超限高层建筑工程抗震设计指南》（第2版）.

[5]沈国培.超限结构设计及其分析探讨.建筑技术研究，2013（03）.

TU318

A

1673-0038（2015）09-0043-02

2015-2-5

黄俊龙（1983-），男，工程师，本科，主要从事建筑结构设计工作。