某钢筋混凝土框架结构建筑的结构分析与设计

柳 艳 红

(山西省建筑设计研究院,山西 太原　030013)

1　工程概况

警务训练基地位于太原市清徐县。建筑面积约26 715.11 m2,裙房建筑面积约为13 257.3 m2，地下1层平时为汽车库，战时为甲类核6级常6级物资库。1层建筑功能主要为餐厅，会议室，办公室。2层建筑功能主要为包间，设备用房。裙房采用钢筋混凝土框架结构。首层餐厅上空，为大空间12.8 m×42 m,首层主入口大厅上空，为大空间12.8 m×42 m，学术报告厅上空，为大空间25.2 m×33.6 m。均采用钢结构型钢主次梁结构形式。与设备给排水，暖通，电气专业紧密配合。工程于2018年年初竣工验收。满足承载能力状态与正常使用状态质量要求。设置多道抗震防线，提高抗震性能。

2　结构布置及基础设计

本工程采用结构形式为钢筋混凝土框架结构。结构平面布置为(7×8.4)m与(8×8.4)m，接近于正方形。地下1层，柱网为8.4 m×8.4 m。钢筋混凝土截面尺寸为800 mm×800 mm，地上首层局部由于功能要求抽掉框柱变为大空间，框柱采用型钢混凝土柱子，柱子截面尺寸为800×1 200，内部型钢为18×500×350×18×350×18,钢材等级为Q345B。框架抗震等级为二级。地下1层为人防区，地下顶板覆有1.5 m焦渣，人防等级界别为核6，顶板人防等效静荷载70 kN/m2。通过计算框架梁截面尺寸X方向500×1 250，Y方向截面500×1 300。满足荷载受力要求。楼层框架梁截面尺寸为350×750，350×800，板厚为120 mm。大空间处有楼板开洞。钢筋混凝土现浇楼板可以布置在水平方向，连接上竖向抗侧力构件协同工作。整个楼而言，结构平面规则，X方向与Y方向质量与刚度分布均匀。很好承担吸收水平地震作用。由于质量刚度没有突变，楼具有较好抗扭转刚度。地基基础部分，采用天然地基，梁板式筏形基础。基础梁截面为900 mm×1 500 mm，板厚为550 mm。混凝土强度等级为C35。通过可靠连接将上部结构与地基基础连接起来，地基变形对上部结构也有影响，协同工作。

3　结构整体分析

3.1　结构的安全等级

本工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，建筑物中的各类结构构件安全等级为二级。地震地面运动三水准是多遇地震(小震)，设防烈度地震(中震)，预估的罕遇地震(大震)。抗震设防三水准要求是：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。通过两阶段设计完成三水准抗震设计要求。太原市在2016年5月前设计，地震设防烈度为8度，设计地震分组第一组，高度小于24 m,抗震等级为二级。场地类别为Ⅲ类。特征周期为0.45 s,确定了水平地震影响系数最大值为0.16 s。从而计算出结构的总水平地震作用数值，进行下部具体设计计算。

3.2　房屋适用高度和高宽比

本工程是A级高度钢筋混凝土丙类建筑。高宽比是12/(8.4×8)满足规范中抗震设防烈度8度区3的限值要求。结构平面布置简单，规则。从而减小扭转的影响，结构扭转为主第一自振周期(某一振型完成一次振动所需的时间)Tt=0.488 3，平动为主的第一自振周期为T1=0.551 2，Tt/T1=0.886,满足A级建筑物不应大于0.9规范要求。规范没有明确规定，另一个方向也满足周期比的比值限值要求。如果满足，说明双向抗扭刚度控制的较为理想。

3.3　结构的平面布置

首层顶板楼板有较大的开洞，洞口附近楼板板厚加强为120 mm，双层双向配筋。裙房与主楼相接处在地上部分设置100 mm防震缝。

3.4　结构竖向布置

建筑而言，竖向体型宜规则，均匀，避免有过大的外挑和收进，本工程在8.95 m处有外挑11.1 m大雨篷。采用型钢梁挑梁实现建筑功能要求，侧向刚度要求满足下大上小，均匀变化的原则。通过SATWE有限元计算软件分析结果看出首楼层侧移刚度与上一层侧移刚度70%的比值或三层刚度平均值的比值不宜小于80%的比值。采用层间剪力与层间位移之比的层刚度算法，从结果中看出未出现薄弱层，见表1。

表1　刚度比值表

3.5　水平位移限值和舒适度要求

正常使用条件下，高层建筑结构应具有足够的刚度，保证结构处于弹性受力状态，避免产生过大的位移而影响结构的承载力，稳定性和使用要求。

楼层最大层间位移与层高比值(满足规范位移角1/550限值要求)见表2。

考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下最大层间位移与平均层间位移比值(满足规范1.2要求),见表3。

表3　位移比值表

本工程不具有明显的薄弱部位，也不是不规则结构，所以不进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。

4　计算模型与计算结果

结构模型通过PKPM软件计算，主要采用《结构空间有限元分析软件》WATWE 2010版分析计算。PMCAD工具，将实际工程工程几何形状构建到计算机中，加上面荷载，线荷载。输入控制参数，通过SATWE有限元计算分析，结果数据直观的呈现，有助于分析调整模型，进行设计，然后将工程施工变为实践的建筑作品。

1)计算软件分析水平力作用下结构层平均侧移简图。扭转位移比计算时，采用的是“规定水平地震力”，计算方法是楼层剪力差(规范方法)。而计算地震作用，结构楼层位移与层间位移计时采用的方法是振型组合方法(CQC耦联)。《高规》3.4.5条文说明中明确写到“规定水平地震力”可采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平地震作用，每一个楼面处的水平作用力取楼面上下两个楼层的地震剪力差的绝对值。同时考虑偶然偏心(见图1，图2)。

2)根据混凝土构件计算简图可以直观看到梁由于抗剪截面不足超筋，柱轴压比超限，节点域超筋。调整截面满足规范要求。当然SATWE分析计算软件为了体现规范的概念要求，对构件设计承载力进行了调整。比如为了体现抗震设计的弱梁强剪力弱弯矩的概念，《建筑抗震设计规范》在第6.2.4条梁端剪力做了适当的放大。为了体现抗震设计中框柱的强柱弱梁与强剪力弱弯矩的概念设计要求。《建筑抗震设计规范》第6.2.5条，6.2.6条对框柱与角柱柱端弯矩设计值与剪力设计值进行适当的放大。楼板构件通过调整板厚满足正常使用状态的裂缝与挠度要求。

3)本工程中首层为局部抽掉柱子作为餐厅、会议室。采用钢筋混凝土梁用于跨度大于18 m空间，不经济不合理。采用钢结构型钢主次梁结构构件形式。进行了钢梁与型钢混凝土柱节点固接设计。次梁与钢梁铰接节点设计。

5　结语

在本工程中，将概念，规范，软件分析运用于钢筋混凝土框架结构。首先进行概念设计，结构本身布置合理。按照规范的设计要求。通过规范的计算机结构分析程序进行设计，调整结构受力构件梁，柱，板截面满足计算要求，满足建筑造型功能要求。结构受力合理，达到抗震性能目标要求。