吴江某文体中心项目文化馆结构分析与设计

吕恒柱，鲁松

(1.南京金宸建筑设计有限公司，江苏 南京 210019；2.南京中艺建筑设计院有限公司，江苏 南京 210017)

1 工程概况

图1 建筑效果图

吴江某文体中心项目位于苏州市吴江区汾湖高新技术开发区，作为汾湖地区居民的文化娱乐和健身场所，主体建筑设计新颖，整个建筑酷似展翅的雄鹰。项目总建筑面积为3.5万m2。文体中心项目包括文化馆和体育馆[1]等单体，建筑效果图如图1所示。本文主要介绍文化馆的结构设计。文化馆分为两个独立的结构单体，建筑内部布局有室内的篮球、乒乓球、羽毛球等功能场馆，可以满足市民多方面的文化生活需求。其中文化馆一区(以下简称“一区”)为3层，层高分别为6.3 m、5.4 m和4.8 m，主屋面高度16.5 m；文化馆二区(以下简称“二区”)为3层，层高分别为7.8 m、6.0 m和5.4 m，主屋面高度19.2 m。两单体均无地下室。

工程结构设计基准期为50年；建筑结构的安全等级为二级；重要性系数为1.0，建筑抗震设防分类为丙类，抗震设防烈度为6度(0.05 g)，抗震措施为6度。建筑场地类别为Ⅲ类，场地土特征周期为0.45 s，基本风压为0.45 kN/m2(50年一遇)，基本雪压为0.40 kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度类别为B类，风荷载体型系数为1.3。

2 结构体系及超限情况

2.1 结构体系

图2 一区2层平面布置及加强部位示意图

图3 一区整体计算模型

一区标准柱网8.4 m×7.4 m，2层结构平面布置图见图2，采用框架-剪力墙结构，主要柱截面为700 mm×700 mm，梁截面400 mm×750 mm。因建筑空间布置和造型的需要，西侧1层端部采用4组V形柱以支撑2层的双排柱(见图3)，V形柱倾角56°，其截面尺寸为1 m×1 m，被支撑柱截面为700 mm×700 mm，两种柱均为型钢混凝土柱，相应区域主梁为型钢混凝土梁；结构设计充分利用建筑四角楼梯间位置设置全高剪力墙；东部报告厅位置2层无楼板，其屋面为大面积斜坡轻钢结构屋面，通过合理设置屋面水平支撑，以增加板面刚度，从而加强单体整体扭转刚度。

二区标准柱网8.4 m×8.4 m，2层结构平面布置图见图4，采用含少量剪力墙的框架结构，主要柱截面为1 m×1 m和1.2 m×1.2 m，梁截面400 mm×750 mm。南端为大悬挑结构(见图5)，悬挑长度为10.7～16.6 m不等，悬挑体系采用型钢混凝土单向斜撑、交叉斜撑以及与之相连的框架梁组成。两单体加强区内型钢混凝土构件截面尺寸详表1，钢材为Q345B。

图4 二区2层平面布置及加强部位示意图

图5 二区整体计算模型

表1 型钢构件截面尺寸 单位：mm

两单体抗震等级为剪力墙三级，框架四级。同时，因两单体均存在多处不规则，为提高结构的抗震性能，将一区1-1轴左侧及1-6轴右侧和二区2-3轴左侧及2-8轴右侧区域分别设置为重点结构加强区A～D区(具体范围见图2和图4阴影区所示)，剪力墙和框架抗震等级均提高一级至二级和三级。

2.2 结构超限情况

经结构平面和竖向归并后，一区共存在3项一般不规则：

(1)考虑偶然偏心的扭转位移比为1.32，属于扭转不规则；

(2)2层楼板根据建筑需要开设洞口，使得楼板有效宽度小于50%，属于楼板不连续；

(3)偏心矩0.22大于0.15为偏心布置。其他，存在局部的穿层柱和斜柱。同时，因建筑端部采用4组V形柱，面外抗扭刚度很弱且无法加强，导致结构整体计算第二周期为扭转，在水平地震力作用下会引起两端竖向构件显著的剪切变形。

二区共存在4项一般不规则：

(1)考虑偶然偏心的扭转位移比为1.33，属于扭转不规则；

(2)2层楼板根据建筑需要开设洞口，使得楼板有效宽度小于50%，属于楼板不连续；

(3)偏心矩0.53大于0.15为偏心布置；

(4)外挑大于10%和4 m(楼面梁板悬挑除外)。其他还存在局部的穿层柱和斜柱。

一区和二区均无严重不规则情况，其结构布置属抗规[2]规定的特别不规则的多层建筑。

3 结构抗震性能目标

考虑两单体结构的不规则性，结合抗规[1]、高规[3]和文献[4]的相关规定，为提高结构整体抗扭刚度和承载力，采用基于抗震性能的设计方法，在整体采用D级抗震性能目标的基础上，两端结构加强区在中震下由第4性能水准提高至第3性能水准，具体目标详表2。

表2 结构抗震性能目标

除表2所述的性能目标要求外，结合超限审查专家意见，还需考虑以下几点：1)单体仅为3层，所有竖向构件均按关键构件考虑；2)中震作用下，整体结构的承载力不发生下降；3)大震作用下，同一楼层的竖向构件不宜全部进入屈服；4)因悬挑尺寸较大，在竖向荷载作用下，悬挑端的竖向位移带动整体结构向悬挑端倾斜，各层梁、板构件内均出现拉力，补充楼板在竖向荷载及地震下的应力分析；5)两单体屋面均为大面积斜板，对计算模型整体指标影响较大，采用平板模型考虑整体指标，采用平板及斜板模型进行构件包络配筋。

4 结构整体计算与分析

4.1 小震反应谱计算与分析

主体结构采用SPASCAD程序建立真实空间模型计算，并补充Midas Building程序的小震作用分析，两种程序的主要计算结果对比见表3。同时，二区按框架结构与少墙框架结构两种模型计算并包络设计。

表3 两种程序的主要计算结果对比

除表2所述的计算结果外，其他计算结果如剪重比、刚重比、有效质量系数、地震作用最大层间位移角和刚度比等整体计算指标均满足规范要求。

需要说明的是，因Midas程序把斜撑承担的剪力统计在框架柱内，而SPASCAD程序把斜撑承担的剪力统计在剪力墙内，故两种程序在有斜撑的方向统计柱剪力所占楼层剪力百分比时存在较大差异，且计算楼层受剪承载力之比亦不同，如二区2层Y向存在斜撑转换，SPASCAD计算的底层Y向楼层受剪承载力比值仅为0.23(删除斜撑后比值为0.82)，而Midas计算的底层Y向楼层受剪承载力比值为0.9931，按两程序不利结果考虑，把底层定义为薄弱层，所有竖向构件均按中震受剪弹性，受弯不屈服性能目标加强(见表2)。

4.2 中震作用下关键构件抗震性能分析

4.2.1 一区V形柱中震弹性验算

V形柱立面示意图见图6a，提取SPASCAD模型中震反应谱法4组V形柱控制内力(每组两根斜柱内力的较大值)，根据规范[5]第6.1.9和6.1.10条验算V形柱斜截面抗剪承载力，验算结果见表4，结果表明：中震作用下V形柱剪压比小于0.36，受剪承载力与剪力之比均大于1，则斜截面抗剪满足中震弹性要求，而满足中震正截面受弯弹性的最大全截面纵筋配筋率仅为1.58%。同时，选取受荷面积较大的1-H轴上的V形柱进行构件有限元分析，因单体不足20 m，风荷载不起控制作用，仅考虑恒载、活载和地震作用三种工况下各构件的轴力、弯矩和剪力，其中X向地震作用工况下V形柱及周边构件剪力分布图见图6b。

表4 V形柱中震弹性验算

图6 一区V形柱布置及计算简图

4.2.2 二区斜撑及相连的框架中震弹性验算

单向和交叉斜撑的布置简图见图7，考虑该区域构件悬挑尺寸较大，6根斜撑及与之相连的型钢梁、柱在整体设定D级抗震性能目标的基础上，由第4性能水准提高至第3性能水准，构件抗震等级提高至三级。同理，提取SPASCAD模型中震反应谱法构件的控制内力验算其截面抗剪承载力。结果表明中震作用下受力构件剪压比小于0.36，受剪承载力/剪力均大于1，斜截面抗剪满足中震弹性要求，而中震正截面受弯弹性的单侧纵筋配筋率仅需0.3%即可满足，则构件截面配筋由抗剪弹性控制。

图7 二区6组斜撑立面示意图

4.2.3 二区楼板应力分析

图8 二区3层楼板主应力云图 (单位：kN/m2)(最大拉应力1.07 MPa、0.25 MPa)

二区南端区域悬挑尺寸较大，在竖向荷载作用下，悬挑端的竖向位移带动整体结构向悬挑端倾斜，2层梁、板构件在靠近悬挑端附近产生附加压力，而在3层和屋面梁、板构件内均产生附加拉力，分析各层楼板恒、活作用下正应力云图可知，在恒载荷及活荷载作用下，最大拉应力产生的部位为3层斜撑对应上方型钢混凝土框梁位置(图8)，但其值小于混凝土的抗拉强度设计值1.43 MPa，满足楼板中震弹性要求，相关楼层梁均按照压弯或拉弯构件进行设计。除纯悬挑外，楼层板厚均取150 mm，配筋率按0.3%双层双向拉通。同时，为了分析大悬挑楼板刚度对悬挑梁受力和变形的影响，针对悬挑楼板刚度建立了两种分析模型：1.楼板刚度100%；2.楼板刚度退化50%。验算结果表明：中震作用下楼板刚度退化小于或等于50%情况下，框架梁轴向力差异不大，结构具有一定的安全储备。

4.3 大震动力弹塑性时程分析

本工程两单体均采用有限元程序Midas Building进行弹塑性动力时程分析[6]。

4.3.1 结构整体塑性损伤情况

采用混凝土为纤维理想弹塑性剪切本构关系评价剪力墙的屈服程度，通过应变等级评价剪力墙是否屈服，第一和第二等级为弹性状态，第三等级为屈服状态，第四等级为屈服后状态，第五等级为极限状态。采用屈服状态评价框架塑性铰的发展程度，第一是开裂状态，第二是屈服状态，第三是极限状态，图例中输出的比值代表在该项上发生屈服的铰的数量与分配给构件的该类型铰总数的比值。

一区(二区)剪力墙和框架在基底剪力最大的地震波P01(P03)作用下的整体损伤情况(X向地震框架和剪力墙整体损伤见图9～图12)表明底部两层的剪力墙损伤严重，应变等级已达到五级，局部进入了极限状态；而框架柱基本处于第一状态即开裂状态，仅有极个别柱进入第二状态即屈服状态；框架梁的损伤普遍存在特别是两端的框架梁已经进入第二状态即屈服状态，框架梁的弹塑性变形有效耗散了一部分地震能量。

4.3.2 塑性铰开展趋势

一区(二区)两个方向的塑性铰开展顺序基本接近，其塑性发展过程：首先是作为耗能构件的框架梁率先进入第一屈服状态即开裂状态，然后是剪力墙开始受剪屈服并伴随着部分框架梁塑性铰(第二屈服状态)的出现，最后剪力墙进入屈服状态部分框架梁亦进入屈服状态，框架柱基本上仅进入第一屈服状态即开裂状态。其中剪力墙的破坏比较明显。鉴于现阶段分析程序功能上的限制，上述分析结果中均未计入根据小震时程分析和中震分析需采取措施的影响，实际损伤程度应有所减轻。施工图设计时，作为小震和中震加强措施的补充，仍将根据相对损伤程度，有针对性地适当加强剪力墙配筋率，以提高其承载力和延性。

图9 一区X向地震框架整体损伤

图10 一区X向地震剪力墙整体损伤

图11 二区X向地震框架整体损伤

图12 二区X向地震剪力墙整体损伤

4.3.3 大震作用下关键构件的性能化验算

大震作用下各单体的关键部位性能化验算结果表明，混凝土受力构件剪压比小于0.2，型钢混凝土构件受力构件剪压比小于0.36，受剪承载力与剪力之比均大于1，斜截面抗剪满足大震弹性要求。其中，一区V形柱满足大震正截面受弯不屈服的单侧纵筋配筋率详下表5。

表5 一区V形柱大震抗剪弹性、抗弯不屈服验算

5 结构加强措施

(1)一区V形柱柱肢端部承托上部的边柱和中柱，由于边柱和中柱的荷载差异，V形柱会产生向外的水平推力，因此，桩基设计时，除在V形柱下布置承受竖向力的桩基外，还应考虑桩基承受的水平力，需增加一定的桩数，布置方向和V形柱方向垂直，并辅以地梁加强与周边桩基的连接，一并纳入抗水平力体系。V形柱与基础承台的连接大样见图13。

(2)一区V形柱、二区斜撑及与它们相连的框架梁、柱均采用型钢混凝土结构(图6a和图7)，以提高该部分构件的承载力。由于型钢混凝土梁、柱及支撑交汇构件较多，需要特别注意构件交汇处节点的设计，除满足节点受力外，还应考虑施工的便捷性。典型V形柱头连接节点大样见图14[7]，单向和交叉典型斜撑连接节点大样见图15，均在节点处增设加劲板协助力的传递，确保节点等强设计。

(3)一区V形柱和二区斜撑及与它们相连的框架梁、柱箍筋采用大震弹性振型分解反应谱法计算的配筋设计值；纵向钢筋采用大震不屈服振型及中震弹性分解反应谱法计算的配筋设计值两者较大值。

(4)加强区A～D内(除V形柱和斜撑外)剪力墙、柱及长悬挑构件箍筋采用中震弹性振型分解反应谱法(等效弹性方法)；纵向钢筋采用中震不屈服振型分解反应谱法计算的配筋设计值。

图13 V形柱与基础承台的连接大样

图14 典型V形柱头连接节点大样

图15 典型斜撑连接节点大样

(5)加强区A～D内各层耗能构件箍筋采用中震不屈服振型分解反应谱法计算的配筋设计值，纵筋仍采用小震下的配筋设计值；非加强区各层竖向构件箍筋及纵筋采用中震不屈服振型分解反应谱法计算的配筋设计值。

(6)提高两单体剪力墙分布筋配筋率至0.5%且不小于计算值，受力较大的墙肢端部加型钢，防止剪力墙在大震作用下过早的进入屈服状态。

(7)一区V形柱中间的楼板和二区所有楼板厚度均加强至150 mm，双层双向配筋率提高至0.3%并不小于计算值，控制拉应力小于混凝土的抗拉强度设计值。

6 结语

(1)该文体中心项目虽层数不高，但为存在多项不规则的复杂结构，考虑其为当地的重要建筑，社会影响大，对结构的抗震性能提出更高的要求，补充大震动力弹塑性分析，对抗震性能设计中发现的薄弱部位采取技术措施是十分必要的；

(2)针对一区V形柱、二区斜撑及与它们相连的框架梁、柱等关键构件均进行有限元分析，并特别注意构件交汇处节点的设计，除满足节点受力外，还考虑了施工的便捷性；

(3)虽单体为提高抗震性能而分散设置少量的剪力墙，但根据大震作用下结构的相对损伤程度可以发现其承担了大部分的地震剪力，为主要抗侧力构件，需有针对性加强剪力墙构件配筋，以提高其承载力和延性。

通过以上抗震论证过程可知，对本工程两栋单体抗震性能设计中发现的薄弱部位采取必要的技术措施后，在实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”基本设计原则的同时，整体能够达到D级抗震性能设计目标，增加土建造价较少而优化了结构抗震性能。