地震模拟振动台实验室结构设计浅析

桑永良 张雪莲

（江苏信息职业技术学院 214153）

1 工程概况

拟建工程场地位于苏州高新区滨河路西侧、何山路南侧，苏州科技学院江枫校区内，±0.000对应的八五高程为2.900m。本工程为地震模拟振动台的实验室，建筑总面积约4201.69平方米。其中三层附属用房高度为10.5米，平面尺寸为60.0米×7.4米，横向为7.5米×8跨，与实验大厅连为一体；一层试验大厅高度为23.9米、平面尺寸为75.2米×36.0米，纵向为10跨，两端跨为7.6米，中间跨为7.5米，排架柱在附房楼层标高处、15.4米处及屋面处由框架梁连接；横向即为排架方向，中间跨柱在屋面由钢梁连接，同时在15.4米处设置牛腿，上有吊车梁，承载两台吊车，分别为75吨和30吨；两端抗风柱在附房楼层标高、15.4米处及屋面处由框架梁连接，另有一层配电房高度4.8米，与实验室主体脱开。实验室内部为震动台，设置在地下-5.770米标高处，四周由隔振沟将震动台与周边土体隔开。下图是建筑的平面和剖面图：

结构二层平面布置图

框排架计算简图

2 设计过程及计算结果

该项目位于苏州市高新区，本地区抗震设防烈度为 6度，建筑结构安全等级为二级，主体设计使用年限为 50年，根据《建筑抗震设防分类标准》[4]（GB 50223-2008），建筑抗震设防类别按丙类，设计基本地震加速度值为 0.05g，设计地震分组是第一组，建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期0.45s。由于内部有地震模拟振动台，工作时产生的振动效应会对建筑本身及周边建筑造成影响，故该建筑的设防要求需慎重考虑，根据《液压振动台基础技术规范》(GB 50699-2011)及同济大学、东南大学专家组的意见，本工程宜按 8度抗震设防设计；依据试验大厅使用特点按如下条件进行包络设计：(1) 参数方面（总信息、周期、位移），本实验大厅建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，地震影响系数αmax=0.08，特征周期0.45s。其中混凝土框架和排架柱抗震等级为（提高至）二级；钢梁抗震等级为（提高至）三级）；(2) 结构配筋方面，考虑实验大厅使用特点，抗震设防烈度为 7度，地震影响系数 αmax=0.23，特征周期0.45s，即按7度中震弹性性能化设计；(3)本实验大厅为较规则的轻钢屋面框排架结构，排架部分按平面排架设计；采用参数,抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，特征周期0.45s，考虑水平和竖向地震作用；其中混凝土框架和排架柱抗震等级为二级；钢梁抗震等级为三级复核位移及配筋。

设计时为减小设计工作量，施工图前期对两种抗震情况进行比较，因为 8度小震不屈服的地震影响系数为0.16，而7度中震弹性的地震影响系数为0.23，所以预估7度中震弹性的计算结果较大，而后整体建模进行试算。

从计算结果看出，7度中震弹性时二层③轴、④轴上梁在Ⓐ端负弯矩处配筋计算值为分别为16和25，而8度小震在对应梁两个位置12和18，比较其它位置及其余层均有7度中震弹性计算结果大于8度小震的结果，与预判一致，所以在施工图期间采用前者计算结果进行设计，这样减小了工作量又保证了结构的安全可靠的性能。

在结构形式包络设计上，考虑到该工程结构空旷，跨度大，在楼层中间无结构联接，屋面又是钢结构连接较为薄弱，所以结构整体性较差，故对实验室整个设计过程分为两个步骤：第一步按照排架结构（PK）计算，其中包括：1、对实验大厅单独排架建模计算，2、对附房单独排架建模计算，3、对实验大厅及附属用房联合建模计算，比较以上三个排架模型的计算结果取大值。第二步对整个框排架结构，按照空间模型建模(SATWE)计算，得出纵向框架梁及抗风柱间的混凝土梁进行配筋。根据以上排架和框架两种计算结果包络设计。

在第一步设计时，由于横向跨度较大，为控制排架柱顶的位移，需将柱做大，这样会增大结构自重及材料费用，对结构合理性及经济性都不好，故将排架柱设计成双柱，中间用混凝土梁连接，这样即减轻了结构的自重又增大了排架柱的侧移刚度，且在两柱间空隙可以设置平台用作走道检修。现将第一步的三个排架的计算结果表述如下：实验大厅排架外侧柱底配筋最大值为 1928mm2，附房排架模型外侧柱底配筋为1786mm2，大厅与附房联合排架模型外侧柱底配筋为1574mm2，从以上计算结果看出，大厅与附房联合时柱底计算配筋均小于两个分开的模型，这是由于联合模型增加了结构的赘余度，同时也增强结构的整体效应，柱底计算弯矩结果小于单个模型结果，配筋值也相应减小。因此，如果按照整体建模则不能发现单个模型的问题，故按照上面三种情况先对PK模型进行包络设计，保证结构设计的安全性。而后按照整体空间模型，用SATWE计算，结果显示，中间榀柱单边配筋为 1700 mm2，小于排架包络的计算结果，建筑端榀柱单边配筋为 3300 mm2，大于排架包络的计算结果，按照包络设计思想，对中间榀柱单边按照PK计算结果，对端榀柱单边按照SATWE计算结果。

在双柱中间设置的框架梁由于会受到水平荷载作用，且该梁跨高比较小，该梁受力状态已不能完全按照一般框架梁配筋，需对该梁配置斜向钢筋，具体如下详图；在计算时，由于抗风柱截面较宽（第一层为900mm，以上各层为800mm宽），梁宽为 250mm，梁边与柱外边齐，梁偏心超出柱宽的四分之一，所以需对梁与柱交界处进行加腋处理，而中间横梁处需要斜向钢筋加强，以保证横梁的安全性。

3 结论和建议

1、设计工作中所遇到各种情况，在没有针对性理论和直接解决办法时，可采取包络设计的方法，既对工程的各种情况逐一考虑，既考虑到局部连接失效的情况，又考虑到整体连接有效的情况，保证建筑物在各种情况下都具有抵抗地震的能力和足够的安全储备；

2、对于工作中对建筑物本身产生地震影响的情况，建议邀请该方面的专家组对抗震烈度及相关措施给出建议，保证建筑的结构的安全性、合理性和经济性。