无锡秀场结构抗震性能化设计

何礼东 阮永辉 徐旭东

（1.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092；2.融创（万达）文化旅游规划研究院，北京100022）

1 工程概况

无锡秀场项目位于江苏省无锡市滨湖区，是一座为特定演出节目所定制的主题秀场。总建筑面积约2.95 万m2（其中地上约2.0 万m2，地下约0.95万m2），可容纳约2 000名观众。地下两层，地上两侧功能区域为3层，层高6 m；中央舞台、观众厅区域为越层通高布置，主屋盖高度为35.5 m。平面形状为直径100 m 的正圆，外围设置10 m 宽的仿竹林带。

从抗侧能力、布置形式等方面考虑，本结构采用了钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。屋盖采用了带中央受压环的平面桁架式屋盖，24 榀主桁架沿径向均匀布置，每一榀桁架负责承担15°扇区内竖向荷载。主桁架在屋盖中央交汇于一个环形桁架，来完成对中部60 m 大跨圆形观影区的支撑。外周10 m竹林区的屋盖采用平面为V字形的悬挑钢梁来实现，如图1所示。通过在辅助功能区竖向构件顶部设置支座，将屋盖与主结构连接。

仿竹构件采用底部固接-顶部轴向滑移支座，将自重直接传给基础。且仿竹构件为装饰构件，其细长的特点导致其抗侧刚度较小，因此主体结构计算时不考虑仿竹构件的影响。

材料强度：竖向构件及连梁采用C40混凝土，基础、梁及楼板采用C30混凝土；主体结构主要采用HRB400钢筋；屋面主要采用Q345B钢材。

图1 屋盖结构体系图Fig.1 Structural system of roof

嵌固端：本工程地下室顶板中部为观演区上空，南部为后台区上空，开洞面积较大，故取地下二层顶板作为嵌固端，并取地下室顶板作为嵌固端的情况做包络设计。

图2 效果图Fig.2 Effect drawing

图3 建筑平面布置Fig.3 Floor plan layout

2 结构不规则情况及性能化设计原则

2.1 计算参数

本工程设计基准期及耐久性使用年限均为50年，结构重要性系数1.0（竖向构件取1.1），设防分类为乙类，剪力墙抗震等级为一级，框架抗震等级为二级，钢屋面抗震等级为三级。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［1］，地震动输入参数见表1。

表1 结构地震动输入参数Table 1 Seismic parameters

2.2 不规则情况

根据建质［2015］67 号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》附录一表一、表二、表三，检查本高层建筑的不规则情况，不规则情况共两项，如下：

（1）楼板不连续：本建筑二、三、四层楼板有效宽度小于50%，楼板开洞面积分别为50%、60%、60%；第二层外周功能房与外挑马道形成错层。

（2）本建筑存在局部的穿层柱（如入口区和后台区框架圆柱），及个别构件转换（如二层马道下梁上立柱）。

2.3 性能化设计原则[2-4]

针对上述不规则状况，本工程设计时采用了抗震性能化的设计方法，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）［5］中的第3.11 节确定性能目标，结合建筑规模、建造成本、抗震设防参数、震后损失及修复情况等一系列条件进行判断，本工程宜选取D 级作为抗震性能设计的目标；考虑到建筑本身造型复杂，平面不规则情况较为特殊，将小震和中震的设防水准提高至C级的标准，最终选定了介于C 级和D 级之间的性能目标及相应的抗震水准措施。详见表2。

3 多遇地震分析结果

3.1 结构动力特性

为保证分析结果的准确性，采用两个有限元计算程序（YJK、MIDAS）相互验证的方式对结构动力特性进行分析，模态结果如表3 所示。第一阶模态为Y 向平动，第二阶模态为X 向平动，第三阶为扭转模态。软件计算结果相近，验证了计算结果的可靠性与准确性，且均能保证结构扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期的比值小于规范0.85的限值。

表2 结构构件抗震性能表Table 2 Table of seismic performance of structural members

表3 自振周期（仅列出前3阶振型作为对比）Table 3 Natural vibration periods

3.2 反应谱法结构地震响应分析结果

从位移角及剪重比结果看出，两个方向的抗侧刚度较为接近，且较规范限值有一定富裕度。位移比未超出1.2，表明结构抗侧力构件布置较为均匀、对称，扭转效应不明显。结果见表4。

表4 反应谱法分析的主要结果Table 4 Main results of Response-spectrum analysis

4 设防地震及罕遇地震分析结果

4.1 设防地震分析结果

除普通楼板、次梁以外所有结构构件的承载力，按中震不屈服计算。计算时，不计入作用分项系数、承载力抗震调整系数和内力调整系数，材料强度取标准值。采用《高规》中的等效弹性方法，利用YJK 对结构构件在中震下进行弹性验算判定。主要计算参数取值如下：连梁刚度折减系数0.4，地震最大影响系数0.23。主要计算结果如表5所示。

表5 中震分析的主要计算结果Table 5 Main calculation results under moderate earthquake

由于连梁刚度退化，基底剪力及倾覆弯矩均不是线性增大，层间位移角符合规范中“需一般修理，采取安全措施后适当使用”的性能目标，说明宏观上结构能够实现性能3的水准目标。

4.2 罕遇地震分析结果

4.2.1 竖向构件剪压比结果

采用等效弹性方法，应用YJK 程序对结构进行大震计算。主要计算参数如下：周期折减系数1.0，αmax=0.50，Tg=0.5，连梁折减系数0.3，材料采用标准值。

图4 和图5 给出了大震下部分关键框架柱和剪力墙底部加强区剪压比(VGE+V*Ek)/0.15fckbh0，结果表明大震下柱的剪压比远小于性能化目标要求的1限值，预期的性能目标可以实现。

4.2.2 弹塑性分析结果

图4 部分框架柱底部加强区剪压比Fig.4 Shear-compression ratios of columns at bottom strengthened region

图5 部分剪力墙底部加强区剪压比Fig.5 Shear-compression ratios of walls at bottom strengthened region

虽然本工程存在局部楼板不连续的情况，但楼板分布形成了环状板带，且设计时对楼板薄弱部位进行了加强，能较好地传递水平力，因此采用MIDAS/GEN 有限元计算软件对结构进行静力弹塑性（Push-Over）分析，以评估此建筑主体结构在罕遇地震作用下的抗震性能［2，7］。本文拟将FEMA曲线（图2）中各相关准则点按以下关系对应于中国规范的性能设计水准中的构件破坏程度：AB之间的阶段对应构件完好、无损伤；B～IO 阶段对应于构件轻微损坏；IO～LS 阶段对应于构件轻度损坏；LS～C 阶段对应于构件中度损坏；C～E 阶段对应于构件严重损坏。［2］

按规范要求的“大震不倒”抗震设防目标，采用PUSH 程序对建筑在罕遇地震作用下进行静力弹塑性推覆分析，共进行X 向、-X 向、Y 向、-Y 向四个方向的推覆验算。［2］

（1）整体指标

由表6 可知，在罕遇地震作用下（水平地震影响系数最大值取0.50），性能点处各层弹塑性位移角最大值小于规范限值1/100，符合《高规》第4.6.5 条的规定，建筑物可实现“大震不倒”的抗震设防目标。此外，从表6 中的等效阻尼比数值可定量了解到结构整体的损伤程度。

图6 塑性铰FEMA骨架曲线Fig.6 FEMA constitutive relation curve of plastic hinge

表6 静力弹塑性分析主要结果Table 6 Main results of the elasto-plastic analysis

图7为+Y方向的能力谱需求曲线，可以看出，结构在大震下进入塑性，性能点位于能力曲线的陡降段，可以说明大震作用下，结构尚有一定的安全储备。

图7 抗倒塌能力曲线图（+Y）Fig.7 Check diagram of anti collapse ability（+Y）

（2）损伤情况分析

从表7、图8构件损伤情况及塑性铰分布情况来看，在大震下部分剪力墙及框架柱出现塑性角。剪力墙基本能满足中度损坏的要求，少量严重损坏的情况主要出现在剪力墙转角处小墙肢，设计时采用增设约束边缘构件及增加其配筋等措施对其进一步加强。同时，框架柱出铰较少，损伤较轻，能满足大震下二道防线的作用。

表7 罕遇地震性能点时结构损伤情况Table 7 The damage situation of structure under rare earthquake performance

图8 罕遇地震性能点时结构铰情况Fig.8 Structure hings under rare earthquake performance

5 洞口周边楼板及穿层柱受力分析

5.1 楼板薄弱区域分析

（1）采用等效弹性分析方法，对楼板进行设防地震作用下应力分析。从计算结果图9 可以看出，楼面除楼板边界凹角处、楼板大开洞薄弱处及个别核心筒周边和角部之外，楼板应力分布较小，主拉应力均在1 MPa 以下，通过适当增加拉通钢筋配置量即可保证安全。针对个别开洞凹角及细窄板带处应力较大的位置，施工图阶段将以中震下楼板应力的计算结果指导配筋，并加大板厚，确保楼板的传力作用，从而达到性能水准的要求。

图9 典型楼层（三层）设防地震作用下楼板应力Fig.9 The typical floor（3rd floor）principal stress under medium earthquake

（2）在罕遇地震下，大洞口周边板宽较小的区域，可能早于抗侧力构件发生破坏.一旦剪切破坏，楼板两侧的结构不能共同工作，结构动力特征变化显著，抗震承载力遭到较为严重的破坏。依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［6］附录G.0.3，对薄弱区楼板的截面抗剪承载力进行校核，验算剖面示意见图10，计算结果见表8。

5.2 穿层柱分析

北侧入口区及南侧后台区楼板缺失范围较大，外周边形成穿层柱。由于长柱容易产生相对较大的二阶弯矩，且从试验结果来看，其骨架曲线下降段较陡，延性较差，因此分析和设计时均需重点关注，以避免大震作用时由于长柱破坏引起局部坍塌以及连续倒塌。

计算分析时，复核软件对于长柱计算长度的取值，并按照中震不屈服对长柱进行配筋设计，之后采用弹塑性分析软件对其大震下的破坏情况进行验证。经截面放大及中震配筋后，弹塑性分析结果显示其下方三层的跃层区段处于轻微破坏阶段，可满足性能水准的要求，大震下剪压比小于0.15。摘录弹塑性分析结果如图11所示。

表8 水平地震作用楼板抗剪承载力验算Table 8 Checking calculation of shear capacity of floor under horizontal earthquake

图10 典型楼层（三层）细窄板带大震验算位置示意Fig.10 Checking location of the typical floor（3rd floor）under rare earthquake

图11 中震作用下框架柱塑性铰分布结果Fig.11 Structure hings under medium earthquake

由于穿层柱线刚度相对较小，计算时分担的地震作用较小，造成配筋相对较小，当高水准地震作用时，其他竖向构件逐渐部分退出工作，内力重分布可能造成穿层柱承载力不足。因此，在设计时，取穿层柱实际地震剪力和楼层柱平均剪力较大值进行配筋［8］。

6 结 论

结合本项目的特点以及抗震分析和设计的全过程，得出如下几点结论：

（1）剧场项目往往由于其大空间观演功能的需求，平面形状相对特殊，楼板缺失情况突出，且缺失范围和数量较多，从而引起竖向构件协同工作效果差。结构工程师宜从方案阶段进入配合，尽量保证竖向构件布置的均匀性和对称性，形成较好的抗侧力构件布局及较高的结构整体抗扭刚度。设计时宜采用性能化设计方法，针对性地指定性能目标及设计原则。

（2）对薄弱环节细窄板带应进行重点分析，确保其在中、大震作用下连接的有效性。竖向构件分析设计时，宜偏安全地认为按照楼板连接失效进行包络设计。

（3）对于楼板缺失引起的穿层长柱，应复核软件中计算长度取值，按照性能化设计要求进行分析设计，并采用弹塑性分析方法进行验证。在设计时，取穿层柱实际地震剪力和楼层柱平均剪力较大值进行配筋。