带连体的学校超限高层结构设计

段 贝 袁 升 张陈胜

(浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310006)

1 工程概况

该项目位于杭州市西湖区，建筑效果图如图1所示。地面以下1层，主要为车库及食堂，局部兼做人防；地上从北向南依次设有行政综合楼、报告厅、教学楼、体育综合楼、宿舍楼；总用地面积34 640 m2，总建筑面积78 940 m2。

行政综合楼共9层，首层层高4.2 m，其余层层高为3.9 m。1层～6层东西两侧主体结构独立存在，7层～9层通过南北两个连接体连接成为一个整体。此外，8层，9层存在竖向收进、多层存在楼板大开洞等不规则情况。根据《建筑抗震设计规范》[1]和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[2]，该工程为平面和竖向不规则的超限结构。

建筑结构的设计基准期和使用年限为50年，安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35 s，场地类别为Ⅱ类，建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类)。

2 结构设计

2.1 结构体系及布置

由于8层，9层存在竖向收进，收进之后9层局部为单跨框架结构，对于乙类建筑不应采用单跨框架结构[1]，所以行政综合楼采用框架—剪力墙体系，结构模型见图2。综合考虑建筑楼电梯、钟楼的位置，合理调整剪力墙的布置，使东西两侧主体结构刚度接近。在不影响建筑功能的前提下，利用7层作为转换层与东西两侧主体结构刚性连接[3]，行政综合楼的典型平面图如图3所示。由于连体层数较多，为了减轻结构自重，转换层采用钢桁架的形式，且转换层以上连接体也采用钢结构。转换桁架跨度26.1 m，桁架高度3.9 m，采用倒V形桁架。桁架上下弦杆采用H600×500×15×35，H600×500×25×40，腹杆采用H400×400×18×35，H400×400×16×30，H650×500×45×50，钢桁架与东西两侧主体结构连接处的框架柱内置H600×400×40×40，内置型钢与钢桁架上下弦杆刚接。沿桁架方向上下弦杆伸入两侧主体结构各一跨，形成钢骨梁，与主体结构一侧钢骨柱刚接，以保证连接体与两侧主体结构可靠连接(见图4)。

2.2 结构抗震性能设计目标

综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构特殊性、建筑费用、震后损失和修复难易程度等各项因素，本项目性能目标选用“C”，结构抗震设计性能目标具体见表1。

表1 结构抗震设计性能目标

2.3 结构主要抗震加强措施

1)提高重点部位结构构件的抗震等级。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称《高规》)[4]，框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级。连接体及与连接体相连的结构构件在连接体高度范围及其上下层的抗震等级由二级提高为一级；8层楼面收进处的框架柱，从6层～9层对应的抗震等级由二级提高至一级。2)由于层数较少，与转换桁架相连的框架柱内置型钢从底层延伸至顶层。与转换桁架相连的框架柱按照转换柱设计，箍筋全高加密，严格控制其轴压比小于0.6[5]，并适当提高柱配筋率(不小于1.2%)、配箍率(不小于1.5%)和钢骨率(不小于5.0%)。3)为确保楼盖的整体性及剪力的传递，转换桁架上下弦杆所在楼层的楼面采用现浇楼板，楼板厚度不小于150 mm，双层双向配筋，配筋率不小于0.3%，并按照《高规》进行受剪截面和承载力的验算。4)连接体转换钢桁架与上部柱形心对齐，伸入两侧主体结构一跨，保证可靠刚性连接。钢桁架受压腹杆的轴压比按照同等级的框架柱的轴压比控制。5)补充东西两侧主体结构单独计算和承载力复核，与整体计算包络设计，确保当连接体失效后，两侧主体结构能单独承受地震作用而不发生倒塌。6)由于多层存在楼板大开洞的情况，需按弹性板验算所在楼层的楼板应力，根据楼板详细分析结果对大开洞周边楼板进行加厚或提高配筋率。

3 结构整体分析

3.1 多遇地震作用下结构验算

在进行整体验算之前，首先采用PKPM对连接体以下的东西两侧主体结构进行了单独计算分析，具体指标如表2所示。东西两侧主体结构X向平动周期相差10%，Y向平动周期基本一致；X向层间位移角基本一致，Y向层间位移角相差了12%。两者刚度非常接近，适合采用强连接的连接结构。

表2 东西两侧主体结构主要指标比较

采用PKPM和MIDAS Building两种软件对结构在多遇地震作用下整体内力和变形进行了对比分析，主要结果如表3，图5所示。可以看出，两种软件计算出的总重量、前三阶周期、刚重比、层间位移角、最大位移比等结果基本一致，且满足相关规范的要求。转换层及下部结构与转换层上部结构等效刚度比X向最小为1.53，Y向最小为2.47，满足规范大于0.8，并宜接近1的要求。从图5可以看出X向转换层与其下一层的刚度比约1.6，与其上一层的刚度比约1.7，楼层刚度存在突变；Y向转换层与其下一层的刚度比约0.9，与其上一层的刚度比约1.1，楼层刚度相对变化均匀，但均大于规范规定的0.6限值，说明转换层的设置相对合理。

表3 多遇地震作用下弹性分析主要指标比较

3.2 结构弹性时程分析

行政综合楼存在高位连体，属于复杂高层建筑结构，采用PKPM对其进行多遇地震作用下的弹性时程分析补充验算。根据建筑场地类别和设计分组最终选取了两条天然波和一条人工波，与规范反应谱分析的基底剪力进行了对比，满足了规范要求的在统计意义上相符，具体比较结果如表4所示。根据规范要求，需取三组时程曲线取时程计算结果的包络值与反应谱计算结果的较大值进行计算，因此，整楼地震力放大系数X向取1.04，Y向取1.09。

表4 时程分析与反应谱分析基底剪力比较

3.3 设防地震作用下结构验算

基于性能的设计要求，在设防地震作用下，转换钢桁架及其相连构件、转换柱等关键构件的结构承载力需要满足弹性设计要求。在进行中震弹性验算时，地震作用不考虑与抗震等级有关的增大系数；不考虑由填充墙引起的周期折减；考虑连梁有一定程度的破坏，连梁刚度折减系数可以根据规范适当减小。经计算，转换柱的轴压比最大为0.5，转换钢桁架上下弦杆最大应力比为0.65，转换钢桁架受压腹杆最大应力比为0.9，受拉腹杆的最大应力比为0.8。可以看出关键构件的轴压比、应力比满足规范要求，且配筋较合理，可以达到中震弹性的性能要求。

3.4 罕遇地震作用下弹塑性分析

采用MIDAS Building对结构进行弹塑性分析，以评估结构在罕遇地震作用下的性能。在框架梁两端设置弯矩铰，在框架柱两端设置轴力弯矩铰，桁架腹杆设置轴力铰，采用层剪力加载模式，考虑P—Δ二阶效应的影响。随着侧推荷载的逐步增大，结构位移逐渐增加，从而得到基底剪力—位移曲线，转化为结构的能力谱。能力谱和需求谱交点即为性能点。该点对应的结构状态应处于目标性能范围之内。

根据主体结构在7度0.1g罕遇地震作用下相应的能力谱和需求谱曲线，X向性能点对应的基底剪力26 850 kN，约为多遇地震作用下的基底剪力的3.2倍，对应结构有效周期为2.477 s，有效阻尼为15.47%，对应的最大层间位移角为1/237；Y向性能点对应的基底剪力为21 670 kN，约为多遇地震作用下的基底剪力的2.5倍，对应结构有效周期为3.03 s，有效阻尼为12.5%，对应的最大层间位移角为1/477。两个方向的性能点对应的层间位移角均小于1/100，可以满足“大震不倒”的性能要求。

从整个推覆过程的出铰状态来看，连梁和框架梁端首先出铰，当结构达到性能点时，桁架及其相连构件、转换柱均无出铰，部分的框架柱端出现了铰，到了屈服状态，大部分的铰出现在梁端，总体上符合预期的抗震性能设计目标。

4 结语

本文通过对带连体的行政综合楼多软件整体对比分析、弹性时程分析、关键构件的中震弹性验算以及大震弹塑性分析，并针对连接体、竖向收进、大开洞等薄弱部位进行了加强，最终达到了预期的结构抗震性能目标，在以上过程中以下经验可供类似项目参考：

1)学校建筑当出现单跨框架时可以采用框架—剪力墙体系，保证形成二道防线；对于有剪力墙的连体结构，尽量通过剪力墙的合理布置，使连接体两侧的主体结构刚度接近，以保证连接体优先采用刚性连接。

2)连接体尽量采用钢结构，当连接体有多层时，根据跨度可将最下面一层设置为桁架转换层，桁架上下弦杆与主体结构连接处框架柱内置型钢，当层数较少时，内置型钢可通长布置。上下弦杆需伸入主体结构至少一跨，且可靠连接。