某V形稀柱大跨梁式转换高层结构设计

张佳伟，蒋军，郑佳锋，刘启良

（中机中联工程有限公司，重庆 400000）

1 工程概况

某展览中心项目，由中间农场和周边3 个展览中心A、B、C 构成，农场和展览中心通过两个连廊连通，单层地下室为一整体。 展览中心A 有南、 北两栋塔楼， 两栋塔楼高度分别为32.6 m 和27.5 m，属大跨度转换超限结构[1-3]。展览中心B 和C为多层结构。 展览中心建筑效果图见图1。

图1 展览中心建筑效果图

本工程结构设计基准期和设计使用年限均为50 年，结构安全性等级为一级，结构嵌固端设在地下室顶板。

抗震设防类别为标准设防类， 抗震设防烈度为6 度（0.05g），场地分组为第一组，建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期0.45 s。本文以展览中心A 为研究和分析对象。

2 结构体系

2.1 结构方案

2.1.1 塔楼主体结构

展览中心A 区主体结构采用钢框架（少量支撑）结构的抗侧力体系。 考虑建筑功能分布，利用两侧塔楼竖向交通核布置钢支撑，其他位置布置框架柱提供抗侧力刚度。 结构计算三维模型见图2。

图2 结构计算三维模型

2.1.2 V 形斜柱大跨钢梁转换

主体结构首层除交通核竖向构件可落地至地下室外，其他位置在首层采用V 形斜柱转换以实现建筑造型需求， 斜柱构件为矩形钢管混凝土柱[4]，截面尺寸为1 000 mm×2 000 mm×50 mm；转换梁最大跨度为18 m，采用箱形截面，截面尺寸为800 mm×1 800 mm×50 mm， 此方案可有效加强结构整体及构件抗扭能力。 首层转换层俯视图见图3。

图3 首层转换层俯视简图

2.1.3 主要构件信息

主要结构构件截面尺寸见表1，主要结构构件材质见表2[5-6]。

表1 主要结构构件截面尺寸mm

表2 主要结构构件材质

2.2 嵌固端分析

本项目地上结构由中间农场和展览中心3 个分区组成，地下室为一整体，地下室顶板标高为-1.5 m。 考虑主楼及相邻两跨范围的地下室内构件的有效刚度， 地下一层与首层侧向刚度比大于2，地下室顶板可作为上部结构嵌固端。

3 结构计算与分析

3.1 小震反应谱分析

3.1.1 周期与振型

分别采用SATWE 和MIDAS GEN 两种三维空间结构分析程序进行计算比较，按振型分解反应谱法（CQC）进行分析计算，以验证结构计算结果的一致性和准确性，计算主要参数如表3 所示。

两种软件计算结果见表4。 根据计算结果，两种软件计算结果中周期比均满足规范要求，且振型方向一致，各指标误差均在5%以内，验证了结构小震计算结果的合理性[7]。

表4 小震周期分析结果

3.1.2 结构位移

两种软件的计算结果基本一致；SATWE 计算出的最大层间位移角为：X 向地震：1/1 108 （2 塔第6 层），Y 向地震：1/1 039（2 塔第6 层），X 向风载：1/1 607（2 塔第7 层），Y 向风载：1/1 469（2 塔第7 层），均满足JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》[8]第3.5.2 的要求（1/250），结构体系所提供的抗侧刚度能保证结构正常工作并满足正常使用要求。

3.1.3 刚度比

据GB 50011—2010 《建筑抗震设计规范》(2016 年版)[9]（以下简称《抗规》）第3.4.3 条结构竖向不规则的楼层侧向刚度比要求 （楼层与其相邻上层的侧向刚度比值不宜小于0.7，与相邻上部3 层刚度平均值的比值不宜小于0.8）， 两软件分析结果见表5。

表5 刚度比对比表

由表5 可知，两软件计算结果均满足规范要求，并且结果具有较高的一致性体现。

3.1.4 受剪承载力之比

根据《抗规》第3.4.3 条结构竖向不规则的楼层受剪承载力要求 （抗侧力结构的层间受剪承载力不小于相邻上一层的80%）。 两软件对比结果除1 层作为转换层两软件统计结果稍有出入外，其他楼层结果均一致，并均能满足规范要求。

3.1.5 倾覆力矩分配

根据SATWE 计算结果统计倾覆力矩分配情况， 框架柱和支撑两抗侧力构件中， 框架柱承受的地震倾覆力矩约占结构总地震倾覆力矩的90%， 结构整体计算按照钢框架结构进行设计是可靠合理的。

3.2 小震弹性时程分析

计算选用PKPM 软件提供的符合规范要求的两条天然波和一条人工波进行小震弹性时程补充分析。 图4 为选用的3 条地震波与规范反应谱对比。

图4 地震波反应谱和规范反应谱对比

弹性时程分析结果结构显示各层位移指标均满足要求，各层位移角均小于1/250。 每条时程曲线计算的底部剪力在规范允许区间内， 均不小于振型分解反应谱法计算的65%，且不大于振型分解反应谱法计算的135%； 平均值不小于振型分解反应谱法计算的80%， 且不大于振型分解反应谱法计算的120%，满足规范要求；并将时程分析结果作为CQC 设计依据。

4 大震弹塑性分析

采用PKPM EPDA 软件对结构进行大震弹塑性动力时程分析计算， 选取符合规范要求的2 条天然波（TH032TG045、TH3TG045）和一条人工波（RH1TG045）。 图5 为选用的3 条地震波反应谱曲线与规范反应谱对比。

图5 地震波反应谱与规范反应谱对比

计算大震作用下3 条地震波的弹塑性基底剪力Vp， 并与小震弹性基底剪力Ve进行对比， 计算结果显示：X向和Y向大震弹塑性基底剪力与小震弹性基底剪力的比值Vp/Ve最大值分别为3.66 和3.78； 主体结构最大层间位移角均小于规范限值1/50，满足性能目标要求；主体结构基本无损伤，抗震性能良好。

5 结构加强措施

1）根据《抗规》8.1.3 规定，本工程抗震等级为无抗震等级，将主体钢结构抗震等级提高至四级， 转换斜柱抗震等级再提高一级至三级，以确保竖向关键构件有充足的抗震安全冗余度。

2）加强首层转换层抗震构造措施，转换斜柱采用钢管混凝土，转换梁采用方钢管。

3）楼板不连续区域和平面凹进区域，楼板厚度150 mm，楼板钢筋采用双层双向拉通布置， 并按弹性板计算复核楼板配筋，配筋率不小于0.25%。

4）地下室顶板及转换层楼板板厚取200 mm，采用双层双向配筋，并控制配筋率不小于0.30%；普通楼板板厚为150 mm，采用双层双向配筋，并控制配筋率不小于0.20%。

6 结论

1）本工程采用钢框架结构，结构最大高度为37.7 m，主要存在扭转不规则、楼板不连续、塔楼偏置等情况，定义为特殊类高层建筑。 采用了性能化的抗震设计方法，根据建筑物的重要性选用C 级性能目标，分别按性能水准“1、3、4”验算结构在多遇地震、设防烈度地震、预估罕遇地震作用下的构件承载能力。

通过计算分析结果表明： 本工程能够满足设定的C 级抗震性能目标，满足“小震（多遇地震）不坏、中震可修、大震不倒”的设计要求。

2）采用不同两种有限元程序进行结构多遇地震下的弹性计算，其结果显示，结构各项指标均满足设计要求，且各项指标误差均在允许范围内。

3）多遇地震下采用弹性时程反应谱法进行补充分析，根据剪力分析结果对各个楼层剪力进行放大， 进一步保证结构安全性。

4）大震弹塑性分析结果表明，主体结构最大层间位移角均小于规范限值1/50，主体结构基本无损伤，满足预设性能目标要求。