商业购物中心项目不规则性结构设计

王振勇

摘要：某工程为结构高度37m的高层框架结构，存在平面和立面不规则情况。通过采用两种不同的计算软件程序分析比较结构的主要计算控制指标，并结合分解反应谱法和时程分析法计算多遇地震作用，再通过对楼板应力的有效计算，从而有针对性的制定结构强化方案，以进一步保证结构的安全性，并为以后类似项目的设计积累经验。

关键词：结构不规则；楼板开洞；多遇地震下弹性时程分析；罕遇地震下静力弹塑性分析；楼板应力分析；加强措施

1概况

背景工程位于江阴市。该单体由1幢商业购物中心组成，地上7层，地下3层，结构平面尺寸为117mx61m，柱网尺寸以9mx9m为主，建筑高度37米。建筑效果图详见图1。地上部分以商业购物区为主，地下以超市以及停车场为主。由地下通道与两侧的澄星大厦和澄星花苑的地下室相连，商业的地下通道与两侧的大厦地下室、花苑地下室均设缝断开。

图1：建筑效果图

2 荷载和作用

2.1地震作用

结构设计的部分参数详表1。

表1结构设计信息参数

建筑结构安全等级	一级
结构设计使用年限	50年
设计基准期	50年
抗震设防类别	乙类
抗震设防烈度	6度
设计地震分组	第二组
抗震构造措施	7度
设计基本地震加速度	0.05g
场地类别	Ⅳ类
特征周期	0.75s

2.2风荷载、雪荷载

根据《建筑结构荷载规范》^[1]，取50年一遇的基本风压和雪荷载分别为0.45kN/m²和0.40kN/m²，地面粗糙度为B类。

2.3温度作用

根据规范和专家的预审意见，室内楼面结构的升降温度控制在20℃，屋面分别以升温20℃到降温40℃为范围考虑。

3结构不规则性分析

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》^[2]文件，进行结构不规则性分析，具体情况如下：

（1）扭转不规则，扭转位移比小于1.4，其大于1.2。

（2）楼板不连续，有效宽度小于50%。

（3）尺寸突变，局部平面收进尺寸大于25%。

综上，本项目属于超限高层建筑，应进行专项分析和超限评审并采用有效的加强措施。

4 结构分析

在对主体结构内力分析过程中，主要通过PMSAP和YJK软件完成计算。结构整体计算模型及结构平面图布置图详见图2、图3。

图2：结构整体计算模型

图3：结构平面布置图

计算模型采用振型分解反应谱法，楼板分别以刚性板假定计算楼层扭转位移比、位移、周期等指标和以弹性膜假定计算结构的内力，并考虑双向地震作用和平动-扭转藕联计算。

4.1 地下室顶板嵌固端刚度分析

在地下室顶板厚度控制过程中，室外部分厚度选取250mm，室内部分则选用180mm，楼板配筋率要保证≥0.25%，并且要采取双层双向的配置方式。经标准验算，上下层侧向刚度比满足规范要求，能够达到0.5倍规定。因此 ，可以进行地下室顶板嵌固。

4.2 结构整体分析主要计算结果

主体结构采用弹性方法进行计算分析，采用不同程序计算的主要计算指标汇总结果详见表2。

表2不同计算软件的计算结果对比

澄星广场		PMSAP	YJK
前6阶 自振周期 （平动X+Y+扭转系数）	1	1.4738 (0.03+0.95+0.02)	1.5854 (0.11+0.84+0.05)
	2	1.4675 (0.69+0.06+0.25)	1.5651 (0.72+0.15+0.12)
	3	1.2856 (0.29+0.00+0.71)	1.3597 (0.17+0.01+0.82)
	4	0.6242(0.01+0.99+0)	0.7297(0.00+0.99+0)
	5	0.6201(0.84+0.01+0.15)	0.7153(0.97+0.01+.02)
	6	0.5653(0.13+0+0.87)	0.628(0.04+0.00+.96)
周期比	Tt/T1	0.872	0.858
位移比	X向	1.10,1.13	1.10,1.11
	X－5％	1.14,1.17	1.14,1.16
	X＋5％	1.06,1.08	1.06,1.08
	Y向	1.02,1.05	1.05,1.07
	Y－5％	1.18,1.20	1.22,1.24
	Y＋5％	1.20,1.23	1.13,1.15
地震作用下的位移角	X向	1/728	1/567
	Y向	1/722	1/558
风作用下的位移角	X向	1/7095	1/9999
	Y向	1/2715	1/6330
有效质量系数	X向	98.70%	90.55%
	Y向	98.50%	92.01%
剪重比	X向	4.01%	3.85%
	Y向	4.50%	4.22%

通过上表计算可以明确其计算结果满足现行规范要求，可以进行整体结构的设计。

4.3 楼板应力分析

地上二层~屋面层楼板形状不规则，南北两侧结构仅通过若干楼板及连廊相连，为保证在地震、温度作用下，结构能作为整体共同工作，有必要对地上各层楼板（尤其是连廊部位）进行楼板应力分析。

（1）地震作用下楼板应力分析

通过对楼板应力的研究，利于提高抗震分析能力，从而进一步提高抗震效果。即小震下应满足 。中震下满足 。通过对荷载组合为S=1.0倍恒载+1.0倍活载作用的楼板应力分析，其计算结果详见图4~图7。

图4：在X向小震作用下第一主应力

图5：在Y向小震作用下第一主应力图

图6：在X向中震作用下第一主应力图

图7：在Y向中震作用下第一主应力图

从分析看出，小震下第一主应力最大为2.12MPa（位于五层---X向地震），（除五层和七层局部），中震下第一主应力大部分为1.4MPa以下；五层空中连廊处应力最大为3.5MPa（X向地震）。

当混凝土采用C35时，在小震作用下各层楼板的应力验算均满足要求。中震下局部楼板应力较大处应满足 ，在应力较大时，应该选取150mm厚的楼板，中震下楼板主拉应力标准值 最大处为3.5MPa，当采用C12@130双层双向配筋时，式 值为4.64MPa，大于 ，可满足设计要求。

（2）温度作用下楼板应力分析

长边约117m，已经超过伸缩缝最大间距，因此，需要有效进行温度作用下楼板应力的研究。其应力计算结果见图8、图9。

图8：在升温作用下第一主应力图

图9：在降温作用下第一主应力图

对二层～屋面层进行楼板应力的升温和降温作用分析，各层均全层定义为弹性膜。根据计算统计，在温度升降的影响下，其数值大部分是小于2.20MPa（C35）的。仅个别应力集中区域大于混凝土抗拉强度标准值(如二层、五层、屋面层)。

对于楼板应力较大处，板厚为150mm或180mm（二层、五层中间连接部分），其楼板采用C12@130双层双向配筋，可满足设计要求。

4.3 小震下的时程分析

弹性时程分析选用特征周期为0.75秒的天然地震波TH3TG075，TH4TG075，和一条人工地震波RH4TG075。

图10：规范谱与地震波对比图

表5不同计算软件的计算结果对比

指标	弹性时程分析	振型分解反应谱法
最大层间位移Uxmax/h	1/671	1/694
最大层间位移Uymax/h	1/684	1/692
顶层最大位移Ux/H	1/971	1/927
顶层最大位移Uy/H	1/870	1/816
X向底层剪力（KN）	41432	38505.3
Y向底层剪力（KN）	49462	44802

通过进一步计算，不同软件的计算数据基本吻合，最终结构计算按时程分析法的包络值和振型分解反应谱法的较大值采用，即对振型分解反应谱法的楼层剪力按放大1.1倍采用。

4.4大震下静力弹塑性分析

采用Pushover进行罕遇地震作用下的变形验算，将分析模型加倒三角形分布的侧向力，能够提高分析效率，在控制点到达目标位置为止。在计算分析时不考虑地下室作用的影响，构件的配筋采用小震反应谱的计算结果，并选用规范加速度设计谱。性能点计算简图（图11、图12）如下：

图11：0°方向性能点曲线图

图12：90°方向性能点曲线图

经计算分析在“大震”作用下，在X向第4层的最大弹塑性层间位移角为1/311，在Y向第五层的最大弹塑性层间位移角为1/240，均小于规范限值（1/50）的要求，同时各层的弹塑性层间位移角小于4倍弹性位移角限值（4*1/550=1/138）。

在推覆分析的过程中，结构构件的塑性铰逐渐并依次开展。在性能点荷载步，仅一部分框架梁在梁端出现了塑性铰，而框架柱部分基本上没有出现塑性铰。

结合进一步实践分析，该结构具有刚度储备，同时也具备内力重分布能力，可以做到“大震不倒”。

5 采取的抗震措施

针对主楼的几点不规则情况，采取以下加强措施：

（1）通过合理布置结构构件，各楼层的最大位移比仅少数层略大于1.2，但均小于1.4。同时，严格控制结构的周期。

（2）在楼板洞口的周边设置梁。对相应层楼板特别是南北连接部分和中间通道处楼板进行加强，板厚应该增加到180mm，此时板宽也要大于2m，在配筋率方面，更应该大于0.25%，并采取双层双向配筋的方式进行。

（3）在立面收进处上、下2层的周边竖向构件的抗震等级提高一级（提高后抗震等级为一级），其箍筋全长进行加密处理，同时要在适当的位置加大竖向配筋。此外，在收进处的楼板厚度应该控制在150mm以上，其配筋率也应该控制在0.25%以上。

（4）钢筋采用HRB400钢筋，以降低结构的配筋量；非承重墙体采用加气混凝土砌块等轻质墙体。

（5）采取较为严格的构造措施，包括严格控制柱轴压比、保证构件配箍率、保证楼板厚度和配筋率等。

（6）通过有效的进行后浇带设置，可以采取膨胀混凝土浇筑的方式，提升强度等级。

6 结论

由于本项目存在3项不规则，应进行结构抗震超限审查。通过计算分析、优化调整后的计算结果表明，结构的主要控制指标、结构构件承载力等均满足现行规范的要求，并通过了无锡市超限专家组的评审，在后期进行结构施工图设计过程，也进行了抗震性分析，从而不断加强了抗震水平。

参考文献

[1]建筑结构荷载规范:GB50009-2012 [S].北京：中国建筑工业出版社，2012

[2]超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点：建质[2015]67[S].北京：住房城乡建设部，2015

[3]建筑抗震设计规范:GB 50011-2010[S].2016年版.北京：中国建筑工业出版社，2010

[4]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3-2010 [S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[5]混凝土结构设计规范:GB 50010-2010[S]. 2015年版.北京：中国建筑工业出版社，2010