郑州市民活动中心A区建设地点位于郑州中心城区西南部, 总建筑面积为133 849.99m², 其中地上建筑面积64 289.93m², 地下建筑面积69 688m²。地下两层连为一体, 地面以上通过设置防震缝将其分为四个独立结构单体 (包括杂技馆、群艺馆、妇女儿童中心及青少年发展中心和群艺工作室) , 各个单体之间设置钢连廊, A区建筑标准层平面示意图见图1。

　　 本文主要针对群艺馆、杂技馆及其之间的钢连廊进行整体抗震计算分析, 如图2所示。本项目属于连体结构, 钢连廊支座底标高为10.20m, 最大跨度为61.2m, 桁架高度11.5~15m (属于大跨度低位连廊) , 建筑功能为展览大厅。

　　 杂技馆建筑面积为7 073m², 建筑总高度约为23.5m, 杂技馆平面形状为不规则椭圆形, 长轴约为81m, 短轴约为58m, 屋盖采用钢结构管桁架, 跨度为9~50m, 桁架高度为3.5m, 建筑外墙采用钢结构幕墙, 主要功能为杂技剧场、练功、办公和住宿;地上2层 (局部地上6层) , 一层层高4.5m, 二层层高19.0m, 最大座位数1 399座, 属于大型剧场, 抗震设防分类为重点设防类。杂技馆以地下二层顶为上部结构的嵌固部位。

　　 群艺馆建筑面积为13 345m², 地上5层, 建筑高度26.40m, 一层层高6m, 二~四层层高5.6m, 五层层高3.6m (局部突出部分为4.0m) , 主要功能为舞台剧场及展览厅、排练厅、化妆间及办公室;群艺馆最大长度约78m, 最大宽度约59m。地下2层为人防工程, 抗震设防分类为重点设防类。群艺馆以地下一层顶为上部结构的嵌固部位。

　　 本工程设计使用年限为50年, 结构安全等级为一级, 抗震设防烈度7度, 设计基本地震加速度0.15g, 设计地震分组为第二组, 场地类别Ⅱ类, 场地特征周期0.40s, 地面粗糙度B类, 基本风压值0.45k N/m^2[1], 场地上部土层具有湿陷性, 基础施工时全部挖除。

　　 主塔结构形式均采用框架-剪力墙结构, 抗震计算时剪力墙抗震等级为二级, 框架抗震等级为三级。按剪力墙抗震等级为一级、框架抗震等级为二级采取抗震措施^[2]。

　　 杂技馆和群艺馆之间的连接体属于大跨度低位连接体 (图2) , 其两侧结构的体型、平面布置及刚度显著不同, 并且各单体结构均较为复杂, 结构平面均开有较大洞口 (开洞面积大于30%) 。平面形状凹凸不规则 (扭转位移比大于1.2) ^[3], 如连接体采用刚性连接, 连接体两侧结构将相互产生较大影响, 结构抗震设计复杂, 故连接体与两侧单体采用柔性连接, 减少连接体两侧单体结构在地震作用下的相互影响。

　　 连接体采用型钢桁架和型钢梁, 横截面为□字形和字形, 采用Q345钢材, 楼面采用压型钢板组合楼板, 屋面为金属屋面系统。钢连廊采用抗震支座与两端混凝土结构弹性滑动连接, 此方案可以有效地减小连接体对主体结构动力特性的影响, 抗震支座落在混凝土变阶柱上, 其上钢连廊和混凝土单体之间设置防震缝, 缝宽150mm (钢桁架与钢筋混凝土柱或梁的距离为400mm) ;抗震支座有复位功能且为连接体提供一定的刚度, 使其在地震作用下不产生过大位移, 钢连廊剖面见图3, 钢连廊主结构截面规格见表1。

　　 钢结构支座采用橡胶隔震支座, 此抗震支座在压力和拉力作用下均能实现水平方向自由滑动, 提供水平刚度, 释放结构产生的温度应力、风荷载作用及地震能量, 满足在地震中结构可能产生的较大变形, 耐久性好, 具有一定的耗能减震能力, 承载力高, 可以万向转动, 且具有复位功能。抗震支座具体技术参数见表2和表3。

　　 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[4]第3.7.5条的规定, 计算罕遇地震作用下支座的滑移限值。规范规定的大震弹塑性层间位移角限值为1/100, 连接体底标高为11.4m, 两楼相向运动后单塔向一侧的极限位移为11.4/100=0.114m。由于两侧单体刚度较大, 综合考虑支座滑动量为±110mm, 相对于抗震支座最大滑动量的预估值, 结构安全储备较大, 所以不会出现连接体脱落和连接体与两侧单体产生碰撞等问题。

　　 采用YJK软件计算结构在小震和大震作用下抗震支座节点的位移。采用等效弹性方法, 计算结构在大震作用下的位移, 参数设定如下:结构阻尼比取0.07, 周期折减系数取1.0, 地震作用效应不考虑与抗震等级相关的增大系数, 荷载组合中各分项系数均为1.0。并采用大震弹塑性时程分析复核计算结果。群艺馆和杂技馆与钢连廊整体计算以及群艺馆和杂技馆独立计算时的支座位移结果见表4。

　　 由计算结果可见, 结构在多遇地震和罕遇地震作用下, 抗震支座的各个节点的位移均小于抗震支座的极限位移, 故所选择抗震支座满足小震和大震下的变形要求。

　　 采用YJK1.8软件对整体结构进行大震动力弹塑性时程分析, 分析时采用2条实际地震记录加速度时程曲线和1条人工模拟的加速度时程曲线, 天然波及人工波均采用YJK1.8程序自带地震波, 各支座节点位移如图4所示 (篇幅原因仅列出两点) 。通过对结构进行小震、大震下的时程分析, 得出如下结论:

　　 (1) 本工程大震动力弹塑性及弹性时程分析所得钢连廊支座位移与表4所列大震等效弹性分析计算结果基本一致。

　　 (2) 钢连廊一支座在大震作用下有足够的刚度, 可以避免钢连廊滑落, 可以避免连廊支座上部混凝土竖向构件与连廊发生碰撞。

　　 对连接体结构进行了重点加强设计, 针对不同的结构部位并根据其重要程度, 采用了不同的抗震性能目标, 并采取相应的设计、计算和构造措施, 以保证结构的安全可靠。对作为抗震支座的框架柱, 按中震弹性进行设计。采用YJK1.8软件进行中震不屈服及中震弹性分析, 调整参数如下:中震弹性:结构阻尼比取0.05, 周期折减系数取0.8, 地震作用效应不考虑与抗震等级相关的增大系数, 其他参数设定同小震, 用此法设计关键构件的截面及配筋;中震不屈服:结构阻尼比取0.06, 周期折减系数取1.0, 地震作用效应不考虑与抗震等级相关的增大系数, 荷载组合中各分项系数均为1.0, 用此法设计关键构件的截面及配筋并给出验算结果。计算结果表明, 群艺馆及杂技馆钢连廊支座在中震作用下均未屈服, 中震作用下杂技馆处钢连廊支座仍为弹性, 群艺馆处部分支座配筋超筋, 因此, 连廊支座采用型钢混凝土柱, 以提高连廊支座整体性能水准。

　　 作为抗震支座支点的型钢混凝土柱, 柱截面尺寸为1 900×1 000, 柱内型钢采用十字形型钢, 框架柱抗震等级为一级, 牛腿设计如图5所示。

　　 建立两个模型, 一个模型带连接体, 一个模型不带连接体, 分别进行分析计算, 比较其在小震和大震下的动力时程响应, 研究两者的受力差异程度。

　　 采用YJK1.8软件, 分别对包含连接体的整体模型和不包含连接体的整体模型进行小震下的弹性时程分析。对包含连接体的整体模型, 采用YJK1.8中提供的两点约束来模拟抗震支座;对不包含连接体的整体模型, 将连接体近似折算为质量, 在原连接体支座处施加竖向荷载进行模拟。小震作用下, 各单体周期见表5。

　　 弹性时程分析时采用5条实际地震记录加速度时程曲线和2条人工模拟的加速度时程曲线, 天然波及人工波均采用YJK1.8程序自带地震波。由图6可知, 7条地震波地震影响系数 (5%阻尼比) 曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线比较, 各条地震波平均谱和规范谱在前三个周期点对应的地震影响系数相差不大于20%^[1], 故所选7条地震波满足抗规^[2]“统计意义上相符”的要求。

　　 含连接体的整体模型与不含连接体的整体模型在小震弹性时程分析下的结构最大楼层位移曲线, 见图7。由图7可见, 在小震作用下, 含连接体的整体模型与不含连接体的整体模型的层间位移曲线基本一致, 最大层间位移差别较小。含连接体的整体模型与不含连接体的整体模型, 在小震弹性时程作用下, 基底剪力与基底倾覆力矩见表6。

　　 由表6可见, 两个模型的基底剪力和基底倾覆力矩基本一致, 计算结果相当接近。

　　 采用YJK1.8设计软件, 分别对包含连接体的整体模型和不包含连接体的整体模型进行大震下的弹塑性时程分析。模型的处理方式同小震弹性时程分析一致, 含连接体的整体模型与不含连接体的整体模型的大震弹塑性时程分析结果表明, 两个模型在大震下的动力响应特性基本一致, 基底剪力相差较小。在大震作用下, 含连接体的整体模型与不含连接体的整体模型的钢连廊的支点 (图2中节点7) 在X向和Y向的位移时程曲线如图8所示, 结构的层间位移角曲线和层间位移曲线 (三条地震波作用下的包络结果) 如图9和图10所示。由图8~10可知, 两个计算模型的整体参数指标基本一致。

　　 三条地震波作用下, 两个模型的型钢混凝土柱 (钢连廊支座) 性能指标见图11。由图11可知, 两个计算模型中, 作为钢连廊支座的型钢混凝凝土框架柱, 在大震作用下, 框架柱性能指标基本相同。

　　 由以上分析可见, 连接体采用柔性连接, 在小震弹性时程和大震弹塑性时程下, 含连接体与不含连接体的整体模型, 结构的动力特性基本一致, 结构的基底剪力、基底倾覆力矩和层间位移角等整体参数指标几乎完全相同;根据构件的性能指标, 含连接体与不含连接体, 对结构整体模型的竖向构件的性能指标影响较小。

　　 (1) 本工程属于连接体-多塔结构, 其中连接体与各个塔楼之间采用柔性连接。

　　 (2) 根据大震等效弹性分析结果和大震弹塑性时程分析结果, 选取的抗震支座能满足结构在大震下的变形要求, 同时仍需对支座进行变形限位设计。

　　 (3) 分析表明, 连接体与塔楼之间采用柔性连接对塔楼抗震性能影响较小。塔楼结构设计时, 可按不考虑连接体的整体模型进行计算设计, 通过在支座节点处施加竖向荷载的方式, 考虑连接体的传力。