杭州市职工文化中心文体中心结构抗震超限设计
杭州市职工文化中心位于浙江省杭州市城东新城西部核心区块连接地带。本项目总用地面积39 881m2, 总建筑面积152 949 m2, 其中地上建筑面积99 185 m2, 地下建筑面积53 764 m2, 由维权楼、服务配套楼和文体中心三部分组成。本项目为杭州市重点建设工程, 集教育培训、职工维权、文化艺术、体育健身、才艺展示、创业培训、会展服务等多功能为一体, 建成后将成为全国城市工会的标志性建筑和杭州城东新城的地标性建筑, 建筑效果图如图1所示。
图1 建筑效果图
维权楼及服务配套楼地上均为19层, 建筑总高度75.8m, 文体中心地上5层, 建筑总高度27.6~33.1m, 均属于高层建筑。由于建筑造型及功能的需要, 文体中心具有平面及竖向多项不规则情况, 文体中心的建筑剖面图如图2所示, 而维权楼及服务配套楼平面及竖向布置基本规则。本文重点介绍文体中心的抗震超限设计。
图2 文体中心建筑剖面图
2 上部结构体系及超限情况
2.1 上部结构体系
由于文体中心长度达到152.7m, 设计采用防震缝将其分为左、右两个相对独立的抗震单元, 分别为B楼和C楼, 上部典型楼层 (4层) 结构平面见图3。B, C楼均为大空间不规则结构, B楼部分楼层楼板不连续、开洞较大;C楼除楼板局部不连续外, 尚有平面凹凸不规则及上部收进形成的竖向不规则。B, C楼均采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构, 双向井字梁或单向肋梁楼、屋面体系。在楼板大洞口周边及外围框架处适当布置剪力墙, 以加强结构的整体性及抗侧、抗扭刚度, 并形成多道抗震防线, 提高整体结构的抗震性能。一般结构构件采用普通钢筋混凝土, 混凝土强度等级为C30, 柱截面尺寸为800×800, 框架梁截面尺寸为400×700, 剪力墙厚度为400mm, 楼板厚度为120mm。
图3 4层结构平面布置
B楼3层楼面采用33.6m跨型钢 (钢骨) 混凝土大梁, 截面尺寸为600×1 800, 有利于下部游泳馆潮湿环境下的构件耐久性设计要求;4层楼面及屋面采用33.6m跨钢梁及压型钢板混凝土组合楼盖, 钢梁截面为H1 600×400×30×34, 以减轻结构自重;5层楼面为羽毛球场, 为改善楼板的振动舒适度, 提高楼面竖向自振频率[1], 与3层同样采用33.6m跨型钢 (钢骨) 混凝土大梁, 截面尺寸为600×1 800;C楼观众厅屋面采用27.0m跨型钢 (钢骨) 混凝土大梁, 截面尺寸为600×1 400;台口大梁采用17.2m跨现浇钢筋混凝土空腹桁架, 上下弦杆截面尺寸为800×1 600, 桁架立柱截面尺寸为600×800。上述型钢混凝土大梁或钢梁支座处框架柱内均设置型钢, 形成型钢框架。
2.2 结构超限检查
根据住房和城乡建设部印发的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[2], 文体中心B, C楼的不规则情况见表1。由表1可判断文体中心B, C楼均为超限高层建筑。
表1 结构不规则情况
注:刚度突变与尺寸突变不重复计算不规则项。
3 结构计算分析
3.1 主要计算参数
文体中心的抗震设防烈度为6度, 抗震设防类别为乙类。设计基本地震加速度为0.05g, 设计地震分组为第一组, 建筑场地类别为Ⅲ类。基本风压为0.45k N/m2, 地面粗糙度B类。框架和剪力墙抗震等级均为二级。
3.2 结构抗震性能目标
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) [3] (简称高规) 中关于结构抗震性能化设计的方法, 结合工程超限情况, 选定工程抗震性能目标为C级, 即多遇地震下满足性能水准1要求;设防地震下满足性能水准3要求;罕遇地震下满足性能水准4要求。根据上述原则, 文体中心B, C楼抗震设计性能目标及各构件要求具体见表2。
表2 结构抗震性能目标
注:1—剪力墙抗弯承载力;2—剪力墙抗剪承载力;3—大跨型钢框架柱抗弯承载力;4—大跨型钢 (钢) 框架梁抗弯承载力;5—舞台台口桁架抗弯、拉压承载力;6—普通框架柱抗弯承载力;7—连梁抗剪承载力;8—普通框架梁抗弯承载力。
3.3 多遇地震下的弹性分析
文体中心采用SATWE作为主要计算分析软件、MIDAS Building作为辅助软件进行对比分析。采用振型分解反应谱法计算地震作用, 并考虑偶然偏心及双向地震作用, 分析结果见表3, 4。两种软件分析得出的结构反应特征基本吻合, 结构周期比、层间位移角及位移比均能满足规范要求。
B楼楼层侧向刚度与其相邻上层侧向刚度的0.9倍的比值最小分别为1.23 (X向) , 1.30 (Y向) ;最小楼层抗剪承载力比值分别为0.67 (X向) 、0.67 (Y向) , 存在抗剪承载力突变。
表3 B楼多遇地震下的计算结果
注:FEK为振型分解反应谱法计算的结构底部地震剪力;FEK/Geq为剪重比;ΔUe/h为地震作用下结构的最大层间位移角;λ为考虑偶然偏心下主要楼层最大水平位移和层间位移与该楼层平均值之比的最大值;表4同。
表4 C楼多遇地震下的计算结果
C楼楼层侧向刚度与其相邻上层侧向刚度1.1倍的比值最小分别为0.96 (X向) , 0.87 (Y向) ;最小楼层抗剪承载力比值分别为0.81 (X向) 、0.92 (Y向) , 存在侧向刚度突变。
根据高规中关于弹性时程分析方法的要求, 本工程采用软件MIDAS Building (2012版) 中的弹性动力时程分析模块对结构进行计算分析。输入的地震加速度最大值为18cm/s2, 按照建筑场地类别和地震波持续时间, 选用2条天然波和1条人工波, 分别为:天然波TH11TG045 (1952, Taft-21) 、天然波TH12TG045 (1984, MORGAN HILL-195) 、人工波RH1TG045 (Artificial, namjeong-1) 。弹性时程计算结果见表5, 6。
由表5, 6可以看出:每条时程曲线计算所得的结构基底剪力不小于振型分解反应谱法 (CQC法) 求得的基底剪力的65%, 多条时程曲线计算所得的结构基底剪力的平均值不小于振型分解反应谱法求得的基底剪力的80%, 均可满足规范要求。计算结果显示, B, C楼弹性动力时程分析的基底剪力最大值分别达到振型分解反应谱法求得基底剪力的107%和118%, 在结构设计时对地震作用按该系数进行放大。
表5 B楼弹性时程分析结果
表6 C楼弹性时程分析结果
3.4 动力弹塑性时程分析
采用MIDAS Building软件对设防烈度地震及罕遇地震作用下结构进行动力弹塑性时程分析, 以了解结构在相应烈度地震作用下的动力响应特征, 论证结构是否满足预定的抗震性能目标[4]。
动力弹塑性分析选用的3条地震波 (包括2条天然波和1条人工波) 为多遇地震作用下弹性动力时程分析所采用的地震波, 并调整到设防烈度地震及罕遇地震水准。MIDAS Building可根据地震烈度和地震波的有效峰值加速度自动计算调整系数 (即设计有效峰值加速度EPA) 。
梁、柱的滞回模型采用修正武田三折线模型;墙采用纤维模型, 其中混凝土的本构关系采用《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) (简称混凝土规范) 中所提供的单轴受压曲线, 不考虑混凝土单元的受拉特性;钢筋采用双折线模型。
在设防烈度地震作用下, 部分框架梁出现裂缝 (B楼出现裂缝的框架梁与框架梁总数量的百分比为59.3%, C楼为71.9%) , 个别框架梁进入屈服状态 (B楼出现屈服的框架梁与框架梁总数量的百分比为0.3%, C楼为0.4%) , 框架柱均未屈服;B, C楼南侧端部剪力墙局部混凝土单元应力较大, 局部连梁混凝土单元进入屈服状态, 钢筋单元均未屈服, 舞台台口桁架弦杆及腹杆均未屈服。采用MIDAS Building软件计算的整体计算结果见表7, 8, 9。由表可知, B, C楼整体位移较小, 层间位移角满足抗震性能目标。
表7 B楼设防烈度地震作用下动力弹塑性分析结果
表8 C楼设防烈度地震作用下动力弹塑性分析结果
表9 设防烈度地震作用下结构最大位移/mm
采用SATWE软件的振型分解反应谱法进行设防烈度地震作用下的结构整体分析, 并对相关构件进行设防烈度地震弹性及设防烈度地震不屈服设计。地震影响系数最大值取0.12, 阻尼比取0.05, 周期折减系数取0.85, 场地特征周期为0.45s。计算分析得到的B楼基底剪力为24 055k N (X向) , 22 646 (Y向) ;C楼基底剪力为21 650k N (X向) , 20 654 (Y向) 。
在罕遇地震作用下, 部分框架梁出现裂缝 (B楼出现裂缝的框架梁与框架梁总数量的百分比为60.7%, C楼为74.0%) , 个别框架梁进入屈服状态 (B楼出现屈服的框架梁与框架梁总数量的百分比为7.1%, C楼为4.7%) , 框架柱均未屈服;B, C楼底层剪力墙局部混凝土单元进入屈服状态, 部分连梁混凝土单元进入屈服状态, 钢筋单元均未屈服, 舞台台口桁架弦杆及腹杆均未屈服。MIDAS Building软件的整体计算结果见表10~12。由表可知, 罕遇地震作用下B, C楼整体位移及层间位移角较设防烈度地震作用下有所增大, 但仍满足抗震性能目标。
采用SATWE软件的振型分解反应谱法进行罕遇地震作用下结构整体分析, 并对相关构件进行大震不屈服设计。地震影响系数最大值取0.28, 阻尼比取0.06, 周期折减系数取1, 场地特征周期为0.50s。计算分析得到的B楼基底剪力为53 613k N (X向) , 50 505 (Y向) ;C楼基底剪力为48 464k N (X向) , 46 221 (Y向) 。
由动力弹塑性时程分析结果可以看出, B, C楼主体结构可满足设防烈度地震及罕遇地震作用下的性能设计目标。与SATWE软件的大震计算结果对比可看出, 在设防烈度地震及罕遇地震作用下, 结构部分连梁、框架梁以及局部剪力墙屈服后, 结构刚度下降, 可形成良好的耗能机制, 结构基底剪力较相应的弹性计算模型有显著减小。其中, C楼在4层屋面局部形成错层, 造成整体刚度有一定突变, 可在错层部位柱内设置型钢提高其抗剪承载力及抗震延性[5], 并将薄弱层的剪力按规范要求放大1.25倍;屋顶以上构架层由于层高较大刚度较小, 存在一定“鞭梢”效应, 在此层半层高位置增设拉结梁, 且构架层框架柱截面与主楼框架柱对应位置相同, 提高构架的整体刚度及承载力。
表1 0 B楼罕遇地震作用下动力弹塑性分析结果
表1 1 C楼罕遇地震作用下动力弹塑性分析结果
表1 2 罕遇地震作用下结构最大位移/mm
4 关键构件的分析与构造
4.1 底部剪力墙
图4 剪力墙混凝土正应力/ (N/mm2)
图5 剪力墙钢筋正应力/ (N/mm2)
在水平地震作用下, 剪力墙作为“第一道防线”承受大部分的地震力, 混凝土及钢筋单元的应力水平较高。以C楼西侧的墙体为例, 在罕遇地震作用下, 底部混凝土单元的最大压应力为15.330 9N/mm2, 钢筋单元的最大拉应力为266.103N/mm2, 见图4, 5。为确保剪力墙的抗震性能, 考虑在底部2层墙肢端柱及洞边暗柱内增设型钢, 提高其抗震承载力及抗震延性, 实现既定的抗震性能目标, 见图6。
图6 剪力墙截面构造
4.2 台口混凝土空腹桁架
主舞台台口跨度为17.2m, 采用钢筋混凝土空腹桁架进行转换, 支承上部结构屋面;主舞台桁架高度为8.15m, 上、下弦梁截面尺寸均为800×1 600, 腹杆截面尺寸为600×800。为减小桁架支座处上、下弦杆的弯矩和剪力, 在端跨立柱和支座间设置厚度为400mm的钢筋混凝土剪力墙, 内设截面尺寸为400×600暗撑。在节点处采用截面尺寸为600×600的加腋处理, 以减小立柱与水平弦杆连接处的应力集中。后台口钢筋混凝土空腹桁架详图如图7所示。
图7 后台口钢筋混凝土空腹桁架详图
在罕遇地震作用下, 舞台桁架塑性铰状态见图8, 桁架弦杆及腹杆均未屈服, 满足抗震性能目标。
5 抗震加强措施
(1) 采用框架-剪力墙结构体系, 形成多道抗震防线。
(2) 在观众厅、泳池等大跨空间周边设置型钢混凝土柱与楼面型钢梁 (钢梁) , 形成型钢框架, 在满足大跨重载的同时, 提高结构的抗震承载力及抗震延性。
(3) 按重点设防类确定的上部结构的抗震等级为:框架三级, 剪力墙二级。由于B楼局部剪力墙间距较大, 为58.8m, 超过高规中剪力墙间距的要求, C楼上部存在相对薄弱层及局部错层, 故B, C楼框架的抗震等级均按提高一级考虑, 为二级。
图8 舞台桁架塑性铰状态
注:1st为开裂到屈服之前的状态;2nd为塑性铰阶段。
(4) 底部两侧局部墙体厚度增加至500mm, 提高墙体配筋率, 并在其边缘构件内设置型钢, 增加其抗震承载力及延性。
(5) 多遇地震作用下弹性计算时, B, C楼地震作用分别放大1.07倍和1.11倍, 即取时程分析和振型分解反应谱法的较大值。
(6) 配筋计算时, 按抗震性能目标, 关键构件取多遇地震弹性和设防烈度地震弹性以及罕遇地震不屈服的较大值。
6 结语
本文对结构进行设防烈度地震及罕遇地震作用下的动力弹塑性分析, 验证结构在各水准下的性能表现;经过多模型的计算分析表明结构可满足抗震性能目标要求。本工程在平面及竖向规则性超过规范要求的情况下, 采取了一定的抗震措施, 结构具有足够的刚度、承载力和延性, 能够实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求, 可确保结构的抗震安全性。
[2] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点:建质[2006]220号[S].北京:全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会, 2006.
[3]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, 2011.
[4]王昉.某超限高层建筑结构设计[J].建筑结构, 2014, 44 (15) :13-18.
[5]钢骨混凝土结构技术规程:YB 9082—2006[S]北京:冶金工业出版社, 2008.