华安县“五馆一中心”超限结构设计

林 勇

（中建四局建设发展有限公司，福建 厦门 361001）

1 工程概况

华安县“五馆一中心”项目位于漳州市华安县城南新区，共由4栋建筑组成，功能为科技馆博物馆、图书馆、档案馆文化馆、全民健身活动中心；地下1层为车库及设备用房，地下1层南侧开敞，东西侧和北侧全埋。项目总建筑面积30 160m2。

科技馆博物馆建筑高度23.50m（4层）、图书馆为22.35m（3层）、档案馆文化馆为22.75m（4层）、全民健身活动中心为22.15m（2 层）。结构地下室顶板不断缝，2 层楼面在⑦～⑧轴之间沿南北方向断缝，将整个工程切分为东西2个结构单体。左侧单体为科技馆博物馆和图书馆，右侧单体为档案馆文化馆和全民健身活动中心。建筑效果如图1所示。

图1 项目效果

本工程结构设计使用年限为50年，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期取0.40s，结构安全等级二级，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，丙类抗震设防类别，设计地震分组为第二组，基本风压为0.40kN/m2。科技馆博物馆、图书馆阻尼比取5%，档案馆文化馆、全民健身活动中心阻尼比按材料区分，钢结构取2%，型钢混凝土柱及混凝土取5%。

2 结构设计要点

2.1 地基设计

项目场地为人工堆填的素填土层，主要地质土层为粉质黏土、卵石、硅质粉砂岩残积黏性土、全风化硅质粉砂岩及中风化硅质粉砂岩，场地南侧邻近九龙江支流，地下稳定水位埋深9.40～17.50m，基础采用冲（钻）孔灌注桩，以⑨层中风化硅质粉砂岩为基础持力层，底板采用主梁+大板体系，地下室底板面标高高于历史最高水位标高，底板和基础不需抗浮设计。

2.2 结构体系

本工程各单体采用钢筋混凝土框架结构体系。篮球馆主体结构2层以上采用钢结构框架体系，与1层柱采用劲性结构过渡。钢结构框架柱采用矩形钢管柱，屋面梁采用H型钢梁。地下室顶板采用梁板结构体系，地下室顶板厚度取180mm，人防区域和消防车道区域取250mm。由于南北场地高差9m，为解决南北土堆力不平衡的问题，地下室北侧增设部分y向剪力墙抵抗土推力。地下室东、西、北三侧外墙回填土，南侧直接临路敞开，为满足地下室顶板为计算嵌固端的要求，在南侧增设部分剪力墙，提高南侧地下室的刚度，确保地下1层侧向刚度大于地上1层的2倍。

本工程抗震设防类别为丙类，框架抗震等级二级，全民健身活动中心钢结构屋面抗震等级取三级。

3 超限情况与措施

3.1 超限情况

以南侧室外最不利科技馆博物馆结构高度为28.50m，档案馆文化馆结构高度为27.75m，均超过24.00m，按高层结构进行设计。根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质〔2015〕67号），本工程存在主要超限情况如表1所示。

表1 结构不规则项

3.2 性能目标

本工程属于人员密集大型公共建筑，建筑造型复杂，结构存在多项不规则。结构构件性能目标如表2所示。

表2 结构构件性能目标

3.3 抗震加强措施

通过对本工程相关计算分析，结合上述构件性能目标，为确保达到设定的抗震性能，对主体结构采取如下抗震加强措施。

1）角柱按抗震构造措施等级提高一级考虑，且箍筋全高加密。

2）加大楼板厚度，平衡部分斜柱水平推力，对斜柱周边的板加强配筋，斜柱根部水平拉力应由相应连接的框架梁承担；在半楼层标高处的出挑造型斜柱，均按短柱构造加强。

3）2～3层存在连廊且连廊楼板开洞为弱连接，加强板厚和配筋，对连接楼板进行应力分析。

4）每根穿层柱所承受的剪力应至少取相应楼层框架部分承受剪力平均值的1.2倍，并应进行稳定性验算。

4 结构整体分析

4.1 计算模型主要设计参数

整体结构计算主要采用PMSAP计算，并采用YJK软件补充计算校核。

结构的阻尼比在多遇地震作用下的弹性分析时取0.05，其中档案馆文化馆、全民健身活动中心阻尼比取0.04。水平地震、设防地震及罕遇地震的影响系数最大值分别为0.08，0.23，0.48。将偶然偏心和双向地震作用产生的不利影响一并考虑。充分考虑高阶振型的影响，选用较多振型的振型分解反应谱法计算结构响应，并与弹性时程分析法的计算结果进行对比分析。

4.2 弹性反应谱分析

整体结构计算主要采用YJK计算，并采用PMSAP软件补充计算校核。计算结果如表3所示。

表3 计算结果

对比PMSAP和YJK两种软件的多遇地震作用、位移及结构动力特性等计算结果，基本吻合。由于2种计算程序在模型假定上的不同，地震工况与风荷载工况下位移有5%左右的差异，认为此结果在可以接受的合理范围内，结构模型模拟能反映实际受力情况。

4.3 弹性时程分析

采用SATWE程序进行弹性时程分析，根据场地安评提供的地震波，选取7条地震波，包括2条人工波，5条天然波，分别为：人工波RH1TG04和RH3TG04，天然波USER1～USER5，依次进行x与y向的输入，依据规范规定峰值加速度取值55cm/s2。弹性时程分析与振型分解反应谱法底部剪力对比如表4所示。

表4 弹性时程分析与振型分解反应谱法底部剪力对比

由表4数据可知，计算所选取的地震波，其结构底部剪力xmin向为4 619.07kN，ymin向为5 057.07kN，与振型分解反应谱法计算基底剪力比值x向为0.68，y向为0.67，均在规范要求范围内。地震波计算结构底部剪力的平均值x向为5 809.64kN，y向为6 221.05kN，与反应谱法计算基底剪力比值x为0.86，y向为0.82，均在规范要求范围内。根据规范要求，当选取7组及以上的时程曲线时，计算结果应选取时程分析法的包络值与振型分解反应谱法两者中的较大值。

4.4 静力弹塑性分析

本工程采用PKPM系列PUSH&EDPA程序进行罕遇地震下的弹塑性分析，分析结果如下：罕遇地震下最不利层间位移角为1/251，满足规范要求＜1/50；在罕遇地震对应点之后，曲线仍有上升趋势，说明该结构还有继续承载能力。

5 钢结构设计

5.1 设计思路

全民健身活动中心的篮球馆上方采用大跨屋面，外围框架设置斜柱，外围框架柱中间设置悬挑造型雨篷。

1）结构体系 由于屋面跨度较大，考虑减轻结构自重等，屋面梁采用焊接H形斜柱采用钢结构焊接矩形钢管柱，屋面梁采用焊接H型钢梁，梁柱刚接以形成钢框架整体结构，在竖向相邻柱之间拉水平斜梁与框架柱刚接，以加强结构整体性，形成双向刚接钢框架结构体系。

2）屋面构造 屋面采用钢结构压型金属屋面板构造，从而减轻屋面荷载自重，减少地震作用。

3）斜柱设计 斜柱层高较高，斜柱大部分为穿层柱，同时作为屋面大跨梁支撑钢柱，考虑斜柱的重要性，作为篮球馆整体结构的关键承重构件，抗震等级按提高一级考虑，并按照设防地震弹性进行设计性能化。

4）大跨屋面梁设计 大跨屋面梁采用焊接H型钢梁，考虑屋面大跨结构重要性，屋面钢梁挠度控制上按照L/400控制，同时考虑屋面为压型钢板屋面，水平结构刚度较弱，在结构上增设水平支撑，以加强结构屋盖刚度，从而提高结构整体稳定性。屋面大梁按照设防地震弹性进行性能化设计。

5）连接节点 上部钢结构焊接矩形钢管柱与下部混凝土结构采用劲性钢骨混凝土柱过渡，使下部混凝土结构层过渡到上部纯钢结构，并提高下部混凝土柱的受拉承载力及延性。在结构模型分析计算中，结构阻尼比按照材料不同分析计算。

6）屋面（楼面）大悬挑部分 由于建筑平面造型需要，在局部屋面及楼面形成大悬挑，考虑结构受力及悬挑长度较大，在结构上结合建筑楼梯间墙体位置进行增设斜撑，以提高结构冗余度。

5.2 屈曲分析

由于篮球馆屋面为大跨屋面，外围框架跃层斜柱均为主体结构重要的承重构件，在保证斜柱承载力的同时，为确保斜柱屈曲稳定性满足结构受力要求，还需合理确定外围框架跃层斜柱的计算长度系数，以保证结构的安全性和可靠性，对整体结构模型进行屈曲稳定分析，具体分析如下。

本次分析考虑重力荷载（1D+0.5L）对结构进行线性屈曲分析。经YJK软件屈曲分析计算，结构前10阶线性屈曲模态的临界荷载系数如表5所示（仅列出前10阶）。

表5 临界荷载系数

经查看及分析各阶结构屈曲模态：前4阶屈曲模态均为整体结构屈曲模态，为屋面悬挑部分、屋面结构大跨梁屈曲及整体结构扭转屈曲，从中可分析得出如下结论。

1）斜柱等主要构件屈曲均滞后于结构整体屈曲。

2）整体结构的线性屈曲临界荷载系数均大于10，第1阶为46.121，整体结构具有较好的稳定性，满足要求。

6 结语

1）弹性反应谱分析结果表明，结构的各项计算指标均未超出现行规范的规定，整体结构处于弹性工作状态，可达到“小震不坏”。

2）弹性时程分析法与振型分解反应谱法的计算结果大致吻合，确保分析的可靠性、全面性，从而保证结构安全。

3）罕遇地震下结构的最大弹塑性层间位移角满足规范要求，符合设计的预期要求，且结构具有较好的延性，可达到“大震不倒”的性能目标。

4）钢结构设计采用的各项措施，如采用双向刚接钢框架和轻型压型金属屋面板、提高斜柱抗震等级并按设防地震设计、大跨度屋面梁按设防地震设计等，分析结果满足要求，可确保结构的安全可靠性。

针对本工程存在的多种超限类别，在结构设计过程中利用多种分析软件进行计算和对比分析，并根据计算结果，适当调整工程结构设计，有效加强结构薄弱点，使工程结构设计满足预定的抗震设防目标。本工程所采用的结构分析方法和抗震构造措施可为其他类似超限结构设计提供借鉴。