陈克用

(福建众合开发建筑设计院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

随当今社会建筑技术提高，大量型式形态各异的建筑不断涌现，也相应产生了各种体系不规则结构，但对于特别不规则结构仍需补充必要分析验证，找出结构的薄弱部位并采取相应措施予以加强，以确保结构安全。基此，本文以马尾物联网会议中心结构为例，探析特别不规则结构的计算。

1 工程概况

福州马尾物联网项目位于福州马尾快安，为福州市重点工程，其中会议中心单体为3层多层结构，建筑面积7700 m2，建筑高度17.80 m。结构平面约64 m×38 m呈L形状。目前，该项目已经建成投入使用。其二层结构平面如图1所示，三层结构平面图如图2所示，效果图如图3～图4所示。

图1 二层结构平面

图2 三层结构平面

图3 会议中心外立面实景图

图4 会议中心室内实景图

2 设计参数

该工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，风荷载按50年重现期取0.7 kPa,地面粗超度取B类。工程所在场地地震烈度为7度，地震分组为第三组，场地土类别为三类。结构计算阻尼比为0.05。

3 结构设计

由于该工程建筑内部功能变化和外立面需要，相应结构不规则项较多。具体有：跃层斜柱、平面凹凸不规则、平面开大洞。

基于上述情况，该工程结构采用两种软件(YJK和迈达斯Building)进行小震分析，在常规多遇震反应谱分析基础上，补充了弹性时程分析和平面楼板。

应力性能分析对结构平面内刚度进行评估，楼板中大震下满足结构材料应力要求；同时，以施工全过程完成后内力结果作为初始荷载状态，补充罕遇地震静力弹塑性分析，以满足大震不倒的性能水准要求。

4 结构体系及计算结果分析

4.1 结构体系

该工程上部采用现浇钢筋混凝土框架结构，主要柱距为8000 mm×8400 mm，其中，西南侧二层标高处因室内挑空开大洞形成西侧一列结构为跃层斜柱，倾斜角为11.2°，最大跃层高度为13.4 m，跃层斜柱采用型钢混凝土组合圆柱形式。同时，平面东北侧两根大框架跃层柱凸出平面也伴有开大洞，同时还形成L形不规则平面的多种因素组合结构不规则。

4.2 小震计算结果

基于2个不同软件的多遇震分析，结果如表1所示。

表1 多遇地震分析结果

表1分析结果显示，两个软件结果相近，结构指标可接受；在多遇地震下，各指标结果均小于规范限值。

4.3 弹性时程[2]补充分析

该工程基于特征周期Tg=0.65s前提下，并满足选波频谱特性、时程波有效持续时间和有效峰值原则，选取两条天然波Coalinga-03_NO_392 (Tg=0.64)、TH1TG065(Tg=0.65)和一条人工波ArtWave -RH1TG065(Tg=0.65)进行弹性时程补充分析，规范谱与反应谱对比图如图5所示。

图5 规范谱与反应谱对比图

从图5中曲线结果可知，3条时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，相差小于20%，符合规范中统计意义上相符的要求；时程分析结果如表2～表3所示。

表2 时程分析结果与反应谱比较(方向0度)

表3 时程分析结果与反应谱比较(方向90°)

表2～表3结果显见，每条时程曲线计算所得基底剪力均介于振型分解反应谱法的65%～135%之间，且3条时程曲线计算所得基底剪力平均值介于振型分解反应谱法的80%～120%，故，所选的各条波均满足规范要求，且3条波包络值小于反应谱值，说明采用振型分解反应谱法计算结构包络时程分析结果，小震分析采用振型反应谱结果。

4.4 楼板中震应力分析

为了保证结构有效地协调竖向构件的变形，结构各抗侧力构件之间仍能协同工作，各竖向构件可靠地传递分配地震剪力至关重要。为此，针对二～四层结构平面开大洞，进行了设防烈度地震弹性和大震不屈服楼板应力分析。

经分析，设防烈度地震作用下结构楼板应力最大值为1.043 MPa，均能满足C30混凝土材料抗拉强度标准值ftk=2.01 MPa，结构仍属于弹性范围。在X向罕遇地震作用下四层局部应力最大值高达2.399 MPa，Y向罕遇地震作用下四层局部应力最大值高达2.24 MPa，均超过ftk=2.01 MPa，如图6～图7所示。而二层5轴交C轴处楼板平面出现内阴角，应力集中明显，楼板在大震作用下，X向应力突增高达1.99 MPa，如图8所示。

图6 四层楼板大震(X向)应力

图7 四层楼板大震(Y向)应力

图8 二层楼板大震(X向)应力

为此，通过上述楼板应力云图，结构在罕遇地震作用下，对二层局部应力突变较大处和四层楼板应力超过材料强度限值处，局部楼板板厚由原120 mm加厚至150 mm，并采取双面双向配筋，控制配筋率不小于0.25%方式予以加强。

4.5 结构罕遇地震的PUSHOVER分析[1,3-7]

结构在地震反应中的侧向位移是最能反映结构整体性能的一个重要指标性参数。根据《抗规》1.0.1条规定：当建筑物遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命的严重破坏，结构在较大的地震作用下某些部位要发生屈服，从而结构的工作状态会从弹性过渡到弹塑性，随着塑性的发生和发展，结构的反应性能会发生改变，需要考虑结构进入非线性状态的地震反应分析。而推覆分析是一种在不同水准的地震作用下，以结构顶部侧向位移作为整体抗震性能判据的静力非线性分析方法。

该工程采用通用有限元软件MIDAS/Building，在塑性铰设置方面，各框架梁设置了弯矩铰，在框架柱端设置了轴力弯矩铰(PMM铰)，推覆荷载分别按X向和Y向的第一模态形式及加速度分布形式加载。该初始荷载为1.0恒载+0.5活载，并按采用位移控制法对结构进行推覆，得到的能力谱和需求谱曲线如图9所示。

图9 PUSHover曲线

从推覆分析结果来看，罕遇地震下结构X向顶点位移最大值为130.7 mm，最大层间位移角为1/109，结构等效阻尼为12.2%；Y向顶点位移最大值为108.9.7 mm，最大层间位移角为1/133，结构等效阻尼为12.1%；均满足规范对罕遇地震下的变形限值要求。

通过能力谱曲线可以看出，结构达到性能点时，性能点以上曲线处于上升段，还具有上升的能力空间,有一定的安全储备，结构能保证大震不倒的性能要求。

同时，根据图10～图11结构在性能点时对应出的铰状态可知，在罕遇地震作用下，结构仅少数柱出现塑性铰。基此，考虑在跃层斜柱柱脚出现塑性铰，结构采取跃层斜柱中增设型钢加强措施，以保证该关键构件的承载力。

图10 性能点对应柱出铰状态

图11 性能点对应梁出铰状态

5 结论

(1)多项不规则多层框架结构在反应谱分析基础上，应对结构不规则具体情况作有针对性的补充分析。

(2)该项目楼板开大洞，较大程度削弱了楼板平面内刚度，进行楼板应力分析，并对局部应力加大处和薄弱部位进行有针对性加强，可控制楼板有效协调竖向构件的变形。